基于GEE的干旱城市环境地表温度与土地利用时空格局分析——以阿布扎比为例

《Frontiers in Environmental Science》：GEE-based analysis of spatiotemporal patterns of land cover and LST in an arid urban environment a case study of Abu Dhabi

本研究利用Google Earth Engine（GEE）平台，结合Sentinel-2影像和MODIS热红外数据，系统分析了阿布扎比2017-2024年间土地利用与地表温度（LST）的时空演变规律。研究发现城市扩张和植被增加显著改变了区域热环境格局，呈现出独特的"日间城市冷岛"现象。研究成果为干旱区城市气候韧性建设（SDG 11,13,15）提供了重要的地理空间决策支持。

　　

引言

干旱城市地区的土地覆盖变化对地表能量平衡产生深远影响，可能加剧或逆转城市热岛（UHI）现象。与全球普遍规律不同，阿拉伯半岛的炎热沙漠城市在日间可能呈现"倒置热岛"格局，城市中心比周边荒漠地区更为凉爽。这种独特现象主要源于城市灌溉、植被覆盖和较高热惯性等因素的共同作用。

研究区域与方法

研究区域阿布扎比酋长国位于阿拉伯半岛超干旱带，总面积约66,300 km²。采用Sentinel-2影像进行土地覆盖分类，MODIS Terra卫星的MOD11A2产品获取地表温度数据。通过Google Earth Engine平台，建立包含四个主要土地覆盖类型（裸地/沙漠、城市建成区、植被、水体）的分类体系，采用随机森林（RF）算法实现2017、2020、2024三个基准年的高精度分类（总体精度≥88%）。

土地覆盖动态变化

2017-2024年间，阿布扎比土地覆盖结构发生显著转变：裸地覆盖率从92.8%降至90.9%，城市建成区从3.0%扩张至4.5%，植被覆盖从3.3%增长至4.1%，水体面积从0.9%减少至0.5%。空间上，城市扩张主要集中于东北部沿海走廊和艾因地区，植被增长体现在绿洲农业和城市绿化工程。

地表温度格局特征

热分析显示2020年为最热年份，平均LST达53.14°C，高于201年的52.40°C。至2024年，平均LST下降至48.76°C，降幅达3.6°C。各土地覆盖类型呈现稳定的热力层级：裸地温度最高（49-52°C），城市建成区次之（41-43°C），植被区更凉（36-38°C），水体最冷（33-35°C）。这种"城市冷岛"现象与常规UHI形成鲜明对比。

COVID-19疫情影响

尽管2020年疫情防控措施减少了人类活动，但极端气候条件导致该年地表温度异常偏高。城市与荒漠的温差从2017年的8.1°C扩大至2020年的8.8°C，表明自然气候因素对热环境的主导作用强于短期人为活动变化。

土地覆盖与温度关联机制

植被覆盖（NDVI）与地表温度（LST）呈显著负相关，新垦农田比相邻沙漠低5-10°C。城市区域的降温效应归因于建筑材料的反射特性、灌溉绿化的蒸腾作用及海岸微风调节。这种热调节功能为干旱城市气候适应提供了科学依据。

可持续发展目标关联

研究成果直接支持可持续发展目标SDG 11（可持续城市）、SDG 13（气候行动）和SDG 15（陆地生物）。通过量化土地覆盖变化的热环境效应，为干旱区城市绿色基础设施建设、热风险防控和土地可持续管理提供了空间决策支持。

研究局限与展望

当前研究存在空间分辨率匹配（1km LST与10m土地覆盖）、夜间热岛效应监测不足等局限。未来可结合更高分辨率热红外数据、气象观测资料，开展多尺度热环境模拟预测，深化对干旱城市人地系统互馈机制的理解。

结论

阿布扎比的案例证明，在极端干旱环境下，通过科学的土地覆盖规划（特别是植被建设）能够有效调节城市热环境。尽管2020年的气候异常凸显了自然因素的强影响力，但2017-2024年的整体降温趋势仍体现了人工干预对改善区域热条件的积极效果。这套基于GEE的遥感监测框架为全球干旱区城市可持续发展提供了可复制的技术范式。