城市熱島對居民健康影響的空間演化過程

黃煥春，楊海林，鄧鑫，陳圖農，賈琦

(1.南京林業大學 風景園林學院，南京 210037；2.南京醫科大學 附屬腦科醫院，南京 210029；3.鄭州輕工業大學環境設計系，鄭州 450002)

0 引言

隨著全球氣候變暖與極端天氣事件頻發[1]，對人類健康帶來了一系列的影響，特別是對城市居民的影響尤為嚴重。預計到2050年，全世界將有62.52億人生活在城市，約占世界人口的68%[2]。其中，由于氣候變暖和城市熱島(urban heat island，UHI)疊加導致的溫度升高對城市居民健康危害極大，直接或間接的影響增加了多種疾病的發病和死亡，嚴重危及人類健康。對中國272個城市2013—2015年的不同疾病死亡率的研究發現，由于氣溫導致的呼吸系統疾病(J00-J99)和心血管疾病(I00-I99)死亡的歸因風險分別為10.57%和17.48%[3]。溫度升高會顯著降低幸福感，與10～16 ℃范圍內的溫度相比，溫度高于21 ℃時可減少積極情緒，增加負面情緒以及疲勞[4]。2016年，中國政府推出《“健康中國2030”規劃綱要》，將健康中國確定為國家戰略，提出實施健康城市、健康村鎮的規劃建設，劃定環境健康高風險區域，開展環境污染對人群健康影響的評價，探究建立高風險區域重點項目健康風險評估制度[5]。如何識別城市微氣候的危害，進而優化綠地空間系統等布局，是當前研究的重點。

城市景觀格局的時空分異特性在一定程度上形成了城市熱島效應，對其形成數量-質量-多維驅動的影響。城市熱島研究，以往集中于城市的空間分布特征、景觀格局指數變化[6-7]，未深入研究分析其對城市居民的健康影響。城市微氣候是城市熱島效應與全球氣候變化相互疊加的結果[8-9]，與城市景觀格局結構相結合，不僅影響舒適度，同時對居民的呼吸系統、心血管、精神狀態等產生影響。目前僅有特大城市熱島對人體舒適度[10]和呼吸系統疾病[11]的典型時空格局影響研究，且側重于生理舒適感或呼吸系統疾病等單因子，缺乏具有代表性疾病健康空間格局研究，需要進一步深入考慮熱島的生理與心理的綜合健康危害，才能評估城市不同空間位置的健康風險。因此，如何科學評價城市熱島對不同城市空間的居民健康影響，探索城市化過程中健康風險評估的城市內部空間演變特征，成為重要的理論與實踐的科學問題。

本文以北京市為例，采用氣象站點、衛星影像、天地圖等數據，利用ArcGIS、遙感、數值分析技術，以呼吸系統疾病、心血管疾病和情緒健康三種疾病為指示， 評價分析城市熱環境變化對健康的綜合影響，為城市綠地系統的規劃改善措施的提出、城市熱環境的緩解和居民身心健康的提高提供前期基礎研究。

1 研究方法

1.1 數據收集與處理

本研究選取1984、1991、1999、2017年Landsat衛星影像，影像拍攝前兩天內平均風速均小于2.3 m/s，一天內均無降水。成像時刻研究區域無云遮蓋，大氣能見度優，成像條件較佳。氣象數據主要通過北京195個氣象站點和3個流動觀測站點獲得，氣象站點均放置在周圍建筑、植被、硬化地面、人工設施對熱島干擾較小的觀測點。

首先，將遙感影像、城市規劃專題圖進行配準和幾何精校正，將誤差控制在一個像元內；然后，將氣象站點數據、天地圖數據等，統一投影到WGS-1984-UTM-50N坐標系中保持數據的一致性；最后，利用ArcGIS軟件建立數據庫，對不同時期的數據進行空間疊加與提取分析。

1.2 健康影響評價

根據溫度對身心健康的影響，本文選擇三種指示性疾病，根據《國際疾病分類》第十版(ICD-10)選擇分析影響最明顯的呼吸系統疾病(J00-J99)、心血管疾病(I00-I99)和精神健康。其中精神健康采用涉及普通人群的情緒健康作為影響因子。城市熱島對人體健康的影響，采用嚴格的疾控中心分析數據和人體生理學意義的分級標準，保證分析的準確性。

1)呼吸系統疾病影響等級劃分。城市溫度變化會導致體溫調節機制暫時發生障礙，體內熱蓄積，引發呼吸系統疾病；極端溫度下會導致病毒的活力增高，加劇呼吸系統疾病的發病或死亡[12]。本研究以日平均溫度31 ℃作為城市熱島對北京呼吸系統疾病影響的閾值溫度，溫度每增加1 ℃，呼吸系統疾病死亡率增加25.3%[13]，故將城市熱島對呼吸系統死亡率的影響劃分為十個等級(表1)。

表1 城市熱島對呼吸系統疾病死亡率、人體生理反應的影響等級劃分

2)情緒健康影響等級劃分。隨著城市熱島效應增強，高溫熱浪災害頻繁發生，給城市居民帶來了直接和間接的心理健康危害。依據文獻[14]和本團隊2019年7—8月的386份有效問卷的分析結果，得出夏季高溫對負向情緒因子的影響隨著曲線及其關鍵溫度閾值而變化。本研究以日平均溫度28 ℃作為城市熱島對北京情緒健康影響的閾值溫度，將城市熱島對情緒健康的影響劃分為十個等級(表2)。

表2 城市熱島對情緒健康的影響等級劃分

3)心血管疾病影響等級劃分。高溫主要通過影響機體心臟功能，包括血壓、血液粘度、血膽固醇和心率，增加心血管疾病死亡率[15]。隨著氣溫升高，機體心率加快，心肌耗氧量增加，同時血液會從臟器加快擴散到皮膚表面，加重心臟和肺部負擔，增加心血管疾病發病率[16]。以日平均溫度28 ℃作為城市熱島對北京心血管疾病影響的閾值溫度，閾值溫度每增加1 ℃，死亡率增加7.2%[17]，故將城市熱島對心血管疾病死亡率的影響劃分為十個等級(表3)。

表3 城市熱島對心血管疾病死亡率、人體生理反應的影響等級劃分

1.3 氣溫反演

本研究采用大氣校正法反演地表溫度。首先，依據NASA的數據使用手冊(landsat.usgs.gov/documents)，進行輻射定標；然后，計算植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)及植被覆蓋度。采用覃志豪等[18]提出的比輻射率計算方法計算地表比輻射率。最后，計算出地表溫度，如式(1)所示。

(1)

城市地表溫度與上空一定距離的大氣溫度有協同變化的規律，地表溫度與近地面1.5 m大氣溫度也有著密切的關系。利用MATLAB軟件，將地表溫度、NDVI與日平均氣溫建立關系，發現具有較好的線性關系。擬合后的回歸方程如式(2)所示。

TA=4.31+0.167 9TL-0.174 7y

(2)

式中：TA為日平均氣溫；TL為地表溫度；y為NDVI。回歸方程具有很好的魯棒性，R2為0.95，RMSE 為0.13。

1.4 層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個準則或目標，進行分解為多影響因子或多指標的若干層次，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對于上一層次某元素的優先權重，采用加和的方法求出各層次對目標的影響，最終權重最大者為最優方案[19]。層次分析法是目前評價多層次、多因素影響系統的常用方法[20]。該方法適用于本文構建綜合氣候健康影響圖。

采用ArcGIS軟件對呼吸系統疾病、心血管疾病、情緒健康三種影響因子進行綜合分析，根據各因子對城市熱環境健康的影響確定其權重，最后通過疊加分析得出城市熱環境健康氣候影響圖。計算如式(3)所示。

(3)

式中：S為綜合氣候健康影響評價指數；Wi為第i種評價因子的權重；Xi為第i種評價因子的得分(無量綱)；n為參與評價的因子數量。

1.5 研究區域

北京市位于華北平原北部，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候地帶，夏季高溫多雨，冬季干燥寒冷，年平均氣溫為13.6 ℃。2019年末全市常住人口為2 153.6萬人，城鎮人口為1 865萬人，城鎮化率達到86.6%。

北京市作為中國的首都、直轄市，是京津冀城市群中心城市，居中國百強城市、中國城市綜合發展指標、國家中心城市指數、城市產業競爭力指數第一位[21]。作為國際化大都市，在過去三十年間城鎮化進程一直保持高效狀態，由此產生的熱島效應和健康空間影響變化具有典型代表性。因此，本文選取北京市六環以內為研究區域，總面積2 267 km2，如圖1所示。

注：該圖基于北京市規劃和自然資源委員會網站下載的審圖號為京S(2019)032號的標準地圖制作，底圖無修改。圖1 研究區域

2 結果分析

2.1 熱島健康危害分析

1)呼吸系統疾病風險分析。依據城市熱島對呼吸系統疾病影響劃分標準，評價1984—2017年四個時期的影響(圖2、表4)。結果表明，北京市熱島對呼吸系統疾病的影響面積呈現迅速發展態勢，影響等級不斷增大，高影響等級面積不斷擴張。1984—1991年呼吸系統疾病受影響等級主要是等級1～等級2。1999—2017年受影響等級由等級1～等級3升高到等級4～等級6。由城市中心區向外圍逐步擴大，具有中心城區集中、外圍呈組團分布的空間特征。

注：該圖基于北京市規劃和自然資源委員會網站下載的審圖號為京S(2019)032號的標準地圖制作，底圖無修改。圖2 1984—2017年城市熱島對呼吸系統疾病的影響等級分布

表4 城市熱島對呼吸系統疾病的影響面積大小

2)情緒健康風險分析。依據城市熱島對情緒健康的影響劃分標準，評價1984—2017年四個時期的城市空間影響(圖3、表5)。結果表明，北京市熱島對情緒健康的影響呈惡化趨勢，影響等級不斷增大，高影響等級面積不斷擴大。1984—1991年情緒健康影響等級主要是等級4～等級5。1999—2017年受影響等級由等級4～等級5升高到等級5～等級7。由城市中心區向外圍逐步擴大，高等級影響區在中心城區呈大面積的斑塊集中，外圍呈密度的小斑塊集中分布。

注：該圖基于北京市規劃和自然資源委員會網站下載的審圖號為京S(2019)032號的標準地圖制作，底圖無修改。圖3 1984—2017年城市熱島對情緒健康的影響等級分布

3)心血管疾病風險分析。依據城市熱島對心血管疾病的影響劃分標準，評價1984—2017年四個時期的城市空間影響(圖4、表6)。結果表明，北京市熱島對情緒健康的影響面積迅速擴大，但影響等級略有上升。1984—1999年心血管疾病的影響等級主要是等級6～等級7，且主要分布在城市中心區域。2017年受影響等級略升高到等級7～等級8。由城市中心區向外圍逐步擴大，高等級影響區在中心城區集中，外圍呈較大面積的斑塊集中分布。

表5 城市熱島對情緒健康的影響面積大小

注：該圖基于北京市規劃和自然資源委員會網站下載的審圖號為京S(2019)032號的標準地圖制作，底圖無修改。圖4 1984—2017年城市熱島對心血管疾病的影響等級分布

表6 城市熱島對心血管疾病的影響面積大小

4)綜合氣候健康影響分析。將呼吸系統疾病(0.18)、心血管疾病(0.12)、情緒(0.70)三種影響因子進行疊加，生成1984—2017年城市熱環境健康氣候影響圖(圖5)。結果表明，影響區域總體呈風扇狀，嚴重危害區總體較為穩定，健康危害較大的位于東西城區；危害較小的位于房山區、順義區周邊的奧林匹克公園、北京園博園、圓明園等公園周邊。其中，危害較低的等級1、等級2、等級3呈破碎化趨勢，且面積有所減小；危害較高的等級7、等級8、等級9、等級10在中心城區不斷集聚，逐漸向周邊地區蔓延，影響面積不斷增大。總體上來看，隨著城市化進程的發展，帶來一系列生態環境問題，城市熱環境對居民健康的影響程度不斷加重，影響區域持續擴張。

注：該圖基于北京市規劃和自然資源委員會網站下載的審圖號為京S(2019)032號的標準地圖制作，底圖無修改。圖5 1984—2017年城市熱環境健康氣候影響

2.2 景觀格局指數分析

景觀格局指數包括斑塊水平、類型水平和景觀水平三種類型。其中，類型水平的指數用于分析各類型斑塊的數量和結構；景觀水平指數用于描述研究區域的全局特征。根據本文的研究區特性，在類型水平上選擇斑塊密度(patch density，PD)、連通性(connectance index，CONNECT)指數，選取景觀水平中的多樣性(shannon’s diversity index，SHDI)、蔓延度(contagion index，CONTAG)指數。

1)景觀格局的類型水平變化。PD指數是描述斑塊破碎化的指標。1984—2017年PD指數變化如表7所示，總體呈上升態勢，說明三種指示疾病和綜合氣候健康指數的各等級影響區破碎化明顯，在城市空間中呈分散式分布，分布更加擴散、均勻。1999—2017年，各等級影響區破碎化加劇，主要與高密度城市開發和綠地公園建設密切相關。城市的片區組團開發形成了新的健康高危害區，綠地公園建設形成的冷源有利于打破大面積的熱島聚集區域，從而改善了城市熱島對居民健康的影響。

表7 1984—2017年斑塊密度指數變化

1984—2017年CONNECT指數變化如表8所示，指標數值偏低，且總體呈下降態勢，說明斑塊連通度較低，斷裂不成系統。但三種指示疾病及綜合氣候健康指標的低等級影響區的數值相對較大，連通性偏高，呈集聚狀態。中等級影響先下降后上升，說明在1984—1999年空間分布上較為分散，在1999—2017年開始集聚。在2017年出現高影響區，但其連通性較小，城市熱島對三種指示疾病的影響較為嚴重的區域呈點狀式分布。

表8 1984—2017年連通性指數變化

2)景觀格局的景觀水平變化。1984—2017年，多樣性SHDI指數變化如圖6所示。1984—1991年略有下降，1991—1999年呈現小幅上升，1999—2017年明顯上升，總體均呈上升態勢。這表明城市熱島對三種疾病的影響的復雜程度不斷增加，斑塊類型豐富，破碎化程度增高。由于北京在城市化建成區的迅速擴張，受影響區面積顯著增大，并出現了新的高等級影響區，在空間上分布范圍更加廣泛，不同等級的影響區逐漸向整個城區擴張。

圖6 1984—2017年多樣性指數變化曲線

CONTAG指數，是表征景觀整體的凝聚程度。1984—2017年的CONTAG的指標變化如圖7所示，指標總體下降明顯，表明景觀的破碎化程度較高，影響區內部的連通性下降，各等級影響區由城市中心向外圍郊區不斷擴散。

圖7 1984—2017年蔓延度指數變化曲線

3 討論

本研究選擇呼吸系統疾病、心血管疾病和情緒健康三種指示類型疾病，對城市熱島的健康影響的動態變化進行研究，能反映空間過程的演變特征。研究表明，北京市熱島對呼吸系統疾病、心血管疾病和情緒健康的影響在空間分布上具有較強的異質性特征。隨著城市化發展，熱島強度不斷升高，城市建成區熱環境不斷惡化，嚴重影響居民身心健康。多項研究表明，夏季高溫與各種疾病死亡率以及情緒健康仍然存在高度相關性[22-23]，所以優化城市綠地系統格局，減少夏季高溫暴露，進一步提高居民生活健康，對健康城市規劃與建設具有一定的案例研究支撐作用。

以往研究顯示，高溫對呼吸系統疾病、心血管疾病的發病率和死亡率以及情緒健康具有一定的影響。Almeida等對波爾圖和里斯本溫暖季節(4—9月)死亡率與氣溫的相關關系的研究中發現，兩地全死因死亡率隨著日最高溫每升高1 ℃分別上升3%(95%CI：2.0%～3.9%)和5.6%(95%CI：4.6%～6.6%)[24]。熱暴露可能通過引起熱應激和衰竭或者熱敏生理過程進而降低情緒健康，增加自殺率，減少生活滿意度[25]。隨著熱島強度的增大，城市熱島對三種指示疾病的影響不斷加劇。2017年前后北京市城市化進程發展迅速，六環內氣溫持續升高，人體機能和心臟功能受到嚴重影響，持續高溫暴露易誘發疾病，增加額外死亡率。

景觀格局是熱島對健康影響的空間表征。基于景觀格局分析的結果表明，城市熱島對三種指示疾病的影響在景觀格局上呈破碎化趨勢，低等級影響區連通性較高，呈集聚狀態，高等級影響區呈組團狀分布。這表明，熱島對健康的影響存在景觀-格局-過程特征，與其他學者采用景觀破碎化和氣象因素研究發現病媒傳播疾病萊姆病發病率與區域景觀破碎度和溫度有較明顯的相關性的案例形成相互佐證[26]。這說明，采用景觀格局指數研究城市熱環境對疾病的影響的空間過程演變存在方法的適用性。

城區不同下墊面類型對城市熱環境有著較為明顯的影響，直接導致其溫度區的明顯高低差異，進而影響城市居民的不同類型的健康狀況。研究從城市熱環境的空間分異特征和健康影響標準劃分的角度，分析熱島效應變化的健康影響，具有較強的理論與實踐可行性。今后將繼續深化研究，結合典型實證區域的城市內部景觀和非城市景觀分析其熱島景觀特征[27]，開展精細化尺度的健康影響研究分析。

4 結束語

本文基于氣象站點、衛星影像等多源數據，研究北京市城市熱島效應所引起的呼吸系統疾病、心血管疾病和情緒健康影響的空間格局與過程，結論如下。

1)城市熱島對居民健康的危害程度和面積呈增加趨勢，影響較為嚴重的區域始終主要集中于城市中心區域。

2)北京市熱島對呼吸系統疾病、心血管疾病和情緒健康的影響不斷增大，影響面積分別擴大了2.74、4.10和4.09倍。

3)景觀格局呈破碎化趨勢，低等級影響區連通性較高，呈集聚狀態，高等級影響區呈組團狀分布。