47、基于城市动态的局部变暖定量评估

基于城市动态的局部变暖定量评估

1. 引言

联合国预测，到2050年，全球68%的人口将居住在城市地区，而农村人口预计将减少到约31亿。这与预期的气候变化影响相结合，给城市和区域规划者带来了挑战，即开发能够支持可持续发展政策的有效工具。目前，关于可持续城市发展的核心问题是，应该增加人口密度还是允许城市扩张。

在意大利，过去几十年城市定居点的增长模式值得关注。除了全球普遍的城市蔓延模式外，还存在城市分散发展的情况，其特点是部分自发发展、管控较低，建成区不连续，农村、住宅、工业和第三产业功能并存，建筑和人口密度极低。城市分散发展造成的破坏比城市蔓延更严重，且长期难以补救，例如会导致生态系统碎片化和生物多样性热点地区减少。

假设城市化总是伴随着对生态系统服务需求的增加，那么规划时需要深入了解生态系统服务的空间格局以及土地利用/覆盖变化带来的权衡。越来越多的科学文献采用生态系统服务方法框架来分析和评估城市及区域的变化情景，该框架有望成为设计土地覆盖/土地利用变化的有用工具，以可持续地提供生态系统服务，满足社会需求并尊重社会价值观。

本文旨在研究不同城市化水平地区之间的温度变化与城市化动态之间的关系。气候调节应是未来规划活动的关键方面，因为它对人类福祉的多个维度产生横向影响，如影响生活质量、人口健康以及生态功能（如空调调节和生物多样性）。

2. 研究区域

研究区域位于意大利南部，选择这些区域是因为它们具有不同的人口和城市增长动态。

• 巴西利卡塔地区 ：面积约10,000平方公里，人口567,118人。自20世纪80年代以来，由于出生率持续下降、自然增长率趋于零以及大量人口外流，人口不断减少。尽管2014年人口密度为每平方公里572人，仅次于瓦莱达奥斯塔地区，但该地区仍存在土地占用现象。其城市发展动态并非典型的欧洲大陆城市蔓延模式，而是所谓的城市分散发展，特点是人口和建筑密度极低，碎片化程度高，对社会、经济和环境产生诸多影响。
• 坎帕尼亚地区 ：是意大利人口密度最高的地区，每平方公里430人，高于拉齐奥和伦巴第地区，是全国平均水平的两倍多。该地区以首府那不勒斯为中心呈现强烈的极化现象，在1981 - 1991年期间人口增长强劲。自20世纪70年代以来，那不勒斯经历了长期的郊区化过程，过去十年也出现了逆城市化现象。近年来，空间动态由多个重叠阶段组成，并非如Champion理论所描述的那样逐步增长。内陆地区人口减少更为明显，但由于大城市的人口增长超过了内陆地区的人口减少，区域人口总体仍保持正增长。人口动态受移民现象影响，呈现出不同的速度。

3. 材料与方法

生态系统服务方法在协助地方和区域环境管理决策过程以及评估领土与人类福祉之间的联系方面越来越有前景。本文旨在研究城市化与局部气候调节生态系统服务之间的关系，采用的方法分为三个宏观阶段：

graph LR
    A[城市化与温度趋势分析] --> B[评估城市扩张现象与地表温度时间序列的关系]
    B --> C[结果讨论与结论]

• 城市化动态
  • 巴西利卡塔地区 ：基于地理地形区域数据库和意大利生态转型部国家地理门户的卫星照片，计算2000 - 2016年期间城市区域和建筑群数量的数据。从区域技术地图获取最新建筑存量数据，通过照片解译创建2000年和2006年的数据库，得到三个时间点（2000、2006、2016）的建筑形状文件。为识别城市区域增长伴随的碎片化或紧凑化区域，将建筑物特征进行聚合，每个聚合体对应一个包含至少两座距离不超过50米建筑物的复杂多边形。
  • 坎帕尼亚地区 ：数据来源包括土壤农业使用宪章和意大利环境保护与研究研究所每年发布的土地占用数据集。通过隔离“城市化和人工区域”相关的土地利用，在地理信息系统（GIS）环境中进行地理分析，构建2000、2006、2012和2016年的四个数据集层。
  • 网格分类 ：将两个研究区域离散化为1平方公里的正方形网格。根据人工表面变化和城市建筑群数量变化，对网格单元进行分类：
    | 分类 | 人工表面变化 | 建筑群数量变化 |
    | ---- | ---- | ---- |
    | 未城市化（NO URB） | 无 | 无 |
    | 未转变（NO TRANSF） | 0 | 0 |
    | 碎片化（FRAGM） | + | + |
    | 紧凑化（COMP） | + | - |
    | 建筑群数量不变（UN_AGGR） | + | 0 |

同时，计算每个网格单元的人工表面覆盖百分比。

• 地表温度
  • 数据来源 ：采用中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）的地表温度（LST）图像，通过R语言的MODIStsp工具下载TERRA和AQUA传感器的MODIS数据。图像的几何分辨率为每像素1公里，时间分辨率为8天，选取2001年1月至2017年12月白天的LST图像。
  • 数据分析 ：分析所有2001 - 2017年白天的温度序列，使用GIS栅格自动化流程计算每个网格单元每年的白天最高温度序列。为识别具有局部变暖区域（LWA）特征的区域，每年标记出记录温度高于当年平均值加一个标准差的网格单元：
    [LWA : 记录温度 > （平均温度 + 1×标准差）]

选择分析白天温度序列是因为科学文献中多位作者强调了这些温度与不同覆盖类型之间的显著相关性。尽管使用MODIS LST数据存在一些限制，如LST受气温、海拔、风速、地表发射率、降水、时间、云层、卫星传感器特性和数学模型等因素影响，但由于分析目的是寻找LST与城市转型类型之间的关系，这些限制被认为不太显著。

4. 结果与讨论

本文旨在结合城市化动态分类标准和地表温度（LST）的每日最高温度时间序列进行分析，重点关注LST值异常（高于平均值加标准差）的区域。

• 温度变化趋势

  • 通过绘制各年份数据集的最小值、最大值和平均值图表，可以观察到两个研究区域在研究期间的日最高温度变化范围均向上移动。例如，巴西利卡塔地区非城市化区域在2001年的最高温度范围为28 - 47°C，到2017年变为31 - 49°C；坎帕尼亚地区未城市化区域在2001年的最高温度范围为28 - 43°C，2017年变为34 - 49°C。
  • 经历紧凑化（COMP）现象的区域比未建设区域（NO URB）、未转变区域（NO TRANSF）或经历其他城市化现象（UN_AGGR和FRAGM）的区域温度更高，尤其是在最低和平均温度方面。这证实了其他作者指出的记录温度与局部气候调节能力之间的联系，以及与不透水表面和城市形态相关的变量的影响。
  • 观察图表还发现，温度升高的速率在经历紧凑化的网格单元中更大，回归直线的斜率显著。特别是在白天最高温度的最小值方面，这种趋势在巴西利卡塔和坎帕尼亚地区都很明显，尤其是在检测到的每日最高LST的最小值和平均值方面。

• 局部变暖区域（LWA）分析

  • 巴西利卡塔地区 ：确定了四个LWA，主要对应于主要工业区。分析这些区域的数据发现，温度变化与人工表面增加之间存在关系。通过对记录温度的年平均增加量与密封土壤的百分比变化以及最终覆盖值（以公顷/平方公里表示）进行回归分析，发现温度升高与最终覆盖水平（公顷/平方公里的表面）之间的相关性最强（R² = 0.95）。例如，其中一个LWA是一个工业区，2000 - 2016年人工区域从32公顷/平方公里增加到47公顷/平方公里，增幅约46%，总密封表面达到188公顷。
  • 坎帕尼亚地区 ：确定了五个LWA，主要位于诺拉和阿切拉之间的地区，以及那不勒斯省和卡塞塔的一些城市建筑群。以萨诺市的一个LWA为例，该区域面积为5平方公里，主要的城市化动态是密封区域增加，建筑综合体数量减少。2001 - 2016年，密封表面平均从26公顷/平方公里增加到38公顷/平方公里，增幅46%，2016年人工化总面积从2001年的129公顷增加到188公顷。对人工表面增长（百分比变化和最终覆盖值）与记录的LST年平均增加量进行回归分析，R²值彼此相似，且低于巴西利卡塔地区的案例研究。

综上所述，研究区域的城市化动态与局部温度变化密切相关，尤其是紧凑化现象对温度升高的影响更为显著。不同地区的城市化模式和发展阶段不同，导致温度变化与人工表面增加之间的关系也存在差异。这些结果对于城市规划和气候调节政策的制定具有重要意义。

基于城市动态的局部变暖定量评估

5. 不同区域城市化与温度关系的深入分析

不同区域的城市化模式和发展阶段差异，使得温度变化与人工表面增加之间的关系变得复杂。为了更清晰地理解这种关系，我们对两个研究区域的具体情况进行深入分析。

• 巴西利卡塔地区 ：该地区以广泛的自然和半自然覆盖以及极低的人口和定居密度为特征。其城市化动态主要表现为城市分散发展，这种模式下的建筑和人口密度低，碎片化程度高。在分析的四个局部变暖区域（LWA）中，我们发现主要的工业区域是温度升高的关键区域。这些区域的人工表面增加伴随着明显的温度上升。从回归分析结果来看，温度升高与最终覆盖水平（公顷/平方公里的表面）之间存在很强的相关性（R² = 0.95）。这表明在巴西利卡塔地区，工业发展带来的人工表面扩张是导致局部温度升高的重要因素。
• 坎帕尼亚地区 ：作为意大利人口密度最高的地区，坎帕尼亚的城市化模式与巴西利卡塔截然不同。该地区以那不勒斯为中心呈现强烈的极化现象，城市发展经历了郊区化和逆城市化等多个阶段。在确定的五个LWA中，主要集中在诺拉和阿切拉之间的地区以及那不勒斯省和卡塞塔的一些城市建筑群。以萨诺市的LWA为例，城市化动态表现为密封区域增加和建筑综合体数量减少，呈现出一定的紧凑化趋势。然而，对人工表面增长与记录的LST年平均增加量的回归分析显示，R²值低于巴西利卡塔地区。这可能是由于坎帕尼亚地区人口密集，城市功能复杂，除了人工表面增加外，还有其他因素影响温度变化，如人口活动、交通流量等。

6. 城市化动态与温度变化关系的总结

为了更直观地总结城市化动态与温度变化之间的关系，我们将不同城市化分类下的温度变化情况进行整理，如下表所示：
| 城市化分类 | 温度变化特点 |
| ---- | ---- |
| 未城市化（NO URB） | 温度相对较低，但研究期间温度范围有所上升 |
| 未转变（NO TRANSF） | 温度变化相对平稳 |
| 碎片化（FRAGM） | 温度有一定上升，但幅度相对较小 |
| 紧凑化（COMP） | 温度明显升高，尤其是最低和平均温度，升温速率较大 |
| 建筑群数量不变（UN_AGGR） | 温度上升幅度介于FRAGM和COMP之间 |

从这个表格中可以清晰地看出，紧凑化（COMP）的城市化模式对温度升高的影响最为显著。这与之前的分析结果一致，即紧凑化区域的不透水表面增加和城市形态变化导致了更强的局部气候调节能力下降，从而使温度升高。

7. 研究的实际应用与启示

本研究的结果对于城市规划和气候调节政策的制定具有重要的实际应用价值。以下是一些具体的应用和启示：
- 城市规划方面
- 合理布局城市功能区 ：根据不同区域的城市化动态和温度变化特点，合理规划城市的工业、居住、商业等功能区。例如，在巴西利卡塔地区，应避免在自然和半自然覆盖区域过度发展工业，以减少对生态环境的破坏和温度升高的影响。在坎帕尼亚地区，应注重优化城市中心的布局，提高城市的紧凑度，同时避免过度集中导致的热岛效应加剧。
- 增加绿色空间 ：无论是哪种城市化模式，增加城市中的绿色空间都有助于调节局部气候。可以通过建设公园、绿地、森林等方式，增加植被覆盖，降低城市表面温度，改善空气质量。
- 控制城市扩张速度 ：对于城市化快速发展的区域，如坎帕尼亚地区，应合理控制城市扩张速度，避免过度的人工表面增加导致温度升高。可以通过制定严格的土地利用规划和城市发展政策，引导城市有序发展。
- 气候调节政策方面
- 制定针对性的气候调节措施 ：根据不同区域的温度变化特点和城市化模式，制定针对性的气候调节措施。例如，对于紧凑化程度高的区域，可以采取增加城市通风廊道、推广绿色建筑等措施，降低城市热岛效应。
- 加强监测和预警 ：建立完善的温度监测系统，及时掌握城市温度变化情况。对于局部变暖区域，应加强预警机制，采取相应的措施应对高温天气，保障居民的生命健康和生活质量。
- 推动可持续发展 ：将气候调节纳入城市可持续发展的战略规划中，促进经济发展与环境保护的协调共进。通过推广可再生能源、提高能源利用效率等方式，减少碳排放，降低气候变化对城市的影响。

8. 研究的局限性与未来展望

尽管本研究取得了一些有意义的结果，但也存在一定的局限性。例如，使用MODIS LST数据存在一些误差，可能受到多种因素的影响，如云层覆盖、卫星传感器特性等。此外，研究仅考虑了人工表面增加与温度变化之间的关系，没有深入探讨其他因素（如人口活动、交通流量等）对温度的影响。

未来的研究可以从以下几个方面进行拓展：
- 改进数据来源和分析方法 ：采用更精确的温度数据和更先进的分析方法，减少误差，提高研究结果的准确性。
- 考虑多因素影响 ：综合考虑人口活动、交通流量、能源消耗等多种因素对温度变化的影响，建立更全面的模型，深入理解城市化与局部气候调节之间的复杂关系。
- 开展长期监测和研究 ：进行长期的温度监测和城市化动态跟踪，观察温度变化的长期趋势和城市化模式的演变，为城市规划和气候调节政策的制定提供更可靠的依据。

通过不断完善研究方法和拓展研究内容，我们可以更好地理解城市化与局部气候调节之间的关系，为实现城市的可持续发展和应对气候变化提供有力的支持。

graph LR
    A[研究局限性] --> B[改进数据来源和分析方法]
    A --> C[考虑多因素影响]
    A --> D[开展长期监测和研究]
    B --> E[提高研究结果准确性]
    C --> E
    D --> E
    E --> F[更好理解城市化与气候关系]
    F --> G[支持城市可持续发展和应对气候变化]

综上所述，本研究通过对意大利南部两个不同区域的城市化动态和温度变化进行分析，揭示了城市化与局部气候调节之间的密切关系。不同的城市化模式对温度变化产生不同的影响，尤其是紧凑化现象对温度升高的影响更为显著。这些结果为城市规划和气候调节政策的制定提供了重要的参考依据，同时也为未来的研究指明了方向。