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空天院科研人员提出新型高分辨率人为热估算方法

发布时间：2023-05-17

　　近日，中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程研究中心孟庆岩研究员与钱江康博士研究生在遥感领域顶刊《Remote Sensing of Environment》发表了“Anthropogenic heat variation during the COVID-19 pandemic control measures in four Chinese megacities”。该文提出并利用一种新型的高分辨率人为热估算方法，借助疫情期间人为热研究，论证了人为热减排与城市热岛减弱间的重要关联，助力城市热环境优化。

　　人为热排放是城市地表能量平衡系统中的重要部分，其对城市气候的作用不可忽视，针对其的定量化分析一直是一个难题。而借助不同场景下的人为热特征分析，可获取更加真实和显著的证据来反映人类活动对局部气候的重要影响。在诸如疫情管控这样的复杂社会背景下，应当如何确定城市内部人为热排放的时空分布呢？

综合多方法优势的高分辨率人为热估算

　　基于定量遥感的地表能量平衡模型和基于机器学习的能源消耗清单模型是当前人为热估算的两种重要方法，但均存在诸多限制。因此，综合多方法优势的人为热估算方案是解决复杂问题的重要技术手段。在异常背景下，对数据和经验法则的依赖限制了能源消耗清单模型的适用性，再加上其粗略的分辨率，使其难以反映异常人为热特征。而针对储热和阴影对经典遥感-地表能量平衡模型的限制，研究提出了一种简易的遥感显热通量阴影校正方案（图1），并基于热稳定性分析框架，结合粗分辨率能源消耗清单模型的人为热估算结果，开发了一种适应多场景的高分辨率人为热估算方法。

图1. 综合多方法优势对储热校正的高分辨率人为热估算示意图

　　疫情管控期间的人为热有何变化？

　　在中国四个特大城市的研究表明，疫情及其控制措施大大降低了城市人为热排放（图2），为通过减排措施优化城市热环境提供了实际证据。在2020年2月的封城期间，武汉的人为热排放减少了50%以上，并在当年4月解封后逐渐恢复。上海和广州于2月9日开始复工，因此在这一时期的人为热降幅远远低于武汉。例外的是，由于疫情及气温导致的集中供暖时间延长，北京在2020年3月的人为热排放相较历史同期反而增长。正常情况下，城市人为热排放的数值分布特征在不同年份的同一时期较为相似，且随城市发展数值有所增加。然而在疫情管控期间，除北京外的人为热分布曲线都向左移动，这意味着城市内的人为热低值区域显著增加，反映了整个城市地区人类活动的普遍减弱。疫情及其控制措施对城市人类活动产生了相当大的影响，在减少人为热排放的同时阻碍了城市的正常发展，其产生的影响也随疫情的发展而变化。

图2. 四个城市不同阶段的人为热数值分布及变化率

城市内部功能区块的人为热变化有何特征？

　　在疫情管控期间，城市内不同位置和不同功能的区域其人为热排放变化也存在明显的差异（图3）。武汉大部分区域的人为热在封城期间显著下降，而在解封后，随着人类活动的恢复，人为热呈现出从郊区到市中心逐步恢复的状态。上海在疫情一级响应期间的人为热降低也出现了类似的空间特征，但总体降幅较小，而北部工业区则出现了更明显的人为热降低，与之对应的是，上海工业区和公共服务区的热排放平均降低30%，而其他地区的降幅约为15%。可能是由于上海疫情管控措施对家庭活动的影响较小，因此住宅区的热排放降幅最小，而工业生产、公共设施和商业活动等受到显著限制，且复工后的恢复速度慢于交通设施。对于武汉来说，封城期间工业区的热排放受影响相对较小（41%），其他土地利用类型的降幅可达50%，而在解封后，交通和工业设施热排放迅速恢复，相对而言，商业、住宅和公共服务区的人类活动仍然受到较大限制（约30%）。这些特征表明了不同的管控措施和恢复策略而导致的人类活动限制的差异。

图3. 城市内部功能区块的人为热变化特征（a）武汉封城期间（b）武汉解封后一级响应期间（c）上海一级响应期间

人为热降低和城市热岛异常变化间是否存在联系

　　疫情管控期间的城市热岛减弱和人为热排放的减少之间是否存在关联。目前的热岛异常减弱是多种因素共同作用的结果，人为热作为城市重要能量输入之一，其显著降低是最直接的原因。尽管人为热变化和热岛变化之间的线性或单调关系很弱，但在空间范围上，人为热减弱区域基本对应于热岛的减弱（图4）。人为热的显著减少是伴随着城市热岛减弱的一个重要特征，表明了通过控制人为热排放来优化城市热环境的可行性。基于更精细人为热输入的城市热岛驱动分析作为未来研究的一个重要方向，将为城市规划和能源利用提供更科学的理论基础。

图4. 武汉市封城和一级响应期间的人为热及地表净辐射的变化与成热岛强度变化间的联系

总结和展望

　　本研究中提出的适应多场景的高分辨率人为热估算方法具有相当大的应用潜力，促进了多种人为热量化方法的集成，并为满足不同场景的人为热需求奠定了基础。此外，针对疫情管控等多场景的人为热和热岛的探索将为后续研究提供独特的实际案例，并有助于更深入地理解驱动城市热环境的机制，以提供更科学的城市热环境优化方案。

该研究得到了国家自然科学青年基金“多场景城市人为热时空异质性及其环境效应模拟研究”、国家自然科学基金重大项目子课题“地表异常遥感预警知识即时表达方法”和中国科学院青年创新促进协会等项目资助支持。

论文标题

　　Anthropogenic heat variation during the COVID-19 pandemic control measures in four Chinese megacities

　　发表期刊

　　Remote Sensing of Environment

　　论文全文链接

　　https://doi.org/10.1016/j.rse.2023.113602

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