基于地理环境数据集与聚类分析的里昂都市区热应激指数多尺度评估

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Multi-scale assessment of heat stress indices in the Lyon metropolis using geo-environmental datasets and clustering analysis

　　

热应激是极端高温事件的主要影响之一，通过高温相关疾病、生产力下降和死亡率上升来影响人类健康。在欧洲，热浪的频率和强度不断上升，既受自然气候变率驱动，也受人为气候变化推动，而快速城市化通过城市热岛效应（UHIs）进一步放大了局部温度极端值。自21世纪初以来，法国里昂大都会区经历了多次严重热浪，造成了重大的社会环境与健康影响。本研究通过整合地面观测、ERA5再分析以及卫星反演的地表温度（LST）数据集，探讨了2000–2023年夏季（6月至8月）里昂地区热应激的时空变异性（其中基于气象站点的趋势分析延伸至1950–2023年，基于MODIS的地表分析覆盖2003–2023年）。研究分析了三个互补指数：(1) 基于现场温度和湿度的Steadman热指数（HI）；(2) 基于ERA5的通用热气候指数（UTCI）；(3) 使用单通道算法并基于NDVI进行发射率校正从MODIS LST推导的表面城市热岛指数（SUHI）强度。多时相卫星影像融合用于增强空间覆盖和一致性。此外，对温湿度条件进行了K-means聚类，以识别主要的夏季热状态。比较分析揭示了各指数在空间和时间上的不同模式。1950–2023年间，气象站观测显示夏季最高气温以0.054 °C/年的速率上升，ERA5数据中以0.052 °C/年的速率上升，74年的累计增温约为4.0 °C，除2003年外的所有主要热浪均发生在2015年之后。标准化的年度HI和UTCI高度一致（r=0.97），并将相同的夏季列为最高（2003年、2019年、2022年、2023年），而SUHI与大气热呈反向变化（与HI的相关系数r=?0.77），代表了城市热的互补性表面维度。白天平均SUHI为3.98 °C，且对乡村参考值具有稳健性：通过土地覆盖和植被标准选择的海拔匹配参考值产生3.99 °C。对按年龄和性别分层日死亡率拟合的分布式滞后非线性模型显示，观测到的最高温（Tmax）第99百分位与第50百分位相比，在0–10天滞后期的累计相对风险为1.75（95% CI 1.56–1.97），UTCI为1.79（1.59–2.03），SUHI为1.14（1.03–1.25）。HI和UTCI捕获了大气和生理热应激，而SUHI突出了密集城市区域中表面驱动的放大效应。极端高温事件和较高的潜在热健康风险集中在夏季高峰期，城市区域始终表现出比周边乡村地区更高的热应激。2003年热浪期间夏季按年龄和性别标准化的死亡率达到峰值，与HI和UTCI确定的极端年份一致，尽管季节综合指标妨碍了因果归因分析。这些发现展示了多源、多尺度热指标在评估城市热暴露及其健康影响方面的价值。结果强调了高分辨率、多维度评估对于指导欧洲城市（如里昂）的气候适应、城市规划和热缓解策略的重要性。

**论文片段**

**引言与文献综述**

由于气候变化，全球极端高温事件不断加剧，过去八年是有记录以来最温暖的年份，2022年排名第五温暖（Vautard等，2023；C3S，2023）。欧洲已成为气候热点地区，升温幅度几乎为全球平均的2.2°C（IPCC，2023；Coffel等，2018），导致夏季热浪更加频繁和严重。人为温室气体排放——由森林砍伐、城市化、土地利用变化、空气污染等因素驱动——...

**研究区域**

**里昂大都会区**：本研究聚焦于法国中东部的大里昂地区（Métropole de Lyon）。里昂是法国仅次于巴黎的第二大大都会区。该城市位于罗讷河和索恩河交汇处（约45.75°N, 4.85°E），海拔约170米。如图1所示，里昂大都会区包括罗讷省，涵盖里昂及其紧邻的郊区。2020年，里昂人口约522,000人。

**数据源**

为实现时空分析，我们汇编了涵盖气象观测、网格化气候数据、卫星遥感和社会经济指标的多套数据集。分析遵循统一的夏季（6月至8月）框架，数据集特定时段受数据可用性限制：基于气象站点的长期趋势分析涵盖1950–2023年（E-OBS支持），核心HI和UTCI分析覆盖2000–2023年，而基于MODIS的SUHI和死亡率分析覆盖...

**方法**

我们的分析方案将传统统计方法与基于k-means算法的无监督聚类相结合，从多个角度评估热应激。如图2所示，我们首先计算了三个互补的热应激指数，分别代表该现象的不同方面：温湿度指数（热指数）用于量化体感气温，UTCI用于人体热舒适度，SUHI用于表征地表城市增温。每个指数...

**结果**

我们使用三个互补指标评估里昂夏季热应激的时空变异性：代表体感气温的HI、反映生理热舒适度的UTCI，以及捕获城市地表热放大效应的表面城市热岛指数（SUHI）。这些热指标与夏季按年龄和性别标准化的死亡率（ASMR）一起分析，将观测到的气候趋势置于公共卫生背景下。结果组织为...

**讨论**

本节解释研究结果，与法国、欧洲及其他中纬度城市地区的先前研究进行比较，并讨论其意义和局限性。贯穿全文，HI、UTCI和SUHI被视为代表不同物理过程空间尺度的互补指标，而非单一综合指数的组成部分。

**结论**

本研究探讨了里昂大都会区夏季城市热风险是否加剧，并结合大气（HI）、生理（UTCI）和地表（SUHI）指标与标准化季节死亡率检验了这一假设。得出三个结论。

首先，里昂夏季热风险明显加剧。夏季最高气温显著上升（1950年以来约+0.054°C/年，1950–2023年完整记录增温约4.0°C，近50年增温2.7°C）。

**CRediT作者贡献声明**

Purna Durga Geesupalli：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念化。Catherine Pothier：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理。Aman Arora：撰写——审阅与编辑、可视化、正式分析。

**资助**

本研究由Campus France管理的"Make Our Planet Great Again（MOPGA）"奖学金计划（2024年选拔）资助。

**未引用参考文献**

Chapman等（2019）、Dandou等（2020）、Di Napoli等（2021b）、Gasparrini和Armstrong（2013）、Grislain-Letrémy等（2024）、Kendall（1975）、Langner等（2014）、Li和Bou-Zeid（2020）、Li等（2020）、Mann（1945）、Martilli（2014）、Mathur和VanderWeele（2020）、Mesinger等（2006）、Nicholls和Lavery（1992）、Ollendorff（1969）、Rao等（2020）、Rockl?v和Ebi（2020）、Romps（2024）、Sherwood和Huber（2010）、Wang等（2016）、Weisskopf等（2002）、Wickramasinghe和...

**利益冲突声明**

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/人际关系：Purna Durga Geesupalli报告获得了Campus France的财务支持。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

Purna Durga Geesupalli | Catherine Pothier | Aman Arora

法国LIRIS——图像处理与信息系统计算机科学实验室