模拟气候变化对加拿大温哥华和维多利亚市人口热应激暴露动态的影响

《Sustainable Cities and Society》：Modeling climate change impacts on urban population exposure to heat stress dynamics in Vancouver and Victoria, Canada

本研究利用WRF-UCM模型耦合高分辨率气候情景数据，分析SSP2-4.5和SSP5-8.5两种排放路径下，加拿大温哥华和维多利亚城市热暴露变化。结果表明，高排放情景（SSP5-8.5）至本世纪末热暴露天数是低排放情景（SSP2-4.5）的3倍，人口增长是主要驱动因素，而气候变暖通过增加高温天数间接影响暴露。模型验证显示，城市形态和植被覆盖对温度模拟精度影响显著。

　　### 研究背景与意义

随着全球气候变化的加剧，极端高温事件的频率和强度正在显著上升，对人类健康和生活环境造成深远影响。在城市环境中，这种影响更为明显，因为城市化和人类活动改变了城市微气候，导致所谓的“城市热岛效应”（Urban Heat Island, UHI）。城市热岛效应使得城市地区的温度高于周边乡村，特别是在夏季和热浪期间，这种温差尤为显著。这一现象不仅加剧了热应激的发生，还对城市居民，尤其是易感人群（如儿童和老年人）的健康构成了严重威胁。随着全球人口向城市迁移，特别是小型城市，城市热岛效应和气候变化的叠加影响可能进一步放大热暴露的风险。

本研究聚焦于加拿大温哥华和维多利亚这两个沿海城市，分析在不同气候情景下，人口对热应激的暴露情况。这两个城市具有相似的气候背景，但城市规模和人口结构存在差异，为研究城市热暴露的异质性提供了理想的案例。通过高分辨率的天气研究与预报模型（WRF）与单层城市冠层模型（UCM）的耦合，本研究能够捕捉到城市热岛效应的细节，并评估未来气候变化对热应激天数的影响。研究结果强调了减少温室气体排放对降低热暴露风险的重要性，同时也揭示了城市人口增长在热暴露增加中的主导作用。

### 研究方法与模型选择

为了准确评估城市热暴露的演变趋势，研究团队采用了一种多情景、高分辨率的模拟框架。首先，研究选择了2018年作为基线年，因为该年温哥华和维多利亚都经历了显著的热浪事件，这为后续的模拟提供了可靠的参考数据。然后，研究基于第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的共享社会经济路径（SSP），分别选择了SSP2-4.5和SSP5-8.5两种情景。SSP2-4.5代表中等减排和适应措施，而SSP5-8.5则对应高排放的“业务如常”情景。通过分析这两种情景下的温度变化，研究能够评估未来城市热应激的潜在趋势。

为了提高模拟的精度，研究采用了WRF-UCM模型，该模型能够实现对城市冠层和地表能量平衡的高分辨率模拟，空间分辨率达到1公里。同时，研究团队还采用了多种热应激指数，包括舒适指数（Discomfort Index, DI）、热指数（Heat Index, HI）、湿度指数（Humidex）、简化湿球黑体温度（Simplified Wet Bulb Globe Temperature, SWBGT）和加拿大环境部的热应激标准（Tcan）。这些指数分别反映了温度和湿度对热应激的不同影响，从而帮助研究人员更全面地理解城市热应激的驱动因素和热点区域。

在模型配置方面，研究采用了四种嵌套域（nested domains），分别对应不同的空间分辨率，从9公里到1公里，以优化计算效率并提高模拟精度。同时，研究团队利用MODIS卫星数据获取了2018年的地表温度和植被信息，并结合实际的陆地使用类型（如低密度、高密度和商业区）进行模拟。此外，研究还使用了Daymet数据集，以评估模型在捕捉区域气候特征方面的表现。通过模型验证，研究团队确保了WRF-UCM模型在温度、湿度和风速等方面的准确性，特别是在夏季和热浪期间的模拟表现更为突出。

### 研究结果与分析

研究结果显示，在SSP5-8.5高排放情景下，到本世纪末，温哥华和维多利亚的人口热应激暴露天数将比SSP2-4.5情景下增加三倍。这一发现表明，温室气体排放的控制对于降低热应激风险至关重要。同时，研究还发现，城市人口增长是导致热应激暴露增加的主要因素，尤其是在高排放情景下，人口密度和城市扩张进一步加剧了热应激的影响。

在不同热应激指数的比较中，研究发现DI（舒适指数）对热应激天数的识别最为敏感，显示出最高的暴露负担。相比之下，HI（热指数）和Humidex（湿度指数）对热应激天数的识别较少，这可能与它们对湿度的敏感性有关。SWBGT（简化湿球黑体温度）则在部分区域显示出较高的热应激天数，特别是在温哥华的东部地区。Tcan（加拿大环境部标准）则在高密度城市区域显示出较高的热应激天数，这与城市热岛效应的强度和人口密度密切相关。

通过统计分析，研究团队还发现，人口是热应激暴露的最强预测因子，其对暴露天数的影响远大于温度和湿度的变化。在所有热应激指数中，人口增长的标准化回归系数均高于其他因素，这表明人口动态在塑造热相关风险方面起着关键作用。此外，研究还发现，尽管气候变化是热应激天数增加的主要驱动因素，但人口增长在城市热暴露的增加中起到了更大的作用。这一结果强调了在应对气候变化时，必须同时考虑人口增长和城市规划因素。

### 城市热应激的驱动因素

研究进一步分析了热应激暴露变化的驱动因素，发现人口增长、热应激天数和本地变暖对暴露水平的影响各不相同。人口增长对暴露的贡献最为显著，尤其是在高排放情景下，其对暴露天数的影响超过了气候变化的影响。本地变暖虽然对暴露有一定影响，但其作用相对较小，甚至在某些情况下表现为负相关，这可能与高温日数在寒冷季节的分布有关。此外，热应激天数的变化在不同情景之间表现出较大的差异，特别是在高排放情景下，热应激天数的增加更为显著。

通过多线性回归模型的分析，研究团队还发现，不同热应激指数对暴露变化的敏感性存在差异。DI和Tcan在识别热应激天数方面更为敏感，而HI和Humidex则对湿度变化更为敏感。这种差异表明，选择合适的热应激指数对于准确评估城市热应激风险至关重要。此外，研究还发现，易感人群（如儿童和老年人）的暴露天数在高排放情景下显著增加，这与他们的社会经济地位和居住环境密切相关。低收入群体、独居者和租户等群体更容易受到热应激的影响，因为他们缺乏有效的适应措施，如绿化空间和冷却系统。

### 城市热应激的区域差异

在温哥华和维多利亚之间的比较中，研究发现，尽管两座城市都经历了显著的热应激暴露增加，但温哥华的暴露水平普遍高于维多利亚。这一差异主要归因于温哥华的高人口增长和更密集的城市结构，尤其是在低收入和易感人群中。此外，研究还发现，维多利亚的某些区域（如市中心）在高排放情景下显示出更高的热应激暴露，这与当地的社会经济特征有关。例如，维多利亚的低收入人口密度较高，且缺乏足够的绿化空间，这使得该地区的热应激风险更为显著。

研究还强调了城市热岛效应在不同区域之间的异质性。例如，在温哥华的东部地区，由于地形和城市结构的影响，热应激暴露天数增加更为显著。而在维多利亚的郊区，由于植被覆盖和较低的人口密度，热应激暴露的变化幅度较小。这些发现表明，城市规划和土地利用对热应激的分布具有重要影响，因此在制定适应和缓解策略时，必须考虑到这些区域差异。

### 城市规划与热应激缓解策略

研究进一步探讨了城市规划和土地利用对热应激的影响，并提出了可能的缓解策略。例如，通过增加绿化空间、推广绿色屋顶和使用反射率高的建筑材料，可以有效降低城市热岛效应，从而减少热应激的发生。此外，研究还建议在城市规划中考虑热应激的时空分布，特别是在高密度城市区域，应优先采取适应措施，以保护易感人群。

然而，研究也指出，当前的热应激指数和标准可能低估了某些区域的热暴露风险。例如，Humidex指数在高排放情景下对热应激天数的识别较少，这可能与该指数对湿度的敏感性有关。相比之下，DI指数在识别热应激天数方面更为准确，尤其是在高密度城市区域。因此，研究建议在城市热应激评估中采用更全面的热应激指数，并结合实际的区域特征进行调整。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了关于城市热应激暴露的重要见解，但仍存在一些局限性。首先，研究仅基于2018年的数据，可能无法全面反映长期的热暴露趋势。其次，由于计算资源的限制，研究仅分析了四个季节（2月、5月、8月和11月），未来研究需要扩展至多年的分析，以更好地理解不同因素对热暴露的影响。此外，研究团队指出，当前的WRF-UCM模型在捕捉夜间地表温度方面仍存在一定的不均匀性，这可能与高分辨率土地利用数据的缺乏有关。因此，未来的研究应致力于提高高分辨率天气预测模型对城市土地利用和植被变化的表征能力，以更准确地评估热应激风险。

### 结论

综上所述，本研究揭示了城市热岛效应与气候变化的相互作用对热应激暴露的深远影响。在高排放情景下，到本世纪末，热应激暴露天数将显著增加，而人口增长则是这一趋势的主要驱动因素。通过采用高分辨率的WRF-UCM模型和多种热应激指数，研究团队能够更全面地评估不同城市区域的热暴露情况，并为未来的城市规划和适应策略提供科学依据。研究结果强调了减少温室气体排放和优化城市土地利用的重要性，同时也指出，当前的热应激指数和标准需要进一步调整，以更准确地反映城市热暴露的实际情况。未来的研究应关注多情景分析、长期数据收集和更精细的模型表征，以更全面地应对城市热应激带来的挑战。