大数据与人地系统 　　——————— 　　数据应用 　　Data Applications 　　通过邻近乡村土地覆盖缓解城市热岛效应 　　编者按 　　在快速城市化的背景下，城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）已成为威胁人类健康、生态稳定和经济发展的重要挑战。发表在《Nature Cities》上的文章《Mitigating urban heat island through neighboring rural land cover》提出了一种利用邻近乡村土地覆盖（NRLC）缓解热岛效应的创新方法。研究基于2000年至2020年间中国30个城市的地理和环境数据的深入分析，发现距城市边界10-15公里范围内的乡村土地覆盖对缓解城市热岛效应具有显著作用。研究进一步指出，乡村景观斑块的数量、邻接性和分布特征是减轻热岛效应的关键因素，这些优化设计有潜力将城市中心的热岛效应降低多达0.5℃。此外，文章提出了通过提升景观斑块的形状复杂性和分布均匀性，避免碎片化的策略，以增强缓解效果。 　　核心研究方法：回归模型分析（Regression Model Analysis）；SHAP分析（Shapley Additive Explanations）；景观参数分析(Landscape Parameter Analysis)；累计局部效应分析（ALE, Accumulated Local Effects）。 　　1.核心概念 　　城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）是指城市地区由于高密度的人类活动、建筑物和道路等非透水表面，以及缺乏植被和水体等自然降温因素，而导致其温度显著高于周围乡村地区的现象。这种效应主要源于城市表面对太阳辐射的吸收和热量的存储释放，以及人为热排放等因素。UHI效应不仅会加剧城市居民的健康风险，还会对能源消耗、气候变化和生态系统稳定性产生深远影响，因此减缓UHI成为可持续城市发展的重要议题。 　　邻近乡村土地覆盖（Neighboring Rural Land Cover, NRLC）是指靠近城市边界的乡村地区所包含的各种土地覆盖类型，包括林地、农田、草地、不透水地表和水体等。作为一种潜在的冷却源，NRLC通过热量吸收、空气对流和循环等自然过程，能够有效缓解城市热岛效应。研究表明，距离城市边界约10-15公里范围内的NRLC，对降低城市热岛强度具有最显著的作用，尤其是在城市热量循环中，乡村土地可通过冷空气的输送为城市核心区提供持续的降温效果。优化这些区域的土地覆盖类型和景观结构（如增加斑块连通性、减少片段化）能够显著提高其缓解城市过热的能力，同时促进城乡之间的协调发展。 　　2.荐读文章 　　（1）城市热岛效应的挑战与研究背景 　　这篇文章首先聚焦于城市热岛效应（UHI），一种由城市化和人类活动引发的温度异常现象，其对人类健康、生态系统稳定以及经济发展带来了严重威胁。作者指出，随着全球城市化进程的加速，热浪事件的频发和极端高温的出现使得缓解UHI问题成为亟待解决的核心挑战。然而，传统的UHI缓解策略，如通过绿地、蓝地和灰地基础设施（包括城市树木、屋顶花园、湖泊等）的建设，虽然在局部区域内发挥了一定作用，但由于城市土地资源的稀缺性，这些措施的整体缓解能力受到限制。 　　为此，文章提出了一个创新性的视角，即利用邻近的乡村土地覆盖（NRLC）作为城市的自然冷却源，通过热吸收和对流循环来缓解UHI效应。这一方法不仅解决了城市土地资源有限的问题，还为城乡一体化发展提供了新的研究方向。作者特别强调，尽管已有研究探讨了乡村绿化对局部区域热环境的影响，但在城市尺度上，关于不同位置和类型的乡村土地覆盖在缓解UHI中的作用及其具体参数仍然知之甚少。因此，这项研究的目标是揭示NRLC如何通过地理位置和景观特征有效缓解城市热岛效应，为未来的可持续城市规划提供科学依据。 　　（2）乡村土地覆盖在城市热岛效应缓解中的作用机制 　　研究进一步探讨了NRLC在UHI缓解中的作用机制，并通过分析指出，NRLC的冷却效果并非均匀分布，而是与其距城市边界的距离密切相关。通过对2000年至2020年间中国30个城市的地理和环境数据进行研究，作者发现，距离城市边界10-15公里范围内的乡村土地覆盖（即RL3区域）对UHI的缓解效果最为显著。特别是，这一范围内的土地覆盖对城市中心UHI强度的降低贡献可达30%。这一现象的物理机制主要与热岛循环和对流作用有关：城市内部的热量由于浮力效应上升形成低压区，吸引凉爽的乡村空气进入，从而在城乡之间形成循环交换，进而实现城市的降温。 　　此外，作者还发现，不同类型的乡村土地覆盖在缓解UHI时具有不同的效能（如图1）。研究显示，森林和水体在吸热和调节温度方面的表现优于农田，而不透水表面（如道路和建筑物）则会削弱缓解效果。同时，研究特别指出，不仅土地覆盖的类型重要，其景观特征（如斑块的数量、分布均匀性和连通性）也是决定NRLC冷却效能的关键因素。通过优化这些景观特征，例如增加斑块的连通性、避免规则的方形斑块等，可以进一步提升NRLC的冷却能力，从而更有效地缓解城市热岛效应。 　　图1 不同农村地区农村土地覆盖类型对不同城市地区地表UHII的影响 　　a-e，从左到右分别为：NRLC、林地、农田、不透水面和水体；（水平坐标表示不同的城市阶梯，垂直坐标表示不同覆盖类型对表面 UHI的解释度）f，城市地区和农村地区土地覆盖示意图；g，各个城乡地区的具体位置。 　　（3）景观特征对缓解城市热岛效应的关键影响 　　文章深入分析了景观特征对乡村土地覆盖在缓解城市热岛效应中的作用，并识别出若干关键景观参数。研究通过机器学习模型和统计分析发现，景观斑块的丰富度（Patch Richness, PR）、连通性（Cohesion）、形状复杂性（Landscape Shape Index, LSI）以及分布均匀性（Interspersion & Juxtaposition Index, IJI）是影响UHI缓解效果的主要因素。 　　这些参数在调节城市与乡村之间的热交换中起着重要作用。例如，较高的连通性（Cohesion）有助于提高冷空气流动的连续性，使凉爽的乡村空气更容易渗透到城市内部；景观斑块的多样性和复杂性（如LSI和PR）则能够增强热量扩散和对流效果。此外，研究强调了景观分布的均匀性（IJI）对降低局部热岛强度的重要性：较高的均匀性可以减少冷热分布的“热点”，从而优化整体降温效果。 　　文章进一步通过模拟和分区分析（如图2）揭示，不同城市区域的热岛缓解需求存在差异。例如，城市中心区域（UL1）通常是UHI效应最强的区域，对冷却措施的依赖也最高，而距离城市边界较远的外围区域（UL4、UL5）则需要不同的策略组合来维持冷却效果。因此，文章提出，应针对不同的城市梯度（Urban Ladders, ULs）和乡村梯度（Rural Ladders, RLs），实施针对性的景观优化策略，以实现更广泛的UHI缓解效果。 　　图2 城市阶梯与农村阶梯的生成过程。 　　a，城市阶梯；b，农村阶梯 　　2.1数据解析 　　这篇文章的数据主要来源于对2000年至2020年间中国30个单中心城市的地理与环境特征的分析。土地覆盖数据通过Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI卫星影像获取，并基于中国国家遥感监测土地分类系统划分为五种类型：不透水面、林地、草地、耕地和水体。研究采用了随机森林分类算法对高分辨率图像进行分类，分类精度通过Kappa值（均高于0.90）验证。此外，地表温度（LST）数据来源于MODIS遥感数据（MOD11A1 V6.1/LST_Day_1km），并结合夏季（6月至8月）每日平均温度计算城市热岛强度（UHII）。为了保证结果的鲁棒性，数据分析采用了多种机器学习回归模型（如随机森林回归、支持向量回归等）以及十折交叉验证方法，最终选择解释度（R²）最高的模型进行解释。以上数据的集成和处理在ArcGIS平台上完成，结合Fragstats软件计算景观相关指标，用于评估城乡交界区土地覆盖对热岛效应的缓解作用。 　　2.2 方法解析 　　（1）SHAP分析 　　这篇文章利用SHAP（Shapley Additive Explanations）分析方法对关键景观参数（Landscape Parameters）在缓解城市热岛效应（UHI）中的作用进行了深入研究。SHAP是一种模型解释技术，通过计算每个参数对预测结果的边际贡献，量化其重要性。研究首先通过机器学习模型（如随机森林回归、支持向量回归等）确定不同景观参数与热岛效应之间的关系，选择解释度最高的模型作为基础。接着，SHAP方法被用来评估每个景观参数的贡献值，按照贡献值从高到低进行排序（如图3）。当累积贡献值达到总贡献值的80%时，将这些参数视为关键参数。在此基础上，为了避免参数之间的相互影响，研究进一步采用相关性分析（阈值为0.6），剔除贡献值较低但相关性较高的参数，从而筛选出最终的核心景观参数。通过这种方法，研究不仅揭示了每个景观参数的相对重要性，还明确了参数对热岛效应的具体影响模式，为制定有效的缓解策略提供了数据支持和科学依据。 　　（2）景观参数分析 　　在文章《Mitigating urban heat island through neighboring rural land cover》中，景观参数分析揭示了乡村土地覆盖（NRLC）对缓解城市热岛效应（UHI）的关键作用。研究通过计算景观水平参数（Landscape-Level Parameters, LLPs）和景观类别参数（Landscape-Class Parameters, LCPs），利用SHapley Additive exPlanations（SHAP）方法对景观参数进行了重要性排序，筛选出对UHI影响最显著的参数。分析显示，景观斑块的聚合度（Aggregation Index, AI）、斑块丰富度（Patch Richness, PR）、斑块分割指数（Landscape Division Index, DIVISION）、斑块数量（Number of Patches, NP）以及斑块连通性（Patch Cohesion Index, COHESION）是缓解UHI的关键参数。例如，提高斑块连通性和斑块形状复杂性（避免正方形斑块）能够有效降低城市热岛强度，而减少斑块数量和相邻斑块类型的均匀分布（Interspersion and Juxtaposition Index, IJI）也对缓解UHI具有重要作用。这些关键参数通过调节景观的物理特性（如通风、对流和热循环）影响热岛效应，为制定城乡一体化的UHI缓解策略提供了科学依据。 　　图3 RL和UL的不同组合的LLP的SHAP排名 　　2.3 研究结论 　　（1）邻近乡村土地覆盖对城市热岛效应的显著影响 研究结果表明，邻近乡村土地覆盖（NRLC）对缓解城市热岛效应具有重要作用，尤其是距离城市边界10-15公里的区域。研究发现，这一范围的乡村土地覆盖能够通过热量吸收和对流循环有效降低城市中心区域的热岛强度，最高可减少0.5℃的表面温度。此外，研究强调斑块的数量和相邻性是影响UHI缓解效果的关键因素。 　　（2）景观斑块形态对热岛效应的调节作用 文章进一步指出，景观斑块的形态特征（如形状复杂性、连接性和分布均匀性）对热岛效应的缓解有显著影响。避免斑块过度破碎化、增强斑块的连接性，以及促进形状多样化，均能提升UHI缓解的效果。研究提出，通过优化景观结构，可实现更广范围的城市降温。 　　（3）不同土地覆盖类型对热岛效应的差异性影响 研究发现，不同类型的乡村土地覆盖在减缓热岛效应方面表现出差异性。其中，不透水面（impervious surface）对热岛效应的影响最为显著，其次是农田、森林和水体。文章强调，特定的土地覆盖类型在不同的城市区域（如市中心与郊区）具有不同的影响效果。 　　（4）区域和气候差异的综合效应 研究揭示了城市与乡村协作对热岛效应缓解的区域和气候差异性。尽管研究对象为中国单中心城市，研究结果在不同地理和气候条件下仍具有较高的适用性。文章指出，优化邻近乡村土地覆盖不仅能够有效应对热岛效应，还能促进城乡协调发展，为全球城市的气候适应战略提供实践经验。 　　3.推荐阅读 　　1. Liang, Z. et al. The relationship between urban form and heat island intensity along the urban development gradients. Sci. Total Environ. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135011 (2020). 　　2. Rusakov, D博鱼boyu体育官网. A. A misadventure of the correlation coefficient. Trends Neurosci. https://doi.org/10.1016/j.tins.2022.09.009 (2023). 　　3. Adilkhanova, I., Santamouris, M. & Yun, G. Y博鱼（boyu）体育官网今日头条. Green roofs save energy in cities and fight regional climate change. Nat. Cities 1, 238–249 (2024). 　　END 　　本期编译：屠治全 　　审核校对：璩路路