美国威斯康星州麦迪逊市的城市气候对极端温度的影响外文翻译资料

 2022-11-25 14:54:31

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美国威斯康星州麦迪逊市的城市气候对极端温度的影响

Jason Schatz1 and Christopher J Kucharik1,2

Department of Agronomy, University of Wisconsin-Madison, 1575 Linden Drive, Madison,WI53706,USA

Nelson Institute Center for Sustainability and the Global Environment, University of Wisconsin-Madison, 1710 University Avenue, Madison,WI53726,USA

关键词：城市气候，极端高温，高温热浪，城市热岛，气候变化，城市环境

摘要：

随着气候变化提高了极端热浪的频率和强度，城市和城市热岛（UHI）的影响也在增强，与之相应的城市人口数也在增加。这些相辅相成的发展趋势对城市人口造成的风险日益增加。然而，在极端温度发生期间，我们对城市气候的认识有限，最有可能会忽略来自城市热岛（UHI）的额外热量。我们通过在威斯康星州麦迪逊内及其周围使用一批多达150个的温度和相对湿度传感器，对一个历史上炎热的夏季和一个历史上严寒的冬季进行了观测。威斯康星州麦迪逊是一个拥有402000人口的市区，它周围是湖泊和诸如农业，森林，湿地和草原的农村景观。在 2012年夏季（自从1869年以来的第三次最热的夏季），麦迪逊的城市地区温度高于32.2℃（90℉）的时间高达农村地区的两倍，平均七月份最高温度高于农村地区1.8℃，平均七月份最低温度高出农村地区5.3°C 。在一次创纪录的热浪过程中，密集的城市地区连续四晚超过了美国国家气象局夜间热应力阈值26.7°C（80°F），而农村地区几乎每天晚上都低于26.7°C。在2013-2014年冬季（35年来最冷的冬季），麦迪逊市建筑物最密集的城市地区温度低于17.8°C（0°F）的时间比农村少40%，1月份的平均最高温度高于农村1°C，1月份平均最低温度高于农村3°C。从在空间上来看，人口密度高的地区城市热岛效应（UHI）往往最为激烈。从时间上来看，与普通夏天相比，白天和夜间的城市热岛效应（UHI）在极端的炎热天气中趋向于稍微更加强烈。这些结论有助于我们了解城市处于一个正在变暖和城市化的世界中必须做好准备去应对的气候。

1 引言

随着地球气候的变暖，在全球范围内（Luber和McGeehin，2008，Seneviratne等，2014）和城市地区（Tan等，2010，Habeeb等，2015，Mishra等，2015）极端高温的频率和强度均呈上升趋势，有54％的世界人口居住在城市（联合国经济和社会事务部，人口司2015）。到2030年，全球城市人口预计将从3.9亿增加到50亿（联合国经济和社会事务部，人口司2015），城市土地覆盖率可能会增加到2000年的三倍（Seto等，2012）。城市化与气候变化同时发生的全球趋势对创造为迎接未来气候做好充足准备的宜居城市提出了迫切挑战。极端高温对地球上不断增长的城市人口也构成了重大威胁。

高温热浪在1995年芝加哥（Changnon等，1996），2003年的巴黎和其他欧洲城市（Garcia-Herrera等，2010）和2010年的俄罗斯和东欧城市（Barriope等，2011）造成了成百上千，甚至数以万计的死亡。由于社会和人口脆弱性在解释死亡模式中的重要性，这种事件已被描述为社会灾难（Klinenberg，2002）（Semenza等，1996，Vandentorren等，2006，Keller，2013）。然而，城市不仅集中了脆弱群体，还通过城市热岛（UHI）的作用来提高城市温度。地面和空气温度都会经历城市热岛（UHI）效应（Arnfield ，2003），本研究重点关注城市对近地表气温的影响。

城市热岛（UHI）指的是由于建筑环境吸收，保留，和/或产生比其取代的自然景观更多的热量（Oke，1982）使得城市比他们周围的农村温度更高。许多研究报道了夏季的城市热岛（UHI）效应更强（Arnfield，2003，Schatz和Kucharik，2014，但参见Arnfield，2003，报道其他高峰季节的其他参考文献），因为夏季较高的城市气温可能与高温热浪同时发生。每天，城市热岛效应（UHI）通常在晚上达到高峰，因为城市在白天储存的热量会阻止其像农村一样快速冷却（Oke，1982）。在高温热浪过程中，城市热岛效应（UHI）可以产生更长的，不间断延伸的高压温度，这会比单个的炎热天带来更大的公共健康风险（Schwartz，2005，Tan等，2007，Kalkstein等，2011）。

在常温条件下，城市热岛效应（UHI）可能不会给城市人群带来重大风险。 然而，在极端情况下，城市热岛效应（UHI）可能会通过在热浪期间提高已经处于高压下的温度或在严寒时缓解低温程度而产生关键影响。为了提高我们在这些条件下对城市热岛效应（UHI）的认识，我们的研究使用曾经部署过的最密集的城市气候网络之一（Schatz和Kucharik，2014）观测了在一个历史上炎热的夏季，一个创纪录的热浪过程和一个历史上寒冷的冬天里威斯康星州麦迪逊市的城市热岛效应（UHI）作用。

我们的研究有助于丰富研究城市热岛效应（UHI）对极端高温影响方面的文献。

一些研究使用遥感土地表面温度（例如，Zaitchik等，2006，Dousset等，2011，Laaidi等，2011，Schwarz等，2011）或天气研究与预测模型模拟（例如，Li和Bou-Zeid，2013，Meir等，2013，Chen等，2014，Gutieacute;rrez等，2015）了解城市对极端高温的影响。而像我们这样的另一些研究则使用一系列城市传感器来记录在极端高温事件期间城市对近地表气温的影响（例如，Harlan等，2006，Bornstein和Melford，2009，Basara等，2010，Kershaw和Millward，2012，Meir等，2013）。

我们的研究为这个文献增添几个新颖的元素。首先，在像麦迪逊这样人口达10万到500万人的中型城市，几乎没有比较研究，而这些城市的人口占全球城市人口的一半以上（Cohen，2006）。另一个关键因素是，我们不仅观察到了一个创纪录的热浪过程，而且该热浪所处的夏季也是历史上十分炎热的一个夏季，这将为平均气温和偶然的极端高温预计在全球（IPCC，2014）和威斯康星州（Kucharik等，2011）增长的21世纪中叶至21世纪末的研究提供一个窗口。此外，我们的温度和湿度测量可以让我们同时获得温度和表观温度（AT）（Steadman，1984）。这是首次在这样高的空间分辨率下报告这两个指标的城市研究之一，它为研究城市热岛效应（UHI）如何影响温度环境提供了新的见解。最后，据我们所知，我们的研究是首个关注城市对极端低温的影响的研究。气候变化降低了世界许多地区近几十年来极端低温的发生率（Vavrus等，2006，Mishra等，2015），但严寒仍然是重要的健康威胁因素（Mercer,2003），而我们也意识到目前缺乏在区域持续极端寒冷温度下观测城市热岛效应（UHI）效应的研究。

我们的目标是使用这些观察结果去描述（1）城市热岛效应（UHI）如何影响冷热条件的强度和持续时间；（2）在极端温度下，城市热岛效应（UHI）是否更强或更弱；（3）其中对于大多数人的居住地区，城市热岛效应（UHI）效应的发生地点是否与其有空间相关性。

2 方法

2.1 数据

威斯康星州麦迪逊市是美国中北部的一个拥有23.3万土地的城市，城市人口数为402 000（美国人口普查局，2012）。它具有潮湿的大陆性气候（Kouml;ppen：Dfa），1981-2010年平均年降水量为876 mm，一月平均气温为-7°C，七月平均气温为22℃（NCDC，2014）。麦迪逊四周环绕着湖泊和诸如农村，森林，湿地和草原的农村景观（图1）。

2012年3月，135个阳光防护窗内的HOBOreg;U23 Pro v2温度/相对湿度传感器（Onset Computing，2010）被安装在研究区域内的路灯和电线杆上（图1）。对于干球温度为0℃至50°C的传感器其精度为0.21℃，对于湿度为10％至90％的传感器其精度为2.5%（Onset Computing），尽管错误率几乎是现场情况下防护窗内传感器报告的两倍之多（Nakamura和Mahrt，2005）。2012年和2013年我们在其他地方一共增加了150个传感器。这些传感器安装在3.5米高处，以尽量减少扰动带来的影响。这与1.5米到2米的标准气象高度不同，我们的结果会讨论由此造成的可能影响。除了六种情况，传感器位于两极的北侧，以避开正路。每15分钟记录一次瞬时测量。

图1 美国威斯康星州麦迪逊市研究区域的地图，包括NLCD土地覆被类（Jin等，2013），NLCD 2011年不透水表面覆盖率（Xian等2011），温度/相对湿度（Temp / RH）传感器位置和机场（MSN）位置以及气象预报站位置。

表观温度（AT）反映了温度和湿度的相互作用对生理热应激的影响，通常用于测定流行病学研究中的热暴露（Basu，2009）。在Buck（1981）后，我们计算AT为：AT=minus;1.3 0.92 T 2.2e（Steadman，1984），其中T是干球温度（℃），e是蒸汽压（kPa）。虽然我们的研究重点是温度和湿度，但我们还必须牢记其他微气候因素，如风和日照，也会影响热应激（Steadman，1984），也易受城市发展影响（Landsberg，1981）。

我们的研究观测了2012年夏季和2013-2014年的冬季，且分别有133和148个有效的传感器。2012年夏季是麦迪逊自1869年有记录以来的第三次温度最高的夏季，丹麦县机场（MSN）的气温有39天达到32.2°C（90°F），相比之下，1981 - 2010年平均只有九天（NCDC，2014）。6月下旬至7月初，麦迪逊发生了一次严重热浪，连续七天超过35°C，连续三天达到38.9℃，连续五天达到历史高温（NCDC，2014）。

与1981-2010年平均只有17天相比，2013-2014年的冬天是麦迪逊在35年里最冷的一年，期间低于-17.8°C（0°F）的有40天（NCDC，2014）。

2.2 计算城市热岛效应（UHI）强度

城市热岛效应（UHI）强度（Delta;T）的经典定义为城市与其周围乡村环境之间的温差（Stewart和Oke，2012）。然而，城市发展的程度因为景观不同不断变化，而且城市热岛效应（UHI）的强度也随之不同。将地点定义为简单的城市或农村，将一个连续体划分为一个类别，会过度简化城市和他们的城市热岛效应（UHI）。最近，Stewart和Oke（2012）提出了一个更广泛的城乡土地覆盖类别，以更好地描述测量点，使城市热岛效应（UHI）强度背景化，并在不同的研究中进行比较。我们提供了一个不依赖于类别，而是依赖温度与建筑环境密度之间的持续经验关系的Delta;T的替代定义。

图2使用来自20个假想测量点的模拟数据说明了该定义。在这20个地点中，温度与不透水表面覆盖率（IMP）呈正相关，斜率为0.05。对于本文，我们将Delta;T定义为0％IMP（即农村）和100％IMP（即密集城市）区域之间的拟合温差。因此在图2中，Delta;T为5°C。城乡的AT差异（Delta;AT）以相同的方式定义。 这个定义明确地将城市热岛效应（UHI）强度置于城市发展的前提下，避免了对城乡土地种类的定性。可以使用城市物理密度的其他测量方法，如高宽比或天视图因素（Unger，2004）来代替IMP，但对于我们的研究区域，IMP始终比天视图或高宽比能更好地拟合模型。

图2 使用模拟数据计算城市热岛效应（UHI）强度（Delta;T）的图示。在我们的研究中，Delta;T表示具有0％不透水表面覆盖度和100％不透水表面覆盖度的区域之间的拟合温度差（即不渗透率与温度关系的斜率乘以100）。

我们使用线性回归模型计算研究期间的每一天的Delta;T。响应变量是每个传感器每日的，，或。 解释性协变量是每个传感器周围的IMP（具有水屏蔽效果），湖泊接近度和地形起伏的平均值，这些都会影响我们研究区域的温度（Schatz和Kucharik，2014）。

我们对循环缓冲区内的平均IMP的范围从100到2000m（以100m为增量）进行了测试，以了解在整个研究期间产生最佳模型的范围。在所有半径测试中，半径为600米时达到了温度和表观温度数据的最佳平均拟合度。在整个研究期间拥有一套一致的协变量是比较重要的，这样可以直接比较每天的Delta;T/ AT，而不是为每一天拟合最佳模型。对于湖泊接近度，我们测试了湖泊接近度和温度之间的各种线性和指数关系。整个研究期间最佳的关系是，d是距离最近的湖岸的公里数。地形起伏是三米高分辨率海拔模型在0.8公里半径范围内的局部海拔与平均海拔之差。

日常Delta;T/ AT模型在正态性，恒定方差和预测因子的独立性方面表现良好，但在日常模型中有21％发生了显著的空间自相关，对此我们使用了空间回归（Anselin，2002）。空间模型在空间误差或空间滞后模型中使用最大相邻距离为10公里的反距离加权邻域矩阵，其使用的是拉格朗日乘数检验（Anselin，1988）进行选择。采用同样的方法，我们在2012年7月的热浪中通过每30分钟计算Delta;T和Delta;AT来探索昼夜城市热岛效应（UHI）模式。

2.3 在极端温度下的城市热岛强度

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