城市热辐射各向异性中热点-太阳角偏移的时空变异机制及其对遥感反演的启示

针对城市热辐射各向异性(UTA)中热点-太阳角偏移(ΔCA)的时空变异机制不明问题，研究人员通过构建1049种城市表面模型(USMs)场景，结合计算机模拟与实地观测，揭示了ΔCA受热惯性(279–739 W·s1/2 ·m?1 ·K?1 )、建筑-街道高宽比(H/W)和太阳位置的协同调控规律，发现正午低热惯性与低高宽比(<1.5)组合下ΔCA可达30°以上。该研究为优化UTA核驱动模型提供了关键理论支撑。

　　

在城市气候研究中，卫星热红外遥感获取的城市表面温度(UST)数据存在显著视角依赖性差异，其核心矛盾源于城市热辐射各向异性(Urban Thermal Anisotropy, UTA)现象。当传感器从不同角度观测时，建筑立面与地面的热辐射贡献比例差异可导致超过10.0 K的UTA强度，严重制约了UST数据的精度。尤其值得注意的是，UTA的空间分布模式中热点（最高辐射温度方向）往往与太阳位置存在明显角偏移(Hotspot-Sun Angular Offset, ΔCA)，这种偏移对理解UTA形成机制和开发校正模型至关重要。然而，ΔCA的日变化和季节变异规律，以及其与城市形态、热惯性等因子的定量关系，始终是领域内亟待解决的科学难题。

针对这一知识空白，南京大学等单位的研究团队在《Remote Sensing of Environment》发表了突破性研究。通过整合12类典型城市表面模型(USMs)的1049种场景数据，结合计算机正向模拟与实地测量，系统解析了ΔCA的时空分布特征及其控制机制。研究发现ΔCA主要分布在10°–30°区间，呈现双峰月变化模式（4月和8月峰值25°，夏至前后谷值15°）和正午突出的日变化特征。热惯性(279–739 W·s^1/2
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)、建筑-街道高宽比(H/W)与太阳天顶角(SZA)的交互作用是驱动ΔCA变异的关键因素，其中低热惯性与低高宽比(<1.5)组合在5-8月正午可产生超过30°的显著偏移。

研究采用多技术融合方法：基于12种USMs构建三维辐射传输模型，量化各表面组分（屋顶、墙面、地面等）的温度贡献；通过蒙特卡洛光线追踪模拟全角度热辐射分布；结合实地无人机热红外测量验证模型精度；采用球面圆周角(ΔCA)、方位角(ΔAA)和天顶角(ΔZA)三指标系统表征热点偏移。

主要研究发现包括：

1. 不同USMs的ΔCA变异特征：USM03（低层密集建筑）呈现最显著季节差异（冬夏ΔCA差达15°），而植被覆盖型USMs的ΔCA普遍降低5°–8°。
2. 热惯性与高宽比的协同效应：当热惯性<500 W·s^1/2
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   且H/W<1时，ΔZA（主导ΔCA变异）对热惯性敏感度提升3倍。
3. 太阳位置的双重调控：小SZA(<20°)场景下，太阳直射屋顶/地面导致热点-太阳空间邻近(ΔCA<15°)；而大SZA下墙面辐射主导使ΔCA增大至25°–35°。
4. 时空变异规律：日变化呈正弦曲线，夏至正午出现"正午低谷"现象；年变化显示4月/8月双峰与5-7月低谷的独特模式。

该研究首次建立了UTA热点偏移的多因子定量响应模型，揭示热惯性通过温度相位滞后效应导致热点方位角滞后(ΔAA<0)，而低高宽比通过增强墙面辐射贡献促使热点天顶角超前(ΔZA>0)。这些发现不仅深化了对UTA三维辐射传输机制的认识，更为开发新一代核驱动模型提供了关键参数化方案——建议在模型中引入热惯性动态修正模块，并对5-8月正午时段的低热惯性城市区域设置30°以上的ΔCA默认值。

Wenfeng Zhan和Lu Jiang领衔的研究团队特别指出，未来UTA研究应重点关注异质城市形态下的热辐射耦合传输过程，并建议将热惯性参数纳入城市气候遥感产品分级体系。这项成果对提升全球城市热环境监测精度、优化城市热岛缓解策略具有重要实践价值，也为月球/火星基地等极端环境下的人造结构热辐射研究提供了方法论借鉴。