微尺度下城市热岛效应与地表参数的时空耦合机制研究——以鼓浪屿为例

《Sustainable Cities and Society》：What is the relationship between urban heat island (UHI) effect and urban surface parameter (USP) at micro-scale? A case study in Gulangyu, China

本研究针对微尺度城市热岛(UHI)效应与地表参数(USP)的时空机制尚不清晰的问题，通过多源遥感与无人机摄影测量技术，构建了10米分辨率的土地表面温度(LST)降尺度模型，系统揭示了鼓浪屿UHI-LCZ-USP的微尺度耦合规律。研究发现建筑表面占比(BSF)和不透水表面占比(ISF)持续增强表面城市热岛强度(SUHII)，而NDVI和NDWI具有降温作用，空间结构参数呈现季节性差异。该研究为历史街区的精准热风险防控提供了科学依据。

　　

随着全球变暖与城市化进程的交互影响，城市下垫面改变引发的能量交换失衡与微气候反馈失灵，正通过极端天气事件不断加剧城市气候生态的脆弱性。其中，城市热岛（Urban Heat Island, UHI）效应作为突出表现，使得城市核心区与郊区产生2-5°C的显著温差。虽然全球和城市尺度的气候模式能够捕捉宏观趋势，但街道设计和植被结构的相互作用在局部尺度上塑造了高度异质性的微气候环境，热量积累和消散在短距离内呈现明显差异。这些局部热异常和微尺度热风险对人类健康、能源消耗和生态稳定产生直接影响。因此，阐明城市形态、地表特征与局部热环境之间的复杂关系，对于实现精细化的空间调控、提升城市可持续性至关重要。

相较于表征大气温度变化的边界层UHI（BUHI）和冠层UHI（CUHI），表面UHI（SUHI）因直接反映下垫面的热过程，揭示由城市形态和土地利用差异驱动的热异常，逐渐成为研究重点。表面城市热岛强度（SUHII）作为关键量化指标，基于地表温度（LST）的空间分布，具有覆盖广、连续性强、时效性高的特点，支持从城市群到社区层面的多尺度UHI分析。尽管已有大量研究揭示了各类城市地表参数（USP）与UHI/LST的关系，但这些参数的影响并非一成不变，其强度和方向受季节变化和空间异质性的动态制约。季节性变异源于水热特征、太阳辐射和植被特性的变化，进而改变解释因子的相对重要性。同时，人类活动也呈现时间波动和空间分异。在快速城市化背景下，混合的土地利用功能进一步重塑城市形态，多样化建筑形态调控表面热量分布的机制。鉴于上述原因，在单一季节内静态理解UHI-USP关系既僵化又不切实际，相同的规划策略在不同时期可能无法产生一致的降温效果。这凸显了UHI/LST形成机制分析仍需深入解构USPs的时空异质性和协同效应，尤其是在微尺度上。

为了推进微尺度UHI-LCZ-USP相互作用分析框架，本研究以鼓浪屿为天然实验室，耦合温度锐化（TsHARP）方法与无人机（UAV）摄影测量高分辨率数据，构建多元时空拟合模型，阐明关键变量间的相互作用机制。传统热红外影像反演的LST虽然能满足大多数宏观区域研究的需求，但难以解析鼓浪屿复杂的下垫面混合和显著异质性所产生的精细热力格局，特别是考虑到该地历史建筑、植被斑块和海岸界面错综复杂的相互作用。因此，本研究旨在建立一个耦合高精度UAV数据和锐化LST的微尺度UHI-LCZ-USP分析框架，揭示鼓浪屿微尺度UHI与USPs的时空机制。

主要技术方法

研究整合多源遥感与无人机摄影测量技术，构建了10米空间分辨率的LST降尺度模型。利用无人机摄影测量进行精细化的局部气候分区（LCZ）制图，并表征了多种城市地表参数（USP），包括建筑表面占比（BSF）、不透水表面占比（ISF）、归一化植被指数（NDVI）、归一化水体指数（NDWI）、高宽比（H/W）和天空可视因子（SVF）等。通过普通最小二乘（OLS）回归模型，分析了空间变量对鼓浪屿表面城市热岛强度（SUHII）的季节性影响。

空间分布特征

降尺度至10米空间分辨率的鼓浪屿LST表现出明显的季节变化。夏季LST最高，岛内空间平均达38.70°C，春季和秋季温度条件相近，平均值分别为29.76°C和28.87°C，冬季进一步下降至平均19.82°C。SUHII的空间格局与LST相似，高温区主要集中在岛屿东部和西部的开阔区域、旅游设施密集区以及中部部分建筑密集区，而低温区则分布在植被茂密的山体和沿海区域。

微尺度UHI-LCZ-USP时空效应

OLS回归模型分析发现，BSF、ISF、兴趣点（POI）密度和游客密度（TD）在所有季节均持续增加SUHII，而植被（NDVI）和水体（NDWI）则降低SUHII。表面结构参数表现出季节性对比：H/W在冬季具有降温作用，而SVF在春季和秋季表现出降温效应。BSF在海岸地区产生增温，但在密集核心区则降温或保持中性；H/W在开阔的东部和西部地区加剧热量，与BSF形成互补的微尺度机制。在高SUHII区域，TD主导冬季增温，NDVI的冷却效应在春季达到峰值，BSF的增温在夏季达到峰值，而H/W则通过空间异质性和双向效应产生全年持续影响。

研究结论与意义

本研究提出了一个集成多源遥感和无人机摄影测量的新颖框架，用于在10米×10米空间分辨率上表征热环境、进行LCZ制图和USP提取。随后采用时空回归模型揭示了UHI-LCZ-USP的微尺度耦合机制。分析表明，表面覆盖参数（BSF、ISF、NDVI、NDWI）对SUHII的影响方向在不同LCZ类型间保持一致，但影响强度存在差异；而表面结构参数（H/W、SVF）的影响则表现出显著的情境依赖性和季节性反转。旅游活动（TD）作为人为热源的代表，其热效应强度在时间和空间上均存在差异。该框架为感知微尺度复杂环境提供了技术路径，对于增强可持续微气候的动态适应性、指导历史街区的精细化城市设计具有重要的理论和实践意义。该研究强调了在微尺度上理解UHI形成机制的重要性，指出未来热缓解策略需要结合具体的LCZ类型、季节变化和人类活动模式，实施更具针对性和适应性的空间干预措施。研究成果发表于《Sustainable Cities and Society》。