全球城市热岛的空间分布强度和城市扩张的影响外文翻译资料

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全球城市热岛的空间分布强度和城市扩张的影响

摘要：城市化影响严重，城市热岛效应已在许多城市有发生。有很多在一个城市或城市热岛效应城市群的相关研究。在本文中，用MODIS地表温度的产品，全球城市范围的地图，国内生产总值和人口数据来分析城市热岛强度和城市扩张之间的关系。结果表明：①全球城市热岛强度的分布存在明显的空间异质性，城市扩张的主要影响因子在城市热岛强度在不同地区是不同的。②城市热岛强度主要是与人类活动(国内生产总值和人口)有关，而影响城市形态特征(城市区域和城市形状指数)是有限的。因此，在某种程度上可能可以使城市热岛强度组织良好的城市蔓延。 ③城市热岛强度不能完全解释为城市扩张的因素，其他气候因素等因素仍然发挥了重要作用。

关键字——城市热岛；MODIS；城市扩张；中国；美国

一、介绍

作为人类活动的核心领域，城市地区不仅影响区域土地利用和土地覆盖的变化，也是影响全球气温变化的一个重要因素 [1]。城市扩张或者城市空间城市化扩张、人类活动的加剧导致城市和农村地区的气候差异的现象变得越来越明显。加速城市化进程对城市和区域气候有着深远的的影响[2、3]，并且是城市热岛(UHI)效果的一个主要反映。

城市扩张主要有两个相关的基本方面：一是城市经济的发展和人口的扩张，二是城市空间的扩张[4]。在一些发达国家，如美国，有着较高城市化水平和较低的人口增长率，城市化的表现通常是表现为低空间扩张率。然而，在世界范围内，若从很长一段时间（年）的角度，尤其是在发展中国家，人口城市化进程、经济和城市地区增加更加突出。以中国为例，常住人口在城市已经达到2010年总人口[5]的49.68%。

热岛包含很多原因，外部因素是在城市中当地的天气和气候条件，人为因素是内部条件[6、7]。OKE(1973)曾在11个不同欧洲城市详细研究城市热岛强度(UHII)与不连续气象测量数据间的关系。结果表明，城市热岛强度与城市规模、城市建设的速度、城市几何学分布特征有一定的相关关系。

热岛与城市的扩张密切相关。本研究使用MODIS全球年平均地表温度数据和全球城市空间数据，人口数据和全球主要城市国内生产总值(GDP)数据，并关注以下问题：UHII的分布格局是什么?人类活动影响下的内部规律是什么?

二、研究数据和方法

在这项研究中使用的数据包括：MODIS地表温度数据(LST)[12]，全球城市空间数据[13]，人口和GDP空间数据[14]。其中，MODIS LST数据来自每月平均2003年MODIS土地生产，人口数据来自“世界城市化的人口数据前景:2009年的修订”。

数据流程如图1所示。农村空间是基于城市的六个缓冲区(0 - 5公里，5 - 10公里hellip;)。LST的区别的阈值（plusmn;0.2 ℃） 被用来确定最终的缓冲区。因此，根据经验，最开始确定0 - 5公里是混合的城市和农村地区的缓冲区，然后5 - 10公里的缓冲区就被认为不是农村。如果热岛效应强度差异在0-5km和5-10km之间的绝对价值小于阈值。否则，0-10是城市城郊混合，10-15被定义为农村。然后，如果热岛效应强度在0-10和10-15间的绝对价值仍然小于阈值，然后缓冲区0-5和10-15的差异形成对比，否则，缓冲区0-15被定义为农村。为了分析 UHII和人类活动之间的关系，四个城市扩展因数选为人类活动强度指标：人口， GDP，城市空间特征指标(地区)和城市景观指数S(或更多扩展的形状越复杂补丁，S的更高价值)来分析内在联系的更大价值。

OKE(1973)定义了UHII为城市的最高温度和温度周围的乡村的温差。城市的最高温度值和平均温度值在这项研究中有很高的线性关系 (图2)。因此，UHII被定义为不同城市及其周边农村之间的平均温度差。

三、结果和分析

A、UHII的分布格局

图3显示了全球LST的分布格局。全球的LST空间分布不仅反映了高低纬度的影响，而且也反映出高度、土地覆盖类型等的影响，总温度范围从-60.0到40.0 ℃ 。实质上，随着纬度增加，气温值正在减少。与此同时, 全球LST海拔因素影响很大。图3显示了全球LST的全球空间分布格局，LST不仅反映了较低的纬度的高影响，也反映出高度、土地覆盖类型等的影响，总温度范围从-60.0到40.0 ℃。实质上，随着纬度增加气温值也在减少。与此同时，全球LST海拔因素影响很大，温度表现也很明显。如亚马逊森林、东南亚的热带雨林和非洲地区的温度显著低于周围的地方；撒哈拉沙漠塔克拉玛干沙漠的温度显著高于周围的地方。

图4是全球大城市的分布格局 (建立区域大于10公平方公里 )。其中，青色放大点显示了300年的全球主要城市的分布，反映了国家和地区的城市发展水平。较高的城市密度分布主要在东部西部海岸在美国、南美洲东南沿海。在欧洲大部分地区、东部和中国南部、日本和韩国的大部分地区和印度的部分地区，全球经济和城市化在不同的国家和地区间有显著影响。此外，模式遵循一定的地理特征。大部分的全球主要城市分布在温带和沿海地区。北半球的空间格局主要是沿着纬度40°区,而空间模式在南半球主要沿纬度30°区。

全球UHII的分布可能是基于全球年平均气温的分布和城市的生产。为了反映UHII的分布格局，我们UHII值分配给他们的省或州相应的。这意味着所有的平均UHII城市在一个省或州被分配到省或州 (图5)，从图5中，可以看到全球在不同的省或州的UHII明显不同，它们的值范围从-5.0 ℃ 到15.0。几乎所有的 UHII除了几个省或州在赤道附近都显示一个积极的价值。负值(冷岛)或值小的UHII可能是有以下原因：首先，土地覆盖类型因素，如这些城市的反照率明显高于周围的农村，另一个可能的原因是热岛效应在我们的数据不可能反映周围的背景温度有效。此外，“冷岛”总是附近出现海洋和赤道，这可能表明，海洋温度和背景温度高的是UHII的缓解因素。

不同的空间分布全球温度或城市，图5显示空间分布全球UHII没有任何法律。的高UHII值也许不是出现在经济上发达地区，例如，在中国的一些地区、印度、美国、澳大利亚,欧洲北部和其他发达区域。它也不可能发现随着海拔或任何法律纬度区。所有这些表明，UHII是与不同地区的城市化进程不同的。正如我们知道的，人类活动类型对热岛的影响类似城市化。热岛效应的过程中造成的在城市和农村城市化和人类活动不同。然而，我们如何解释这种现象是什么UHII的内在地理异质性的原因吗?

B、城市扩张和UHII

（1）分析全球主要城市

热岛效应可能表现明显的发达大城市而强烈的经济活动和更多的人口。为了探索UHII城镇化和城市扩张的影响，选择世界各地的300个主要城市进行分析。表1显示了UHII和城市化因素之间的300个城市的皮尔森相关系数。结果表明，UHII与人口(p = 0.01)，国内生产总值(GDP)(p = 0.01)和市区(p = 0.05)有很好的关系，但并不是与城市与科技电子之间的关系。

简而言之，UHII似乎与人类有关全世界GDP和人口等活动城市空间面积与

UHII有关系，有UHII和城市形状指数相关性不显著。主要都市地区的分析结果还显示的UHII与GDP和人口有稍微更紧密的关系。

（2）比较分析中国和美国

研究区域热岛效应之间的关系通常用UHII和相应的城市扩张特征在相同或相似的纬度区(图6)可以反映。在这里，18个主要城市，主要位于中国和30 - 45°N的29个主要城市，主要位于美国30 - 45°N (图6)。这些城市都具有城市密度高的特点，但存在不同的发展阶段。在一定的背景下, 城市扩张的方式和人类活动确实有相似之处，但也有不同的特点。因此，在中国主要城市和美国的分析可以帮助我们理解的城市热岛效应在不同地区的发展阶段。

就中国而言，UHII是与人口、国内生产总值、城市区域有显著的相关性，UHII和城市形状指数之间的系数是0.35，但它没有通过0.05显著性水平测试(表1)。线性逐步回归结果表明，人口成为影响UHII的主要因素(y(UHII)= 1.402 0.001 * x(人口)，健康指数是0.446，通过了重大考验。然而正如美国所担心的，UHII与GDP有显著相关关系，相关系数为0.76。比较中国主要城市与美国的UHII值，中国的UHII值在1.2和1.8之间，略高于美国，UHII值在大多数城市都在1.0和2.0之间。

中国和美国的不同的结果反应了不同城市发展阶段和热岛效应。这些结果和世界主要城市的结果(表1)的结果都表明：人口在热岛中发挥着重要作用。随着城市的发展，GDP继续影响着热岛。GDP可能成为当城市达到一定发展阶段的影响热岛的重要因素。

此外，相对于人类活动指标，城市空间特征对热岛的影响较小，尤其是城市形状指数。UHII和城市形状指数之间的弱相关可以促使我们保持UHII相对稳定的城市建造，这需要我们扩展地区也在同一时间。

与此同时，分析结果表明，影响UHII的因素在不同的国家和发展阶段或其他因素区域的不同，它并没有一个通用的规则。此外，结果还表示，气候可能是在某些特定的地区或城市热岛效应城市群内影响的一个主要因素。

最后，我们必须指出，州或省的结果(图5)是指所有城市的UHII平均值省或州。也许一个城市UHII较高，但是 UHII在省或州如果其他城市可能不明显，几乎没有UHII在同一省或州，如武汉省和湖北省。

四、结论

人类活动是产生热岛的主要因素，UHII差异实际上反映了人类活动和城市的不同特点在一定程度上的发展。从理论上讲，城市扩张因素和人类活动的共同存在，如城市地区扩张和人口扩张，UHII和人类活动之间的关系应该存在。本研究主要分析城市扩张因素和HUII之间的关系终于得到了如下结论：

（1）UHII空间分布模式具有典型地理异质性，并不是每个城市都有热岛效应，一些城市也有“冷岛”现象。我们的结果表明，人口对热岛效应的影响可能是在城市化发展的初期阶段，而GDP因素将在城市发达阶段成为更大的影响因素。

（2）UHII与城市空间之间的弱相关特征（面积和形状）的反映，当城市发展在一定条件下，它可以保持 UHII不变。许多因素可以影响UHII。热岛效应可能不是单独分析了人类活动，其他因素气象因素(风速、云量等)可能会扮演了一个重要的角色。

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