《Marine Environmental Research》：Quantification of Marine Cooling Effect and Driving Mechanism along Beibu Gulf Coastal Areas
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本研究基于多时相Landsat 8数据，结合Spearman相关、LISA和OPGD分析方法，量化广西北海湾海洋冷却强度（MCI）与距离（MCD），揭示其季节动态及蓝绿灰空间、景观破碎化的驱动机制，为亚热带沿海城市规划提供参考。
秦正宇|姚作芳|潘元乐|杨飞
中国广西大学海洋科学学院南海珊瑚礁研究实验室，南宁530004
摘要
全球变暖和城市化加剧了对城市居民的热量威胁。海洋冷却效应（MCE）对于缓解沿海城市的热量问题至关重要，然而在亚热带近岸地区，人们对这一效应的季节性动态及其潜在驱动因素仍了解不足。以广西北部湾为例，本研究结合了多时相Landsat 8地表温度数据集，使用Spearman相关性分析、局部空间自相关（LISA）和最优参数地理检测器（OPGD）方法来量化MCE，通过海洋冷却强度（MCI）和海洋冷却距离（MCD）来表征，并剖析其时空异质性和驱动机制。研究结果显示出明显的季节性变化规律：MCI在夏季达到峰值（最高23.75°C），而在秋季最低；MCD在春季达到最大内陆范围（750米）。高强度冷却效应主要集中于沿海港口区和密集的灰色空间城市核心区，而蓝色空间和绿色空间丰富的区域则表现出较弱的冷却效果。灰色空间在不同季节对MCI具有持续的正面影响（夏季相关性系数q > 0.55），蓝色空间仅在春季扩展MCD范围，绿色空间则通常会缩短其距离。景观破碎化（ED、LSI）在大多数季节都会削弱冷却效果，这突显了空间连续性在促进MCE中的作用。不同季节中驱动因素的相互作用也有所不同。蓝色-灰色空间的协同作用全年都对MCI产生了最强的非线性增强效应（相关性系数q > 0.60），表明混合的陆水配置加剧了陆海界面的冷却对比。MCD的传播在春季受蓝色建筑与水域的耦合作用（AI_BS × ABH，相关性系数q = 0.34）影响，在夏季受灰色-绿色空间的耦合作用（AI_IS × LPI_GS，相关性系数q = 0.26）影响，而在秋季则受到多种因素平衡作用的影响。这些发现揭示了灰色空间、蓝色空间和绿色空间如何单独及相互作用调节沿海热环境的季节性变化。该框架为诊断和优化气候适应性沿海城市规划中的蓝-绿-灰色空间格局提供了可借鉴的指标，有助于最大化亚热带地区密集建设港口城市的冷却效益。
引言
随着全球变暖和城市化的加剧，城市热岛效应变得日益严重，表现为城市内空气和地表温度高于周边非城市地区，从而增加了居民面临的热量威胁[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。为了有效缓解城市热岛效应，研究城市冷却效果及其关键驱动因素已成为全球城市气候研究的核心重点[7]、[8]、[9]、[10]。
先前的研究表明，城市热岛效应的缓解或冷却受到多种自然和人为因素的影响，包括蓝色空间、绿色空间和灰色空间[11]、[12]、[13]。蓝色空间（如湖泊、河流、湿地和海洋）通过蒸发冷却和与周围地表的热交换有效降低局部地表温度（LST）[12]、[14]、[15]。夏季白天，湖泊可使周围温度降低1.0–5.0°C，冷却范围可达300–500米[16]、[17]；河流在河岸带和下风区域具有特别强的冷却效果[18]。相比之下，由于海洋具有较高的热容量和稳定性，可以将沿海城市温度降低20°C，冷却范围超过1000米，这在缓解沿海地区城市热岛效应方面具有明显优势[19]、[20]。绿色空间（如森林、草原和灌木丛）通过遮荫和蒸散作用减少城市地表热量积累[11]，其冷却效果与面积、形状复杂性、植被健康状况和空间布局密切相关[21]、[22]、[23]，通常可使夏季白天周围LST降低1.0–3.5°C，冷却效果范围为100–500米[24]、[25]、[26]、[27]。大型森林和连续的绿色走廊可以产生明显的局部冷岛效应[28]。相比之下，灰色空间（主要由道路、广场、建筑物和裸露土地等不透水表面组成）在白天吸收和储存热量，夜间缓慢释放，从而维持城市热岛效应[13]。灰色空间占比高的区域通常表现为LST比周边地区高1.0–4.5°C，在50–300米范围内具有显著的热影响[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。
水体对城市热环境的冷却过程也受到多种因素的综合影响，如水体类型、城市形态和景观格局[34]、[35]、[36]、[37]。不规则形状和水体高聚集度会增强水体的冷却效果，而较低边界复杂性的水体可能降低冷却潜力[18]。高层建筑作为城市形态特征之一，会阻碍空气流通和冷空气扩散，从而减弱水体的冷却效果[38]；密集分布的建筑物可能会减弱大型水体（如海洋）的冷却作用[20]。即使在高建筑密度和占地面积比配置下，水体也能缓冲LST的升高[39]。土地覆盖格局直接影响地表热量的吸收和释放，绿色空间和建筑物的布局应协同作用于水体的冷却效果，这突显了全面揭示水体冷却机制的必要性。
与内陆水体相比，海洋在冷却效果的时间稳定性和空间范围上具有优势[40]。海洋的冷却作用不仅限于相邻的沿海区域，还在缓解沿海城市热岛效应方面发挥着关键作用，因为海洋的蒸发冷却及其与陆地的巨大热量交换可以通过风驱动过程快速扩散到更大范围[41]。目前，海洋冷却效应（MCE）对沿海地表温度（LST）的量化主要采用两种方法：基于流域的计算方法和根据距海岸线距离拟合LST变化的方法。基于流域的方法将LST场视为热地形，并利用坡度约束进行水文流域划分以确定海洋冷却边界[19]。通过海洋冷却距离（MCD）和海洋冷却强度（MCI）来研究LST随距海岸线距离的变化以及海岸线与内陆地区的LST差异，这两种方法被广泛用于MCE评估[20]、[42]、[43]。此外，遥感指数为大规模、多时相的空间监测和评估城市热缓解提供了定量信息，例如LST与归一化植被指数（NDVI）和修正归一化水体指数（MNDWI）呈负相关，而与归一化建筑指数（NDBI）呈正相关[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。有研究表明，海洋在大连海岸线的冷却潜力具有100米的空间分辨率[43]。在长江三角洲，海洋冷却效应主要分布在距海岸线1-5公里范围内，使用空间分辨率为1公里的MODIS影像光谱辐射计（MODIS）LST数据[19]；而在厦门，使用空间分辨率为30米的Landsat LST数据估计海洋引起的平均冷却范围约为2.1公里[49]。在粗空间分辨率下量化海洋冷却效果可能会限制对细尺度冷却效果和范围的准确检测[19]。此外，一些冷却指数显示，在不同气温条件下，海洋冷却效率（MCE）存在显著的季节性差异[20]。总体而言，城市区域的海洋冷却效果存在明显的时间和空间异质性，目前高分辨率下的定量研究仍然相对不足。尽管关于沿海城市MCE的研究逐渐增多，但仍存在两个关键空白：（1）将MCE与绿色空间、灰色空间、建筑因素和景观指标整合在统一框架内的定量分析较少，多因素相互作用机制尚未得到充分理解；（2）缺乏对MCE季节性模式的系统描述，因为大多数先前研究仅关注单一时期或有限的时间序列。
因此，本研究整合了多源遥感数据和空间统计方法，旨在：（1）揭示不同季节海洋冷却效应的时空差异；（2）定量评估蓝色-绿色-灰色空间格局、景观指标和建筑因素对海洋冷却效果的驱动机制；（3）探索多因素相互作用在MCE中的综合调节作用，为优化沿海城市的热环境和提高气候韧性提供科学参考。
研究区域
本研究以广西北部湾沿海地区作为研究区域，该地区位于中国海岸线的西南端，包括防城港（FCG）、钦州（QZ）和北海（BH）等城市（图1）。由于这些城市的纬度相似，可以有效地减少纬度变化对冷却分析的影响。该地区具有典型的亚热带气候特征，夏季炎热多雨，冬季温和干燥。
MCE的时空异质性
图4展示了不同季节的计算MCI值分布。春季MCI范围为-4.163°C至19.420°C，夏季为0.242°C至23.749°C，秋季为-0.293°C至16.429°C。夏季的MCI平均值和最大值最高，其次是春季，秋季的冷却效果最弱。从空间上看，高MCI区域（图4a-c）主要集中在城市化港口区，并且在不同季节中保持一致。
MCE的时空异质性
本研究定量分析了沿海地区MCE的时空异质性，揭示了海洋对沿海城市热环境冷却效果的显著季节性和空间变化。对于海洋冷却强度（MCI），夏季的冷却效果最强，其次是春季，秋季最弱。由于水的比热容高于陆地，相同条件下海洋表面的升温速率明显较慢。
结论
本研究利用遥感海表和地表温度数据开发了一个多时相框架，用于量化广西北部湾的海洋冷却强度（MCI）和海洋冷却距离（MCD）。通过结合相关性分析、空间自相关和最优参数地理检测器（OPGD），系统地探讨了海洋冷却效应（MCE）的时空异质性和驱动机制。主要结论如下：
(1)MCE
作者贡献声明
姚作芳：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论设计、资金获取、数据管理、概念构思。秦正宇：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、监督、项目管理、方法论设计、数据管理、概念构思。杨飞：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、监督、项目管理、方法论设计、资金获取、数据分析
数据可用性声明
本研究使用的所有数据均来自参考文献中引用的公开来源。本研究开发的数据分析代码可向相应作者索取。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
资助
本研究得到了中国自然科学基金（项目编号42171079）、广西科技重大项目（项目编号AA24263011）、广西重点研发计划项目（项目编号AB24010117）和广西科技计划项目（项目编号AD25069075）的支持。
声明利益冲突
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢审稿人付出的宝贵时间和努力，以及他们对提高论文质量的帮助。
