低纬度高原城市热环境时空格局与人类活动影响机制研究——以昆明为例

针对城市化加剧表面城市热岛效应(SUHI)的问题，本研究以中国低纬度高原城市昆明为对象，创新性构建累积人类活动强度指数(CHAI)，结合地理加权回归(GWR)和局地气候区(LCZ)框架，揭示了昼夜热环境异质性特征。研究发现夜间SUHI效应更显著且空间集聚，人类活动通过地形-气象因子协同作用强化夜间地表温度(LST)响应，为高原城市热环境优化提供了新视角。

　　

随着全球城市化进程加速，城市热岛效应(Urban Heat Island, UHI)已成为威胁居民健康和生活质量的重要环境问题。在低纬度高原地区，独特的地理气候条件使得城市热环境(Urban Thermal Environment, UTE)呈现出与平原城市迥异的特征。昆明作为典型低纬度高原旅游城市，其显著的昼夜温差和快速城市化进程，为研究人类活动与自然因素如何协同塑造城市热环境提供了理想案例。然而，现有研究多关注单一时间尺度的热岛效应，缺乏对昼夜差异的系统分析，特别是在特殊地理环境下人类活动影响的时空异质性机制尚不明确。

针对这一科学问题，云南大学的研究团队在《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》发表了最新研究成果。该研究创新性地整合Landsat和MODIS遥感数据，构建了30米分辨率的高精度昼夜地表温度(Land Surface Temperature, LST)数据集；开发了融合土地利用、夜间灯光、GDP、人口密度和旅游活动强度的累积人类活动强度指数(Cumulative Human Activity Intensity, CHAI)；结合地理加权回归(Geographically Weighted Regression, GWR)和地理探测器模型，系统揭示了高原城市热环境的形成机制。

研究采用的关键技术方法包括：基于辐射传输方程(Radiative Transfer Equation, RTE)的LST反演算法，利用MODIS昼夜温差率重建高分辨率夜间LST；通过主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)和层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)确定CHAI指标权重；运用标准偏差椭圆分析SUHI等级时空演变特征；采用贡献指数(Contribution Index, CI)量化不同局地气候区(LCZ)对热环境的贡献度。

3.1 LST反演结果与夜间LST构建
研究发现昆明LST呈现"东北高、西南低"的空间格局，主城区和东北部东川区为高温核心区。2013-2023年间，各县区日均LST波动上升，东川2023年达到峰值29.65℃。通过RTE算法反演的LST与MODIS产品具有良好一致性(R²>0.4)，验证了数据可靠性。夜间LST在滇池水体形成"热岛"的特殊现象，揭示了水体热惯性的昼夜差异。

3.2 昆明UTE时空变化特征
标准化SUHI等级分析显示，白天以正常岛为主(占比约50%)，强热岛集中在东北和东南部；夜间热岛空间集聚性更强，主要分布在北部山区和滇池周边。标准偏差椭圆显示，2013-2023年间白天强热岛重心向西北迁移1.2公里，而夜间冷岛则呈现东南向扩张趋势，反映城市扩张对热环境的空间重构作用。

3.3 人类活动对UTE的影响
CHAI指数显示人类活动强度呈现"单中心+多热点"空间格局，主城区为高值核心。GWR模型揭示人类活动对夜间LST的解释力(R²=0.84)显著高于白天(R²=0.77)。随机森林模型进一步表明，土地利用对昼夜LST变异的贡献度均居首位(白天PI=38.7%，夜间PI=29.5%)，而夜间灯光和旅游活动在夜间的影响更为突出。

3.4 低纬度高原背景下LST驱动因子交互作用
地理探测器分析发现，地形与人类活动因子存在显著协同效应。其中高程(DEM)与夜间灯光的交互作用q值达0.5682，呈现非线性增强特征，表明高原城市中地形对人为热量的再分配具有放大效应。值得注意的是，GDP与气压的交互(q=0.3360)揭示了经济因素通过改变局地气候条件间接影响夜间LST的独特机制。

4.1 人类活动对LST的增温效应及其空间异质性
LCZ体系分析显示，稀疏建成区(LCZ9)和开放低层区(LCZ6)对城市增温的贡献度最高(CI>0.15)，而密集树木区(LCZ11)则表现出持续冷却效应。研究首次在10米分辨率尺度验证了夜间LST与SDGSAT-1夜间灯光数据的空间耦合关系，发现商业区和交通干道呈现显著的"高-高"聚集模式(Moran's I=0.63)。

4.2 UTE昼夜差异及人类活动影响的时变特征
昼夜温差(ΔLST)分析表明，2023年昆明平均昼夜温差达18.9℃，但城市核心区ΔLST比郊区低3-5℃，反映人类活动通过改变地表能量平衡削弱了昼夜温差。这种"昼夜热环境解耦"现象在旅游热点区域尤为显著，可能与夜间商业活动和交通排放持续产热有关。

该研究通过多源数据融合和空间计量模型，系统揭示了低纬度高原城市热环境的形成机制与调控规律。创新性发现包括：人类活动对夜间LST的影响强度比白天高9%；滇池水体在夜间反常呈现"热岛"特征；稀疏建成区(LCZ9)对城市增温的贡献被长期低估。这些结论为高原城市气候适应性规划提供了重要科学依据，特别是对旅游型城市的夜间热环境管理具有实践指导价值。研究建立的CHAI指数框架和昼夜分析范式，可推广应用于同类型地理单元的城市可持续发展评估。未来研究需进一步整合多时相地面观测数据，以提升高分辨率LST反演的精度和机理解释的可靠性。