城市热岛效应与地表温度趋势的贡献：亚洲城市在城市梯度上的昼夜与气候差异

《Environmental Impact Assessment Review》：Urbanization effects and contributions on surface thermal trends: Diurnal and climatic differences across urban gradients in Asian cities

　　

• •
  高密度不透水区域扩张最快，主导了城市净增长。
• •
  平均地表温度随密度升高而上升，但长期趋势未呈现单调梯度。
• •
  高热状况并不一定意味着快速升温。
• •
  白天效应和贡献度增加，而夜间数值趋近于零。
• •
  暖气候城市在白天效应中表现出最清晰的密度梯度。

引言

快速城市化在全球范围内大幅改变了地表形态，将植被覆盖区和透水区域替换为不透水材料（Wei等，2024；Xiao等，2026）。这些变化改变了地表辐射、蒸散发、热量储存和能量分配，导致城市地区的地表温度（LST）高于其周边乡村环境（Yang等，2025a；Zhang等，2025）。升高的城市地表温度会加剧热暴露风险，并与区域气候变暖的不利影响产生叠加效应（Wan等，2025；Ye等，2025）。了解城市发展如何改变地表热状况，对于监测城市环境变化以及制定有效的减热策略至关重要。

不透水表面是城市发展强度的直接指标，已被广泛用于表征城市化相关的热效应（Xiong等，2026）。已有研究报告了不透水表面覆盖率与LST之间的正相关关系。高密度开发区域通常表现出比植被和透水土地比例更高的区域更高的温度（Liu等，2025a；Shi等，2023）。然而，城市区域通常被视为均质的空间单元，或简单划分为城市和乡村两类（Guo等，2025；Ji等，2026）。不透水表面密度反映了建成区开发的强度。低密度区域可能出现在新开发的外围地带，也可能存在于成熟城市区域内。中密度和高密度区域可能由填充开发、重建开发或既有建成区的渐进式密度提升所致（Lu等，2026）。外围扩张与内部密集化可以并存，并在同一城市内发生空间交织（Xie等，2027）。因此，密度等级应被视为不透水表面状态和开发强度的指示器。年度动态分类可以捕捉这些密度状态之间的转换。区分这些密度状态为考察城市内部与不同不透水开发水平相关的热异质性提供了一种途径。

现有的基于密度的研究主要考察了LST的空间变异（Peng等，2024；Tong等，2026）。然而，长期LST趋势是否在不透水表面密度梯度上存在系统性差异这一问题较少受到关注。热状况与热变化代表了城市热环境的两个不同维度。不透水表面密度高的区域可能由于累积的历史开发而维持较高的热状况（Sun等，2025；Zhou等，2022）。高密度区域通常含有较大比例的不透水材料，植被和透水表面较少。这些条件会降低蒸散发冷却效应并增加热量储存（Qiao等，2026）。相比之下，正在经历活跃土地转化的低密度区域，尽管其绝对LST值较低，但可能经历更快的温度变化速率（Yang等，2023）。这种土地转化会迅速改变植被覆盖、蒸散发和地表辐射条件。因此，热状况最高的区域不一定经历最快的升温。这种区别在使用固定的城市边界或静态密度分类时难以捕捉，因为城市扩张和密集化持续改变着城市的空间范围和内部构成。

城市热响应在白天和夜间以及不同的区域气候背景之间存在差异（Du等，2025；Jiang等，2026b；Yang等，2025b）。白天地表温度与入射太阳辐射和蒸散发冷却密切相关，而夜间温度则更多受储存热量释放和大气条件的影响（Ji等，2026；Zhao等，2024）。近期研究越来越多地通过分别分析白天和夜间LST、复合昼夜热暴露以及LST的季节变化来考察城市热环境的时间异质性（Liu和Zhang，2026；Zhang等，2024）。这些研究表明，白天和夜间的热状况可能表现出不同的轨迹，并对土地覆盖变化和环境控制的响应也不同（Zhang等，2026）。因此，不透水表面开发与白天和夜间不同的长期热响应可能相关。昼夜温差的变化为衡量日变化热对比的演变提供了额外的度量，但该指标在基于密度的城市研究中关注较少（Wang等，2026）。区域气候还通过调节植被状况来进一步影响这些关系（Deng等，2024；Wang等，2024a）。在赤道、干旱、暖气候和冷气候区之间进行大规模比较，对于确定与密度相关的热响应在不同环境背景下是否保持一致至关重要。

另一个挑战是将城市热变化与更广泛的区域背景趋势区分开来（Chakraborty等，2020；Gao等，2024；Liu等，2025a）。城市LST的上升趋势不能仅仅归因于城市发展，因为周边乡村区域也可能经历与区域气候变率和土地覆盖变化相关的变暖（Ouyang等，2022）。城乡趋势之间的差异为识别城市热轨迹偏离其区域背景的程度提供了一种途径（Li等，2025a；Liu等，2022）。然而，仅凭绝对趋势差异无法表明这种偏离相对于所观测到的城市趋势的显著性。将城市化效应与相对贡献度相结合，可以区分城乡偏离的绝对量级与其比例重要性（Tong等，2026）。尽管这些指标已在以往的城市化研究中被应用，但它们在动态变化的不透水表面密度等级之间的变化仍缺乏充分描述，尤其是在白天、夜间和不同气候区域中的表现。

本研究开发了一种综合方法，考察2000年至2023年亚洲城市在动态不透水表面梯度下的地表热状况。年度不透水表面被划分为低、中和高密度区域，并建立了相应的乡村参照区域以代表区域热背景。从MODIS观测数据中获取了白天LST、夜间LST和昼夜温差，并估计了每个空间单元的长期趋势。随后通过将每个城市密度等级的趋势与其对应的乡村参照区域进行比较，计算出城市化效应和相对贡献度。具体而言，本研究解决了三个问题：（1）平均LST和长期LST趋势在乡村、低、中和高密度区域之间如何变化？（2）城市化效应和相对贡献度在不透水表面密度等级之间有何差异？（3）这些与密度相关的热模式在白天与夜间之间以及不同区域气候带之间如何变化？通过将年度动态密度分类与城乡趋势比较相结合，本研究区分了热状况与持续的热变化。它进一步从密度特异性的视角提供了城市扩张和内部密集化的长期热后果。该框架可以通过提供热状况和变化的空间显式信息来补充现有的城市评估，从而支持不同密度和气候背景下的基线表征、影响筛查、减排优先级排序和后续监测。

各节摘要

研究区与数据

研究区域涵盖亚洲各地城市，包含在气候、城市发展强度和地理环境方面的显著变异（图1）。其覆盖赤道、干旱、暖气候和冷气候区域，既包括高度城市化的大都市走廊，也包括更为分散的城市体系（Sun等，2020）。这种广泛的地理和气候覆盖为考察不透水表面密度与区域气候如何相关提供了适宜的基础

方法

构建了一个分析框架，用于表征城市梯度下的地表热状况，并量化长期LST趋势的城乡差异及其对城市热变化的相对贡献（图2）。该框架包含三个主要组成部分。首先，划定年度城市范围及周边的乡村参照区域，并将城市区域分类为低、中和高不透水表面区域。其次，获取白天、夜间及昼夜

不透水表面密度的时空演变

亚洲城市的不透水表面密度等级表现出显著的空间异质性（图3a）。东亚地区分布范围最广且最为连续，中密度和高密度表面形成了大型城市集群。南亚地区在主要大都市区域和高度开发的平原周围也表现出广泛的渗透性开发，而中亚和西非则以更为分散的不透水表面分布为特征。在东南亚，不透水表面

密度梯度上的热分异

亚洲城市的热状况呈现出清晰的密度梯度。白天和夜间LST均从乡村背景经低密度和中密度区域逐步升高至高密度区域，证实了不透水表面密度与城市内部地表温度之间具有强关联。这一模式与以往报告的不透水表面与LST之间密切正相关关系的研究一致（Liu等，2025b；Zhou和Liu，2026

结论

本研究建立了一个框架，用于考察亚洲城市在动态城市密度梯度下的地表热状况。将不透水表面划分为低、中和高密度区域，并构建了相应的乡村参照区域以区分密度特异性的热变化与区域背景趋势。联合分析了白天LST、夜间LST和昼夜温差，利用其平均状况、长期趋势、城市化效应

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金资助[42171090]；以及哈萨克斯坦科学与高等教育部重大项目资助[BR24993222]。我们感谢匿名审稿人和编辑提出的宝贵意见，这些意见大幅改进了本文。

Tianyu Xu（许天喻）|Jie Gong（龚杰）|Ziantian Jin（金天天）|Zhangxi Ye（叶章希）|Yulong Dai（戴宇龙）|Imanmadi Duman|Ermekov Farabi Kerimbaevich