城市熱島效應對人體健康影響研究綜述

聶敬娣, 張俊華, 黃波, 2, *

城市熱島效應對人體健康影響研究綜述

聶敬娣1, 張俊華1, 黃波1, 2, *

1. 中國人民大學環(huán)境學院, 北京 100872 2. 香港中文大學地理與資源學系, 香港 999077

城市熱島效應改變了城市局部氣候環(huán)境, 對人體健康構成了極大的威脅。隨著城市的發(fā)展和城市人口的增加, 城市熱島效應愈發(fā)嚴重。在此背景下, 城市熱島效應對人類健康的影響成為研究熱點。本文從熱島效應與人體健康的定量分析、熱島環(huán)境下弱勢群體識別以及熱島效應緩解措施等方面, 總結了近年來眾多學者關于熱島效應對健康影響的研究, 為城市建設管理者預防并減少城市熱島效應對城市居民健康的影響、建設生態(tài)文明城市提供參考。研究表明: 1) 城市熱島效應不僅可以通過熱危害直接威脅人體健康, 還可以通過加重空氣污染間接增加呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病等的發(fā)病率; 2) 老人、嬰兒、低收入者、患病人群、學歷較低者和體力勞動者等是熱島效應中的弱勢群體; 3) 改善城市風環(huán)境, 種植綠色植被, 增加城市地表反射率等措施可以有效緩解城市熱島效應, 減緩熱島效應對人體健康的影響。

城市熱島效應; 城市化; 人體健康; 熱風險

0 前言

城市化和工業(yè)化發(fā)展極大地提高了城市居民的生活質量,但與此同時也影響了城市的自然環(huán)境和氣候, 其中以城市熱島效應最為顯著。城市熱島效應(Urban Heat Island, UHI) 在1958年被Manley正式定義[1], 表現(xiàn)為城市的溫度相對于周圍自然地區(qū)較高, 在區(qū)域空間溫度分布中呈現(xiàn)島狀分布[2]。這一現(xiàn)象最早于1833年被記錄于文獻中[3], 其強度一般用城市與周圍鄉(xiāng)村地區(qū)溫度的差異表示[4]。城市熱島效應現(xiàn)已被普遍認為是城市最顯著的氣候特征。

城市較高的溫度對城市居民的健康有著顯著的負面影響[5-8]。城市熱島效應提高了冠心病[9-11]、心臟病[12]等疾病發(fā)病率, 加重呼吸系統(tǒng)疾病[13]。同時, 溫度較高的熱環(huán)境使城市居民的死亡率和患病率明顯上升, 增加了城市居民的健康風險[14]。隨著城市化的加速以及全球氣候變化加劇, 熱島效應日趨嚴重, 城市居民的健康風險持續(xù)上升[15]。截止到2014年, 全球范圍內已有超過50%的人口居住在城市地區(qū), 根據(jù)預測這一數(shù)字在2050年將達到66%[16]。人口的大量涌入使得城市資源消耗量大幅上升, 增加了城市的人為熱排放量, 同時增加的人口也加快了城市的擴張速度, 導致更為嚴重的城市熱島效應[17]。

探究熱島效應對人體健康的影響可以輔助決策者制定相關政策和措施以緩解熱島效應對健康的危害, 保護城市居民生命財產安全。近年來, 這一領域吸引了諸多學者的探索, 并取得了許多有價值和有借鑒意義的成果。本文梳理了相關文獻, 從熱島效應與人體健康的定量分析、熱島環(huán)境下弱勢群體識別以及熱島效應緩解措施等方面, 總結了近年來眾多學者關于熱島效應對于人體健康影響的研究。

1 城市熱島的形成

城市規(guī)模不論大小, 都存在著不同程度的熱島效應, 促使熱島效應形成的因素有多個方面。城市的發(fā)展改變了其所在區(qū)域的下墊面, 是熱島效應產生的主要原因之一。城市下墊面是城市表層能量收支的界面, 調節(jié)和控制著城市生態(tài)系統(tǒng)的水分收支和能量收支, 并最終影響城市熱環(huán)境[18]。隨著城市化進程的加快, 原本以植被、水體、土壤等土地覆蓋類型為主的自然表面逐漸被高熱容的、高導熱率、低反照率的瀝青、水泥等高蓄熱的不透水面取代。由此, 城市下墊面對太陽輻射低反照率和高吸收率使得地表溫度隨著空氣中的熱量增多而逐漸升高[19]。加之城市不透水面蒸發(fā)冷卻潛力有限, 加速了城市熱島效應的形成。另一方面, 城市中高樓林立, 建筑密集, 基礎設施材料存在較大差異, 導致太陽輻射在城市建筑之間多次反射, 大量聚集于城市建筑群內, 進而加速了城市熱島效應的擴散[20]。

人為熱也是城市熱島效應形成的主要熱量來源。人為熱是指由人類生活生產活動而釋放到大氣中的熱量, 具有較明顯的區(qū)域集聚性, 主要集中在城市區(qū)域[21]。人類活動直接向大氣中排放大量熱量, 從而使得大氣溫度升高, 加劇了城市的熱島效應[22]。同時, 由于人類工業(yè)活動所產生的大量CO2、N2O等溫室氣體和顆粒污染物排放到大氣中, 增加了近地層大氣對地表長波輻射的吸收, 進一步加劇了城市熱島效應。除上述因素外, 云量、氣壓、空氣濕度和風速等氣象要素也顯著影響著城市熱島的產生。

現(xiàn)有的監(jiān)測方法主要分為地面監(jiān)測、遙感監(jiān)測和數(shù)值模擬三種。地面監(jiān)測方法通過地面監(jiān)測站點獲取的實時地面觀測數(shù)據(jù)對城市熱島效應進行研究[23-25], 該方法準確度高, 但存在站點位置和數(shù)量的限制; 基于遙感影像反演地表溫度的熱島效應監(jiān)測手段能夠提供全面的城市熱島分布圖, 同時, 能克服傳統(tǒng)站點監(jiān)測數(shù)據(jù)無法與城市下墊面、人口分布情況等結合的缺點, 具有較好的時間周期性[26-28], 但若應用于復雜現(xiàn)實條件(如下墊面粗糙、熱性質差異大等), 則易產生較大誤差[29]; 數(shù)值模擬是在熱力學和動力學的理論基礎上, 利用計算機模擬城市熱島, 從而對能量平衡和溫度的時空變化進行統(tǒng)計分析[30-32]。該方法所獲得的數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率, 但模擬過程中由于數(shù)據(jù)不完整或下墊面復雜性使得模型中近地面的氣象因素分析易產生誤差。

2 熱島對人體健康影響的研究方法

熱島效應會導致城市居民死亡率以及患病率的上升, 因此定量分析溫度與死亡率或患病率之間的關系可用于評估熱島效應對健康的影響。此外, 應對熱島效應的健康風險管理也已成為新的重要研究方向之一, 綜合全面的風險識別與評估和合理的風險規(guī)避對于城市管理具有極大的現(xiàn)實意義。

2.1 定量分析

流行病學理論是定量評估大氣環(huán)境對人體健康影響的基礎, 其中時間序列(time-series)與病例交叉設計(case-crossover design)兩種流行病學方法被廣泛應用于溫度與死亡率或患病率關系的定量分析[33-35]。通過基于時間序列分析和病例交叉設計的研究方法可以識別出脆弱群體, 并量化熱島效應導致的溫度升高與超額死亡率或患病率之間的關系。

2.1.1 時間序列方法

時間序列方法通過對一系列時間序列數(shù)據(jù)進行回歸分析, 識別出影響熱島效應對人體健康危害程度的因素。通過對時間序列數(shù)據(jù)的對數(shù)線性回歸分析, Curriero描述了1973年美國東部11個大型城市的氣溫-死亡率關系, 并探索與這種溫度-死亡率關系變化相關的城市特征來估算死亡率的相對風險[36]。Ai Ishigami對3個城市的日死亡率數(shù)據(jù)進行了時間序列研究, 發(fā)現(xiàn)年齡和性別等因素的差別導致不同人群在熱島環(huán)境下面臨的熱風險系數(shù)不同[37]。Dan基于時間序列方法針對極端高溫天氣事件對高度城市化和人口稠密的亞熱帶城市的死亡率的影響進行了探討, 識別出了影響人體健康的條件閾值[38]。時間序列方法具有較好的時間連續(xù)性, 但數(shù)據(jù)收集時間長, 獲取難度較高。

2.1.2 病例交叉設計方法

病例交叉的研究方法最早由Maclure提出, 基本思想是比較同一研究對象在某一緊急事件發(fā)生前一段時間的暴露情況與未發(fā)生事件的某段時間內的暴露情況, 以揭示該事件與某現(xiàn)象之間的關系[39], 觀察得出可疑病因與疾病和健康狀況之間的關聯(lián)。Stafoggia采用病例交叉設計來評價意大利四個城市平均表觀溫度與死亡率之間的關系及其影響因素, 分析出由溫度升高引起健康受損的群體[40]。Xu基于長時間序列的1814個巴西城市炎熱季節(jié)時的住院和天氣數(shù)據(jù), 利用病例交叉方法發(fā)現(xiàn)了全球變暖對營養(yǎng)不良發(fā)病率的直接影響[41]。Varghese等人采用基于時間分層的病例交叉設計, 量化了環(huán)境溫度對工傷和疾病等職業(yè)傷害風險的影響, 并發(fā)現(xiàn)此影響受地理環(huán)境影響明顯[42]。病例交叉設計以研究對象自身作為對照, 不需要設置其他對照組, 并且能通過選擇對照期控制混雜, 但該方法不適用于暴露效應期較長或存在嚴重滯留的情況。

2.2 健康風險評價

健康風險評價(health risk assessment) , 又被稱為健康危險度評價, 旨在量化大氣環(huán)境對于人體健康的影響, 健康風險評價一般包括暴露-反演關系分析、暴露評價和風險危害的定量評估三部分[43]。常用作相關政府部門決策的科學支持。常用的方法有空間格局分析方法和模擬分析預測方法兩種。

2.2.1 空間格局分析方法

熱島效應是一個空間分布現(xiàn)象, 受地理位置、環(huán)境以及經濟社會等因素的影響, 同一城市的不同區(qū)域所面臨的健康風險是不同的。通過分析城市由于熱島效應產生的健康風險的空間格局能夠識別出一個城市的高風險區(qū), 有助于預防和應對城市熱島效應帶來的健康風險。

分析一個城市的健康風險空間格局通常利用GIS制圖來展現(xiàn)。Reid利用人口、土地利用等數(shù)據(jù), 制作了美國熱浪天氣下的脆弱性制圖, 分析了美國的健康風險空間格局[44]。Tomlinson結合遙感城市熱島數(shù)據(jù)與商業(yè)社會數(shù)據(jù), 評價了英國伯明翰市的熱環(huán)境, 以突出潛在的熱健康風險區(qū)域[45]; 陳倩融合多源遙感數(shù)據(jù)、人口和社會經濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)對長江三角洲地區(qū)的高溫熱浪人群健康風險分布格局進行分析與評價, 并識別出高風險地區(qū)的風險主導因子[46]。

2.2.2 模擬分析預測方法

利用高分辨率區(qū)域天氣和氣候模型進行的建模研究可以提供一種有效的方法來描述溫度的空間變化, 進而分析熱島效應對健康的影響。使用模擬分析的方法研究熱島效應可以避免傳統(tǒng)觀測手段的一些局限。Macintyre利用區(qū)域氣象天氣研究預報模型(WRF)與城市冠層模型模擬了西米德蘭地區(qū)的城市熱島效應, 并模擬改良城市屋頂反射率對城市熱島效應的影響[47]。同樣以西米德蘭地區(qū)為研究區(qū), Heaviside通過模擬土地利用的變化對溫度造成的影響, 來分析該地區(qū)不同溫度下, 溫度與死亡率之間的關系[48]。Stone結合WRF模型、土地覆被模型和健康影響模型, 模擬了氣候變化條件下植被覆蓋度和地表反照率對城市熱島導致的高溫死亡率的減緩作用[49]。

3 熱島對人體健康的危害

3.1 提高熱風險

城市熱島效應對人體健康最直接的危害來自熱風險, 并且由熱島效應導致的熱風險會在熱浪天氣中加重。熱浪事件頻發(fā)已成為影響健康的重要公共衛(wèi)生問題,對人體健康造成極大威脅[50]。熱浪導致死亡的一個重要原因是生理冷卻需求增加了心血管系統(tǒng)負擔[51]。高溫與由心腦血管系統(tǒng)疾病導致的死亡和與熱相關的中暑、脫水導致的死亡密切相關[52]。由于城市熱島效應, 熱浪對城市的危害比對鄉(xiāng)村嚴重的多。20世紀以來, 世界各地城市發(fā)生熱浪災害對人類生命財產安全造成巨大的威脅。1995年英國和芝加哥發(fā)生的熱浪災害對城市居民生命財產造成巨大損失[9,53]。1999年印度的熱浪導致了15000人死亡[54]。2003年夏天西歐的熱浪也造成了嚴重后果, 尤其是西班牙和法國, 估計約有35000人受到影響[55]。

熱浪除最直接造成人類死亡外, 也會引發(fā)相關疾病發(fā)病率的升高。在炎熱的環(huán)境中, 人體溫度調節(jié)系統(tǒng)超負荷運轉, 器官負荷增加, 加重病人的病情。在熱浪天氣中, 呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病的發(fā)病率明顯上升。由于全球氣候變化和城市熱島效應的影響, 21世紀熱浪在強度、頻率及持續(xù)時間上都會明顯增加[56]。因此, 減少熱浪的影響, 預測熱風險程度, 完善預防措施極為重要。

3.2 加重空氣污染

城市熱島和城市空氣污染之間存在密切的相互作用[57]。受城市熱島效應的影響, 城市中心存在一股上升氣流, 在郊區(qū)下沉, 同時郊區(qū)的冷空氣吹向城市, 行成一個閉合的大氣環(huán)流圈。在這個環(huán)流圈中, 郊區(qū)吹向城市的冷空氣包含大量的空氣污染物, 降低了城市空氣質量, 并且大量聚集的污染物有助于霧的產生, 嚴重危害城市居民健康。并且熱島效應生成的環(huán)流圈會導致污染物在城市上空聚集, 加強大氣對太陽長波輻射的吸收, 加重熱島效應, 行成惡性循環(huán)。

熱島效應導致城市溫度較高, 加重了城市空氣污染。城市較高的溫度促進了空氣中的化學反應, 導致地面臭氧濃度升高。地面高濃度臭氧會增加城市光化學煙霧產生的頻率, 危害人體健康[58]。許多研究發(fā)現(xiàn)城市空氣污染與熱島效應密切相關。Aslam等研究了德里市UHI強度對空氣質量的影響, 發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度與UHI強度呈正相關[59]。Xu利用流行病學方法研究PM10與熱環(huán)境的關系, 發(fā)現(xiàn)熱環(huán)境與PM10污染密切相關[60]。空氣污染(尤其是臭氧和總懸浮微粒)會進一步加重人體的呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng), 從而加劇高溫對健康的損害[61]。

4 熱島下的弱勢群體

在城市居民中, 因年齡、職業(yè)、收入、受教育程度以及居住條件等因素的影響, 受熱島效應的影響程度和承受的熱風險是不同的。基于人口學特征、疾病特征、社會經濟學特征可以篩選出脆弱性人群[62]。

老年人和嬰兒因其生理原因, 對高溫的適應能力較差, 往往被認為是高溫熱浪災害脆弱性群體[63-64]。日本學者發(fā)現(xiàn)在熱浪天氣中, 65歲以上的老年人和0—4歲的嬰幼兒人群死亡率占整個人群死亡率的50.1%[65]。老年人群由于身體素質下降, 對熱的忍耐力和承受力較低, 容易受到熱島效應的影響[66]。又由于老年群體患病概率相對較高, 加重了老年人群在熱島效應中的脆弱性[67]。社會隔離、護理水平的限制、生活條件以及缺乏相關熱風險和預防的信息也是導致老人在熱環(huán)境中死亡率上升的因素[68]。高溫環(huán)境下, 老年人群的心血管疾病、腦血管疾病以及呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率升高, 死亡率明顯上升[69-70]。嬰幼兒生理系統(tǒng)并不完善, 不能很好地通過生理調節(jié)適應高溫天氣, 患有腹瀉、呼吸道感染和精神性缺陷疾病的嬰兒在熱浪期間最易受高溫危害[71]。

在高溫和熱浪環(huán)境中, 對災害的防護能力也影響著不同人群的高溫抵御能力[9]。患病人群或健康不佳的人群, 包括患有心理健康和生理健康的人群, 容易受到城市熱島效應的影響[72]。低收入者以及受教育程度較低的人群也容易受城市溫度增高影響[73-74]。低收入者以及受教育程度較低的人群常從事體力勞動, 而從事體力工作的人群在熱環(huán)境中面臨較高的風險[75], 同時, 這一群體通常經濟情況不佳, 不能很好地自主防護熱風險。

此外, 居住環(huán)境和工作環(huán)境也影響城市居民對城市溫度上升的防護能力。居住在通風不佳或者沒有空調住房的人是熱浪易感人群, 而具有良好通風條件的住房有利于創(chuàng)造舒適的室內環(huán)境, 降低熱死亡人數(shù)[76]。

5 緩解熱島效應對健康影響的措施

緩解熱島效應對健康的影響本質上要改善城市的熱環(huán)境, 提高城市空氣質量。現(xiàn)有減緩熱島效應的研究從熱島的成因和影響因素出發(fā), 提出了很多具有實用性和科學性的方法。根據(jù)研究者考慮重點的不同, 這些方法和措施主要分為4類: 1) 控制人為熱的排放; 2) 優(yōu)化城市土地利用空間布局模式; 3) 增加綠色植被面積, 提高城市表面反射率; 4) 合理規(guī)劃城市通風廊道。

5.1 控制人為熱的排放

人為熱的排放是城市熱島效應熱量的主要來源之一, 合理地控制人為熱排放可以有效地緩解城市熱島效應[77]。傳統(tǒng)的能源如煤炭、石油等化石燃料燃燒排放大量熱量到空氣中, 并且化石燃料所產生的大量空氣污染物嚴重影響人體健康。諸如風能、太陽能等新能源的使用可以有效減少化石燃料對城市環(huán)境的影響。研究表明機動車數(shù)量過載、煙塵排放量增加等現(xiàn)象會加劇城市的熱島效應[78], 因此合理管控交通、工廠等熱排放源的排放。同時, 提高能源利用效率, 減少能源損耗也能有效緩解城市熱島效應。

5.2 優(yōu)化城市土地利用空間布局模式

城市土地利用規(guī)劃對城市熱環(huán)境起到基礎性作用, 研究表明城市土地利用的結構和空間組合模式與城市熱島效應顯著相關[79], 通過空間優(yōu)化手段合理布局城市新增用地和城市在開發(fā)用地能夠有效平衡城市建設需求和環(huán)境生態(tài)目標[80-81]。空間優(yōu)化手段也能使得有限的城市綠地合理分布, 最大化城市綠地對于城市熱島效應的緩解作用, 減輕城市居民的熱暴露量。

5.3 增加綠色植被面積, 提高城市表面反射率

增加綠色植被面積和改變城市表面反射率可以有效降低城市的熱島效應。城市綠地可通過植被光合作用、蒸騰和蒸散作用等來改變地表顯熱和潛熱的分配, 是調控城市熱島效應的重要因素之一[82]。NDVI(Normalized Difference Vegetation Index, 歸一化植被指數(shù))是遙感領域中常用的對地面植被覆蓋率進行有效度量的指標。一般來說, NDVI值越高, 植被覆蓋率越高。研究表明, 在NDVI值較高的綠色植被覆蓋區(qū), 溫度明顯低于周圍的建成區(qū), 這意味著植被能有效地緩解城市的熱島效應[83]。在屋頂和建筑物表面涂抹覆蓋反射率較高的涂料增強城市建筑對太陽反射, 從而降低城市溫度。Fallmann發(fā)現(xiàn)增強地表反射率和綠色植被分別可以使Stuttgart市的日均溫度降低 1.1 °C和 1.7 °C[84]。地面反射率的增加也可以使臭氧濃度降低[85]。此外, 城市的樹木和高反射率的屋頂可以顯著減少城市的能量消耗, 從而改善城市空氣質量[86]。Sarah對California定量分析了高太陽反射率的材料對熱島效應的緩解作用,發(fā)現(xiàn)高太陽反射材料的應用可以減少能量的消耗, 提高空氣質量[87]。

5.4 合理規(guī)劃城市通風廊道

此外, 合理的城市通風設計能夠改善城市風環(huán)境, 有助于城市熱量的分散, 提高空氣質量。通過建立城市通風廊道能有效地調節(jié)城市的氣候, 改變熱島環(huán)流, 促進城市與周邊地區(qū)的氣流交換, 提高城市空氣的流動性。通風廊道的建設可以充分利用現(xiàn)有的綠地、水面以及道路, 在改變風環(huán)境的同時可以產生更多的清新空氣[88]。風環(huán)境的改善能夠有效治理城市的空氣污染。

6 結論與展望

受全球氣候變暖和城市化的影響, 城市熱島效應逐漸成為全球城市的普遍問題。城市熱島效應會提高環(huán)境中的熱風險, 加重空氣污染, 對人體健康具有顯著影響, 尤其是對特定的脆弱群體, 嚴重影響著城市居民的生命財產安全。因此控制并減緩熱島效應, 是改善城市生態(tài)環(huán)境, 提升居民生活質量極為重要的一步。

現(xiàn)有的關于城市熱島效應對人體健康影響的研究大多基于統(tǒng)計數(shù)據(jù), 采用流行病學的方法量化熱島效應對健康的影響。為了克服統(tǒng)計數(shù)據(jù)無法反應熱島效應的空間屬性的缺陷, 越來越多的學者將GIS與遙感手段引入到相關的研究中去。遙感為監(jiān)測熱島提供具有良好的空間分辨率和時間重復性地面溫度數(shù)據(jù), GIS為其提供強大的空間分析功能。將流行病學方法與遙感、GIS結合起來研究城市熱島效應對人體健康的影響將會提高研究結果的科學性與準確度, 有助于建立統(tǒng)一的健康風險評價體系, 為了更好地量化與評估熱島效應的潛在影響則需要更深入的研究。

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A review of the human health consequences of urban heat island effect

NIE Jingdi1, ZHANG Junhua1, HUANG Bo1, 2, *

1. School of Environmental and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China 2. Department of Geography and Resource Management, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, 999077, China

Urban heat island effect is the phenomenon that urban temperature is higher than its surrounding suburbs and countryside. The massive urbanization and rapid urban population growth have intensified the urban heat island effect. Local climate affected by the urban heat island poses a great threat to human health. In this context, that urban heat island effect on human health has become a research hotpot. This paper summarizes the recent studies on the health effects of heat island effect by many scholars from quantitative study of heat island effect on human health, vulnerable groups analysis and mitigation measures, which can provide urban construction managers with reference to prevent and reduce urban heat island effect on urban residents' health and ecological civilization of city construction. This study shows: 1) The urban heat island effect can not only directly threaten human health by thermal hazards, but also indirectly increase the incidence of respiratory diseases and cardiovascular and cerebrovascular diseases by aggravating air pollution. 2) The elderly, infants, low-income people, sick people, less educated people and manual workers are the vulnerable groups in the heat island effect. 3) Measures to improve the urban wind environment, plant green vegetation and apply highly reflective materials to the building surface can effectively alleviate the urban heat island effect and reduce the impact on the health of the population.

urban heat island effect; urbanization; human healthy; heat risk

聶敬娣, 張俊華, 黃波. 城市熱島效應對人體健康影響研究綜述[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(1): 200–208.

NIE Jingdi, ZHANG Junhua, HUANG Bo. A review of the human health consequences of urban heat island effect[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 200–208.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.025

P951; X24

A

1008-8873(2021)01-200-09

2019-09-29;

2020-10-05

國家科技支撐計劃項目(2013BAJ05B04)

聶敬娣(1996—) , 女, 河北邯鄲人, 碩士, 主要從事GIS在城市環(huán)境中的應用研究, E-mail:2018101876@ruc.edu.cn

黃波, 男, 博士, 教授, 主要從事空間智能、時空統(tǒng)計、空間優(yōu)化等研究, E-mail: bohuang@cuhk.edu.cn