美国人口与发展的空间网络连接性及其对疾病传播的启示

齐夫定律指出，城市人口规模的秩—规模分布遵循指数为 -1 的幂律。关于普适幂律的断言存在争议，因为其线性与斜率随时间和国家而变。我们将人口普查数据与夜间灯光亮度作为美国本土人口密度与发展强度的代理变量进行比较。将人口密度与发展强度视为连续量，得以基于空间连接程度定义空间网络。所得空间网络连通分量（连通节点的子集）的分布随连接程度变化，但在广泛的网络规模范围内保持一致的标度律。在大陆尺度上，由人口密度与夜间灯光亮度得到的空间网络秩—规模分布，在较宽的密度与亮度阈值范围内均能被指数接近 -1 的幂律很好地拟合。然而，最大的连通分量（10,000–100,000 平方千米）远大于单个城市，代表了城市、郊区和近郊发展的空间连续聚集区。将美国县级 SARS-CoV-2 确诊病例数投影到人口与发展的空间网络上，可将疫情的时空演化量化为在不同连接性网络内的传播。结果显示，在 2020 年 3 月流动性降低之前，确诊病例从少数网络分量中的缓慢增长向更多分量中的快速地理扩散发生了突变。