基于旋转扫描半变异函数模型(RSSM)的武汉城市热岛效应空间异质性定量评估

为解决城市热岛效应(SUHI)空间足迹(SUHI FP)和强度(SUHII)量化中行政边界主观性和模型预设局限性问题，Caiyue Meng团队提出融合空间自相关与各向异性的旋转扫描半变异函数模型(RSSM)。通过1 km分辨率地表温度(LST)数据，揭示武汉2000-2022年夏季热岛呈"西高东低、南强北弱"的空间异质性，发现2015年后热岛扩张趋缓，为城市生态规划提供数据驱动新范式。

　　

在全球城市化进程加速的背景下，城市热岛效应(Urban Heat Island, UHI)已成为最突出的城市气候问题之一。随着全球超过半数人口居住在城市区域，且这一比例预计将在2050年达到67%，高强度人类活动显著改变了城市地表特征和能量平衡。作为城市化对区域环境影响的重要体现，UHI不仅影响城市植被物候和水文循环，更会加剧能源消耗并威胁公共健康。然而，现有UHI量化方法存在两大瓶颈：一是依赖主观划定的行政边界，二是忽视热岛效应的空间异质性（各向异性）。这些局限性导致不同研究结果难以直接比较，严重制约了精准评估和科学应对。

针对这一科学难题，武汉理工大学资源与环境工程学院的Caiyue Meng、Jiejun Huang等研究者在《Environmental and Sustainability Indicators》发表创新成果。团队提出旋转扫描半变异函数模型(Rotational-Scan Semi-variogram Model, RSSM)，通过整合空间自相关理论和各向异性分析框架，实现了对地表热岛效应(Surface UHI, SUHI)空间足迹(Footprint, FP)和强度(Intensity, SUHII)的客观量化。研究选取中国中部特大城市武汉为案例，采用国家青藏高原科学数据中心发布的1 km分辨率全天候地表温度(Land Surface Temperature, LST)数据集，时间跨度为2000-2022年夏季（6-8月）数据，通过Delta空间降尺度方法重建并经过496个独立气象站点验证。

关键技术方法包含：1）建立以城市几何中心为原点的极坐标系，设置36个搜索方向（10°间隔）的旋转扫描窗口；2）采用球状模型拟合各方向半变异函数，计算空间相关长度(Spatial Correlation Length, CL_θ)；3）通过多环缓冲区分析确定最优背景参考区(Background Reference Area, BRA)；4）基于温度相对差异法计算标准化SUHII，并将其划分为5个等级。

研究结果揭示：

1. 1.

   空间异质性特征

   通过RSSM模型量化发现，武汉SUHI FP呈现显著各向异性，12个方向的CL_θ标准差达10.4 km。热岛空间分布呈现"西高东低、南强北弱"格局，这与"两江三镇"的地理布局高度吻合。长江、汉江、梁子湖等大型水体构成天然低温屏障，形成热岛辐射的"峰-谷"交替模式。

2. 2.

   时空演变规律

   2000-2022年间武汉SUHI FP面积增长129%，从3697.3 km²扩展至8467.2 km²，其中2005-2014年为快速扩张期，主要向东北、西和西南方向延伸。值得注意的是，2015年后热岛扩张速度减缓，2020年后甚至出现局部缩减，这与武汉市"六湖连通"生态工程实施及疫情期人类活动减少相关。

3. 3.

   强度等级演化

   SUHII分级显示：2000-2004年低强度区占比55%，2010-2014年极高温区域达到峰值，2015年后极高温区域减少31 km²，与湖北省气象局观测数据误差<15%。缓冲区分析确定最优BRA位于SUHI FP边界外15 km处，该区域温度波动最小且受邻近城市干扰最少。

与传统方法对比验证表明：RSSM计算的热岛范围显著大于城乡二分法（行政边界法）和温度递减法，t检验显示差异极显著(p<0.01)。其优势在于：1）捕捉热岛核心区外围的辐射影响范围；2）自适应选择BRA避免主观阈值偏差；3）通过36方向扫描精准反映空间异质性。

该研究创新性地将地统计学方法应用于城市热环境研究，为解决UHI量化中的"边界困境"提供了可靠方案。提出的RSSM框架具有三大应用价值：1）为不同气候区城市热岛效应比较建立统一标准；2）识别热岛缓解策略的优先实施区域；3）支持城市扩张与生态保护的协同规划。未来研究可结合更高分辨率遥感数据（如Landsat）提升微尺度分析能力，并探索该方法在城市群热岛交互作用研究中的适用性。