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研究速递｜如何通过建立“热岛网络”来缓解热岛效应？

已有 2512 次阅读 2021-8-23 09:02 |个人分类:论文交流|系统分类:论文交流|文章来源:转载

摘要

过去大量研究从景观斑块角度提出缓解城市热岛的措施，很少有研究从网络角度考虑缓解热岛效应。本研究首先构建一个城市热岛网络来识别关键节点和廊道，然后再通过“破坏”这个网络来有效缓解城市地表热岛。本文提出了一种结合形态空间模式分析（MSPA）和电路理论的城市地表热岛网络构建方法。它包括：i) 稳定和严重的城市地表热岛斑块识别；ii) “核心”类型提取；iii) “核心”斑块重要性的评估；iv) 摩擦图的构建；v) 廊道和关键节点生成。研究以东莞市为例，得出结果如下:1)共识别出42个关键廊道，在这些廊道中有31个关键点；2)这些廊道和关键点主要分布在西南和西北地区；3)在这些区域应采取以斑块为基础的降温措施，避免节点之间连接进而严重恶化整个区域热环境。本研究所采用的方法和逆向思维过程可以为气候适应规划和城市可持续性提供新的见解。

01 研究背景

城市化极大地改变了地球表面，从自然和半自然环境转变成不透水的城市环境，导致城市地区温度高于周边农村地区，产生了众所周知的热岛效应。一般情况下，热岛效应可分为大气热岛效应(AUHI)和地面热岛效应(SUHI)两类。AUHI是指冠层和边界层的热岛效应，一般是由场监测传感器测量空气温度得出。SUHI通常表示城乡地表的辐射温差，主要基于地表温度(LST)测定。由于观测结果的一致性和可重复性，LST被广泛用于研究SUHI的时空格局和相关的热环境后果，这也是本研究的重点。

以往的SUHI研究主要集中在土地利用和覆盖视角下的城市热岛时空格局和特征、景观构成与配置、社会经济特征及其缓解。关于缓解措施，城市绿地(UGS)因成本低、环境友好等优点被认为是一种有效方法，但由于土地限制或资金短缺，UGS不能无限制增加。因此，需要考虑UGS在最需要的地方进行规划实施。

此外过去降温措施主要基于简单的Patch-Mosaic模型概念，难以描述热岛效应的整体格局和连通性。研究表明，热岛斑块的区域连通性增强加强了热岛强度，但仍缺乏从网络和整体连通性角度缓解热岛强度的相关研究。而且在实施降温措施之前最关键的步骤是准确识别城市热岛斑块在网络中的位置。因此，余兆武Yu et al.(2021)从图论的角度提出了一种评估和缓解区域地表热岛的新方法。然而，这种方法只是一个概念性框架，目前仍缺乏合适的SUHI网络构建方法，导致城市规划者和决策者难以准确识别SUHI网络的关键节点和环节，从而实施有效的缓解措施。

因此，一种针对城市热岛斑块关键节点和关键环节的SUHI网络构建方法亟待被提出。先前的研究已经表明，城市热岛斑块可以被看作是一个“热”景观，可以应用图基法（例如MSPA），将“热”景观二进制映射(即热岛与non-UHI区域)分为不同的景观格局，以进一步识别关键城市热岛斑块。此外，可以引入起源于物理学的电路理论来识别与热流相关的重要热岛链和关键节点，这些环节和关键节点类似于电流，因为它们共享随机“游走”特性。因此，可以通过预测复杂景观中的移动模式来识别SUHI空间格局中重要的景观斑块、链接和地点。重要的是，作为一个逆向思维过程，如果我们阻断链接和节点，就可以准确有效地缓解热岛效应。这些“障碍”有可能防止SUHI群体的加剧，并对区域气候缓解产生积极影响。

为了验证该方法的有效性，本研究以广东省城市化速度最快的城市之一东莞市为例进行分析，针对以下具体研究问题进行研究:

1)为什么以及如何构建SUHI网络?

2)案例中SUHI网络最关键位置(即廊道和节点)在哪里?

3)基于SUHI网络理论如何有效缓解热岛效应?

02 方法

图1给出了建立地表热岛网络以缓解热岛效应的框架。

首先计算某特定时间段内的地表温度（LST），然后计算相对地表温度(RLST)，以确定该时间段内SUHI效应持续的高危位置。我们将这些持续的高危位置视为SUHI区域，因此可以生成热岛与非热岛地区的二值图。

其次，使用Guidos Toolbox 2.8软件计算基于MSPA的SUHI模式。

第三，提取MSPA中的“核心”型SUHI斑块，使用Conefor 2.6软件进行连通性分析。在这一步中，评估“核心”类型的重要性，将高度重要的斑块作为SUHI的“源”。

第四，基于SUHI扩散特征构建摩擦(成本)地图。SUHI扩散特征主要受土地覆盖和其他修正因素(如地形、植被覆盖、建筑材料和颜色)的影响。

最后，利用Linkage Mapper软件，电路理论被提出来用以识别链接（廊道），廊道代表了连接SUHI“源”的累积阻力最小路径。此外，还使用Circuitscape软件识别关键节点。

随后，如果这些关键节点或链接被阻断(通过在这些特定区域实施主动和被动冷却措施)，SUHI效应将显著缓解(Shih, 2017;Yu等人，2021年)。

03 结果与讨论

■ 3.1构建SUHI网络所使用的框架的适用性

本研究提出的方法是一个逆向思维过程，首先构建一个SUHI网络，然后破坏网络的关键廊道和节点以缓解SUHI效应。具体来说，利用基于遥感的地表温度测量SUHI，然后计算RLST，识别出稳定和高风险的SUHI区域(RLST > 4)，可视为一致的SUHI斑块(即热景观)。随后，采用图论和电路理论相结合的框架构建SUHI网络，识别SUHI“源”(即重要的SUHI斑块)，并生成与这些“源”相连的廊道，从而识别SUHI网络的关键位置(即pinch point)，缓解SUHI效应。

本研究采用基于MSPA的分类方法，对城市热景观形态格局进行分类，识别核心类型，从而显著提高城市环境SUHI效应。此外，计算这些核心类型的重要性，以准确识别热岛“源”。本研究采用连通性分析来评估SUHI斑块的核心重要性(即识别SUHI“源”)，因为景观连通性是景观结构的重要组成部分，它可能反映了SUHI斑块的稳定性。

除了确定SUHI“源”外，建立连接“源”的廊道是构建SUHI网络的另一个主要步骤。为了生成SUHI廊道，需要绘制一个摩擦图，摩擦图代表热流扩散的阻力。城市热环境明显是一个随机流动、扩散和强化的动态条件。然而，由于辐射能量反射和吸收的差异，这一过程在一定程度上会受到土地覆被和土地利用的严重影响。因此，本研究在构建摩擦图时主要考虑土地覆被信息。此外，由于热流具有类似于电流的随机“游走”特性，应用物理学中的电路理论来评估重要的SUHI廊道，特别是识别夹点。

综上所述，该方法(逆向思维过程)为有效、准确地缓解城市或区域(城市群)规模上的SUHIs提供了一条有前景的途径。

■ 3.2城市气候适应规划的意义

许多缓解热岛效应的研究都是从斑块的角度进行的，例如缓解热岛效应的UGS斑块最佳大小和形状；实现最佳降温效力的UGS组成和结构。然而，在实施这些措施之前，最重要的一步是准确识别最关键的位置。否则，提出的SUHI缓解措施不能很好地与城市设计和规划相结合。

因此，本研究提出一种基于图论与电路模型相结合的SUHI网络架构，用以识别关键环节与节点。随后，我们应用网络视角来缓解SUHI效应，这能够准确定位SUHI的空间格局和关键节点以及廊道，并制定有效的缓解和适应策略。在逆向思维过程中，当廊道和关键节点被阻断、网络被破坏时，SUHI连通性降低，从而显著缓解了SUHI效应。因此，缓解SUHI效应的新的框架应该：(1)首先从网络的角度识别关键节点和链接。（2）然后从景观斑块的角度实施已经被提出并广泛应用的有效缓解措施。

例如，本研究在42条热廊道中识别出31个关节节点。因此规划人员和决策者在实施气候适应规划和SUHI缓解措施时应关注这些领域。在这些高风险和重点区域，应采取有效的降温措施，防止廊道连通，这将严重恶化整个区域的热环境。东莞市西北部地区建筑密度高，难以通过增加城市绿地(如城市公园)来缓解SUHI效应。因此，可以在“节点”采取“冷屋顶”或“冷建材”等被动缓解措施。东莞市西南部现有的裸地可用于绿化开发，以缓解SUHI效应。因此，可以在节点附近建设城市绿地空间等主动缓解措施，在廊道两侧增加行道树(即树木覆盖)，以“阻挡”热流。

总的来说，我们提出的框架将斑块推进到一个网络和斑块结合的视角，从而指导气候适应规划。

■ 3.3局限性和未来研究

首先，虽然本研究的目的是提出一个构建SUHI网络框架，但未来土地覆被可以进行更详细的分类以获得更可靠的结果。例如，所提方法的核心步骤是构建摩擦图；然而，本研究只考虑了5种土地覆盖类型。在未来的研究中，通过更详细的土地覆盖图分类可以获得更准确的结果，如建成区可以进一步按照土地利用类型(住宅、商业和工业用地)进行分类。此外，建筑屋面和立面使用的不同材料具有不同的热扩散。其次，在二维层面上考虑热网络的构建，忽略了三维参数的影响。地形、建筑物高度、植被覆盖等三维因素对热扩散也有显著影响，在绘制摩擦图时应考虑这些因素。第三，城市热环境处于连续流动状态，可能受到风向、风速等不可控因素的影响。此外，在未来的研究中，还需要将该方法应用于具体的城市，实施降温措施，最后评价该方法的有效性。本研究的主要目的是从网络角度探讨缓解SUHI效应的重要性，并进一步从逆向思维过程整合基于斑块的降温措施的实施。为了提高这一框架的准确性，未来的研究应构建一个精细化的SUHI网络，考虑更准确的土地覆盖分类、建筑高度、建筑颜色和材料等。

04 结论

大量缓解SUHI的措施是从景观斑块角度出发的，很少有研究尝试从网络角度确定形成热岛的关键节点和廊道，这可以帮助城市规划者和决策者准确缓解这些特定高风险地区的热岛效应。本研究基于图论和电路理论，提出了一种新的基于逆向思维的缓解地面热的方法——建立地表热网络来缓解地表热岛效应。具体来说，新提出的方法包括:1)稳定和高危SUHI斑块的识别，2)“核心”类型的提取，3)“核心”斑块重要性评价，4)摩擦图的构建，5)关键廊道和节点的生成。该方法可为气候适应规划和城市可持续发展提供新的思路，可以有效应用于其他城市和地区。

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