加拿大高纬度城市地表温度时空分异特征：基于局地气候区(LCZ)的植被覆盖与积雪影响研究

《Canadian Water Resources Journal / Revue canadienne des ressources hydriques》：Challenges and Limitations in Comparing Satellite Microwave Vegetation Optical Depth (VOD) Against in-Situ Tree Hydraulics in the Canadian Boreal Forest

本文系统分析了加拿大高纬度城市埃德蒙顿不同局地气候区(LCZ)冬夏季地表温度(LST)的时空变异规律，创新性地揭示了建筑密度(BAD)、建筑体积密度(BVD)与植被指数(NDVI)、积雪指数(NDSI)的定量关联（夏季LST-NDVI相关性r=-0.6，冬季LST-NDSI相关性r=-0.5），为寒地城市热岛(UHI)效应调控及气候适应性规划提供了重要科学依据。

　　

局地气候区框架下的高纬度城市热环境研究

研究背景与意义

近年来，随着全球城市化进程加速，高纬度地区城市建成区面积急剧扩张，导致城市热岛效应日益凸显。相较于中低纬度城市，高纬度城市热岛效应呈现独特的季节性特征：夏季加剧能源消耗与健康风险，冬季则通过提升地表温度降低严寒相关死亡率并影响积雪消融规律。加拿大埃德蒙顿作为北纬53°-54°的典型高纬度城市，其年均降雪量达125厘米，为研究积雪覆盖与城市形态的交互作用提供了理想场景。本研究创新性地整合Landsat卫星遥感数据与建筑矢量信息，通过局地气候区分类体系，系统解析2002-2022年间冬夏季地表温度的时空分异规律，深入探讨植被覆盖、积雪动态与建筑特征对热环境的调控机制。

研究方法与数据

研究采用世界城市数据库门户工具(WUDAPT)方法将埃德蒙顿划分为26类LCZ单元，结合Google Earth Engine平台处理Landsat系列卫星影像，利用Ermida等开发的单窗算法反演地表温度。通过计算归一化植被指数与归一化积雪指数，结合城市建筑评估数据，采用莫兰指数进行空间自相关分析，并运用皮尔逊相关系数量化LCZ单元内建筑面积密度、建筑体积密度与地表温度的关联性。研究特别选取2021年（全球第六暖年）作为典型分析时段，该年城市工业区与居住区地表温度普遍超过40°C。

局地气候区空间格局特征

埃德蒙顿LCZ空间分异显著：市中心区域以紧凑高层区(LCZ 1)为主导，周边环绕紧凑低层区(LCZ 3)与开放高层区(LCZ 4)，而郊区则以开放低层区(LCZ 6)、轻型低层区(LCZ 7)为主。自然植被覆盖区(LCZ A-D)主要分布于北美最大城市公园——北萨斯喀彻温河河谷地带。值得注意的是，LCZ分类精度存在差异：土地利用类型LCZ分类精度达87%，而建成区LCZ分类精度为63%，这与建筑光谱混合效应及部分LCZ类别样本量不足有关。

地表温度时空变异规律

时序分析表明，2012-2020年间所有LCZ单元冬夏季地表温度均呈上升趋势，其中LCZ 7、LCZ 10等区域升温尤为显著。空间聚类分析显示，夏季高温热点集中于工业区与紧凑建成区，低温冷点则分布于河谷地带与城市边缘区；冬季温度空间格局与夏季高度相似，但温差幅度收窄。特别发现市中心高层建筑区因河谷通风效应与建筑遮荫作用，夏季温度反而低于周边密集建成区，印证了水体对微气候的调节功能。

植被与积雪的调控机制

植被覆盖与地表温度呈显著负相关（R²=0.33, r=-0.6），稠密树冠通过蒸腾作用与遮荫效应使LCZ单元夏季温度降低3-5°C。冬季积雪覆盖与地表温度同样呈现负相关（R²=0.2, r=-0.5），但森林覆盖区因树冠截留积雪与树干热辐射形成的"树井效应"，积雪覆盖率反而低于开阔地带。研究发现建筑密度与积雪指数呈负相关（r=-0.4），证实建成区人为热排放加速积雪消融的假设。

建筑形态参数的热效应

建筑面积密度与年均地表温度呈现强正相关（R²=0.6, r=0.8），建筑体积密度关联性稍弱（R²=0.4, r=0.6）。紧凑建成区（LCZ 1-3）因建筑热容量大、通风受限，夏季形成显著热岛，但冬季可通过减少积雪深度降低采暖能耗。对比发现，建筑高度对温度影响因样本量限制未呈现明确规律，但建筑布局形态（如街道峡谷效应）对热环境分异起关键作用。

高纬度城市热岛调控策略

针对高纬度城市特点，提出LCZ差异化调控方案：紧凑建成区优先采用垂直绿化、高反射材料与通风廊道设计；开阔区域重点保护成熟树冠与增植落叶树种，平衡冬夏遮荫需求；工业区通过生态廊道建设缓解热积聚。特别强调应制定LCZ分区导则，强制规定建筑间距与绿地配比，同时保护河谷生态系统的天然降温功能。

研究结论与展望

本研究证实LCZ框架能有效识别高纬度城市热环境敏感区，建筑密度较体积密度对温度影响更显著，植被与积雪分别成为冬夏季关键调节因子。未来需结合高分辨率热红外数据与人体热舒适指标（如UTC指数），进一步量化建筑材质、朝向及人为热排放的贡献，为寒地城市气候适应性规划提供更精准的科学支撑。