摘要 Abstract
通过形态空间格局和连通性分析识别冷岛核心源。 基于空间主成分分析生成组合阻力面。 基于电路理论生成冷岛走廊并识别关键节点。 为城市冷地空间网络建设提供范例，主动适应和缓解城市热岛效应。
研究范围及数据来源 Study Area and Data Sources
研究区域
福州位于中国东南沿海，是福建省省会，是全省最大的工业城市，也是政治、经济、文化中心。研究区东临大海，其余三侧自然山峦环抱，夏季盛行东南海风和陆风，气温高、湿度大，属于典型的亚热带季风气候。具体研究区域为福州市中心城区，根据《福州市国土空间总体规划（2021-2035年）》，总面积 2207 km²（见图1）。2007年以来，炎热夏季期间地表平均温度最高达到35~40℃，城市建筑与绿地的温差可达4℃，导致明显的 UHI 效应。因此，有必要研究在研究区开发 CIN（冷岛网络，cold island network），以实施有效的降温措施，减轻福州中心城区的城市热岛效应。
数据来源
本研究使用的数据均来自各大平台网站，数据集空间分辨率为 30m。其中，Landsat8 OLI卫星遥感影像来自美国地质调查局（https://earthexplorer.usgs.gov/），数字高程模型（DEM）来自地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn），土地利用（LU）数据来自 GlobaLand30 数据集，精度为 85.72 %，kappa 系数为 0.82（http://www.globallandcover.com/），归一化植被指数（NDVI）来自资源与环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/）。
方法 Methodology
图 2 说明了本研究中用于构建 CIN（冷岛网络）的框架和流程。第一，我们从遥感图像中获取地表温度，并使用均值-标准差法对地表温度结果进行划分。然后引入相对地表温度（RLST，relative LST）的概念来识别冷岛基本斑块，并用从 LU 数据中提取的森林、草原、湿地和水体对其进行补充。第二，利用MSPA对冷岛基本斑块进行分析，确定核心区域进行叠加分析，以确定冷岛替代斑块。第三，通过景观连通性指数识别出降温效果较强的替代斑块，并在综合考虑多种因素的基础上，确定了最终的CICS（冷岛核心源，cold island core source）。第四，选择LU数据、DEM、NDVI和MSPA景观类型四个因子，并利用SPCA确定权重并生成组合阻力面。最后，基于CT方法，为研究区构建了CIN，生成了特定的冷岛走廊，并识别了夹点和障碍点。通过上述过程，可以构建CIN，优化空间布局，并对相应节点进行精确控制，从而有助于缓解福州中心城区的城市热岛效应。
LST 和相关 LST 计算以及 UHI 分类
LST 和相对 LST 计算
真实地表温度的定量反演对于城市热岛问题的研究至关重要。目前应用最广泛的遥感地表温度反演方法有辐射传递方程算法（大气改正法）、单窗口算法和分割窗口算法。美国地质调查局对Landsat8采用了新的校准参数，但TIRS11频段仍存在不确定性，因此本研究采用了辐射传递方程算法。由于城市热岛效应在夏季最为显著，且研究区的高温多出现在7月至9月，因此最终选用 2019 年 9 月 22 日的 Landsat8 数据进行 LST 反演。ENVI 5.6 软件用于对辐射校准、大气校正和裁剪等数据进行预处理。具体步骤主要包括热红外辐射率、表面比发射率、黑体辐射率的计算以及 LST 计算。
同时，我们参考（Yu 等，2021）的研究，引入 RLST 作为参考值，可以更准确地表征热岛的空间格局，用于进一步精确定位城市的冷岛面积，公式如下：
城市热岛分类
利用 ArcGIS10.8 软件中的均值-标准差法，将平均地表温度与不同标准差倍数相结合，可以对地表热场进行分类，可以有效地定义热岛类别。参考前人研究，在计算 LST 的均值和标准差后，采用不同的比例进行分类，本研究以 ±0.5sd 和 ±1.5sd 作为划分点来划分 LST。LST 分为五类（见附录表A1）。
表 A1 城市热岛分类
冷岛核心源识别
形态空间格局分析
MSPA 方法是一种基于数学形态学对二元图像像素进行分类的算法，可以提取 7 种网络结构元素：核心、桥梁、小岛、环路、孔洞、边缘和分支（表A2）。它将在景观连通性方面具有重要意义的区域定义为核心区域，并明确强调结构连通性。之前的大多数研究都直接依赖于 LU 数据来确定核心区域，而忽略了一个事实，即某些区域可能由于 UHI 效应而实际丧失了其作为冷岛的有效性。因此，在本研究中，将 RLST < 4 ℃ 的区域定义为冷岛基本斑块，并进一步使用 MSPA 进行分析。
连通性分析
景观连通性是指景观如何促进或阻碍生态流动，反映了斑块在促进景观连通性方面的重要性，目前被广泛应用于景观生态学领域。量化城市冷岛斑块之间的连通性并定位重要斑块可以破坏热景观连通性并积极促进 CIN 的形成。因此，我们选择连通性积分指数（IIC）、连通性概率（PC）和斑块重要值（dI）来评估冷岛替代斑块的连通性水平。我们将冷岛替代斑块导入Conefor2.6软件（http://conefor.org/）中进行计算，连通概率设置为0.5。IIC和PC的计算需要确定距离阈值。基于前人对冷岛扩散范围的研究，选择 3km 的阈值用于计算。
最后，确定 IIC>0.1、dPC>0.4 的冷岛替代斑块作为最终的 CICS，同时利用 ArcGIS10.8 中的自然断点法对连通性进行分级，实现CICS连通程度的空间可视化。
组合阻力表面结构
热扩散会遇到不同程度扰动的阻力，因此需要构造阻力面来描述复杂空间格局中冷岛效应扩散的水平阻力。基于之前的研究，我们选择了四种主要阻力因子（LU、DEM、NDVI 和 MSPA 景观类型）来构建组合阻力面。确定各种因素的权重对于构建组合阻力表面至关重要。以往的研究大多采用层次分析法（AHP）或其他方法确定权重，这些方法都是根据专家对指标的评价经验进行赋值打分得出权重，这使得阻力面的构建具有很强的主观性。本研究采用SPCA引入空间数据信息，可以直观地将空间数据信息对应到二维空间，实现高维变量的最优合成和降尺度，比人为确定权重更能保证研究的客观性，从而客观地构建综合阻力面。利用ArcGISs10.8中的SPCA工具依次输入综合阻力因子评价指标的栅格数据，进行标准化处理，得到各主成分的累积贡献率。根据数学运算得出各阻力因子的权重并进行相应分配，然后对各阻力因子进行加权叠加，得到组合阻力面。
基于电路理论的冷岛网络构建及节点识别
我们使用 CT 构建 CIN 并识别关键节点（夹点和障碍点）。夹点是网络内物质运输的重要位置，是维持连通性的关键区域，而障碍点则在网络中构成严重障碍，导致连通性降低。有关 CT 的更多信息可在补充材料中找到（参见附录图 A1）。
Linkage Mapper (https://linkagemapper.org/) 是一个集成了 MCR、CT 和图论的 ArcGIS 扩展工具箱。不仅可以构建源站点之间的生态廊道，还可以基于Circuitspace软件（https://Circuits cape.org/）识别网络的关键节点。在本研究中，我们使用 Linkage Mapper 中的 Build Network 和 Map Linkages 工具来识别成本最低的路径并构建冷岛走廊，而 Linkage Priority 工具用于分析和评估冷岛走廊的重要性并对它们进行分类 。我们使用 Pinchpoint Mapper 模块将电流限制在最优走廊上进行电流迭代计算，得到电流密度分布图，夹点为走廊中电流密度较大的区域，定义为冷却节点；屏障映射器工具用于识别屏障点并定义为加热节点。
结果 Results
城市热岛现状及分布特征
我们获得了研究区的地表温度（参见附录图A2）。采用均值-标准差法进行分类，结果如图 3 所示。我们发现，2019年9月22日福州中心城区地表温度范围为18.88℃～58.66℃，整体高温。研究区城市热岛空间分布明显，高温区主要分布在研究区中部和东部地区，且局部相连。中心区主要为商住区和学校、医院等公共设施，东部区主要为工业用地。这些地区主要是经济发达、城市化程度高、建筑密集、人口密集、城市热岛效应显著的地区。低温区主要分布在研究区外围，东南部呈破碎状，主要由山地森林和部分水系组成。中温区主要位于两区之间的缓冲区。
图 A2. 研究区域的地表温度
图 3. 研究区城市热岛等级 (a) 和相对地表温度 (b)
冷岛核心源头识别
通过结合 MSPA 和景观连通性分析的结果，我们消除了尺寸小、连通性弱、对散热影响最小的斑块。最终确定了48个CICS（见图4a），总面积为505.12km²，占研究面积的24%。每个斑块面积大于0.5 km²，dIIC>0.2，dPC>0.4。最大的斑块为14、18、37，其中斑块14（旗山）和斑块18（五虎山）位于研究区西南部，斑块37（乌龙江）为一条流经研究区的线状河流。研究区的中心部分。总体来看，已查明的CICS空间分布较广，东部地区缺乏CICS，这与其重工业区缺乏蓝绿空间有关。CICS的平均LST为28.43℃，而研究区的平均LST为31.5℃。这意味着CICS具有积极的降温作用，这对于优化冷岛的空间格局具有重要意义。
如图 4b 所示，我们在ArcGIS10.8中使用自然断点法将所有CICS分为三个级别。一级CICS斑块有10个，总面积345.46 km²，占CICS总面积的68.39%。这些斑块主要由大型水体和山脉组成，距离市中心较远，植被覆盖度高，面积广阔，降温效果显著。二级CICS 斑块有19 个，总面积124.95 km²，占CICS 总面积的24.74%。不仅分布在研究区边缘，还分布在乌龙江沿岸和城乡过渡带，且斑块相对分散，主要分布在一些局部高地丘陵和湿地。19个斑块被定义为三级CICS，总面积为34.71 km²，占CICS总面积的6.87%。它们位于城市地区，由城市公园、内河航道等蓝绿色基础设施组成，由于受城市热岛效应影响且面积较小，降温效果相对较弱。但由于其地理位置的原因，它们对于阻挡中心区强热岛斑块的整合至关重要，对缓解城市中心的城市热岛效应有显著贡献。
组合阻力表面结构
图 5 所示为多个因素加权叠加生成的合成阻力面，与研究区实际热岛分布相符，合成阻力值从中心向外围呈递减趋势。基于自然断点法分类,将组合阻力面分为五个等级。高阻区主要分布在中部城市中心和东部工业区，城市建筑密集，路网密集，蓝绿空间分散，人为干扰严重。低阻区一般位于边缘地区，远离建成区，植被茂密，自然环境较好。
冷岛网络构建及节点识别
总体而言，基于Linkage Mapper提取了104条冷岛走廊，形成了总长度为 276.98km 的CIN（见图6a）。此外，应用关联优先级工具对廊道重要性进行评价（见图6b），识别出40条一级廊道，总长度为60.21km。此类廊道较短，主要分布在山区和森林地区。研究区边缘及乌龙江沿岸富水区。此外，还有42条二级廊道，总长96.16公里，分布在城郊地区，由当地山地连接和水体连接形成。最终，21条三级廊道分布在中部市中心和东部城郊地区，总长120.61公里。总体而言，各级走廊相互连通、结构复杂，可以局部促进各级冷岛之间的相互作用，对增强冷岛的连通性和降温效果、缓解城市热岛效应具有重要作用。
基于CIN的形成，我们运行Pinchpoint Mapper模块来识别和提取夹点，总共提取了89个夹点，定义为冷却节点（见图7a）。使用Barrier Mapper工具，检测半径为300 m，识别出34个障碍点，定义为加热节点（见图7b）。通过卫星地图和LU数据对CICS、冷岛廊道、关键节点进行叠加发现，CICS主要是山地、湖泊、河流以及重要的绿色基础设施。冷却节点多为局部站点，加热节点主要分布在城市建设用地、裸露山体和部分沙洲。大部分冷岛廊道均表现出可施工性，但部分三级廊道由于长度较长、阻力因素较大，且主要分布在高密度建成区，施工相对困难。总体而言，这些结果证实了该研究的可行性和可信度。
最后，通过空间叠加CICS、CI走廊、冷却和加热节点生成了研究区CIN的布局（图8）。大约 53% 的走廊有冷却节点，而大约 31% 的走廊有加热节点。此外，还有九个位置的冷却和加热节点重叠。
结论 Conclusions
城市热岛效应的加剧对当前城市建设提出了更大的挑战。本研究利用 MSPA、景观连通性分析和 CT 确定了 48 个 CICS、104 个冷岛走廊、89 个冷却节点和 34 个加热节点。验证了基于“源-阻面走廊-节点”思想的网络构建方法在热环境研究中的可行性。此外，强调不同形式的关键节点需要独特的对策。研究表明，UBGS是冷岛的主要源头,各冷岛源的相对位置、联系作用和重要性均不同。在实施CIN建设和热缓解措施时，可以优先考虑最重要的源头的保护和改造，以达到更好的缓解效果。同时，在城市高密度发展、土地利用紧张的情况下，采取措施保护维持冷岛廊道稳定的冷却节点，破坏促进热量扩散的加热节点，可能是比建设新的冷岛源和冷岛走廊更经济有效的方法。总之，本研究将生态网络识别技术方法应用于超高温影响问题的研究，更加强调了主动适应和减缓城市热环境变化的必要性，以及城市热环境空间结构和城市冷岛空间网络内在分析的重要性。我们提出的方法论框架可以为城市CIN模式的构建提供依据，也为后续缓解城市热环境问题的研究提供新思路，具有创新价值。
题名：Construction of a cold island network for the urban heat island effect mitigation
作者：Fan Liu，Jing Liu，Yanqin Zhang，Shaoping Hong，Weicong Fu，Minhua Wang，Jianwen Dong
来源：Science of The Total Environment
日期：2024-3
DOI：10.1016/j.scitotenv.2024.169950
