: 地表城市热岛与植被沿区域气候梯度的关系：以巴西东南部为例

《Sustainable Cities and Society》：Relationships between surface urban heat island and vegetation across a regional climatic gradient: the case of southeastern Brazil

　　

地表城市热岛(SUHI)是一种众所周知的现象，但关于城市和乡村植被如何沿区域气候梯度影响它，尚未建立共识。研究人员调查了分布在巴西东南部区域气候梯度上的69个地点的季节性和区域模式的白天地表温度(LST)、植被状况(NDVI)和SUHI。使用经过海拔校正的Landsat数据，SUHI被估计为城市中位温度与由LST的第5百分位数(p₅)定义的局部冷参考之间的差值。结果揭示了一个高达约7°C的区域LST梯度，与近地面气温一致。SUHI强度在南部夏季(DJF)最高，中位值达到约11°C，在干湿过渡季节(ASO)较弱，值达到约7°C。在夏季，当温度升高且区域温度梯度减弱时，SUHI的主导驱动因素是城市加热，因此它更强烈地受城市NDVI及其降温能力控制。相比之下，在干湿过渡期间，SUHI更多地受非城市温度影响，因此依赖于乡村NDVI，因为乡村生物量的季节性下降增加了背景温度并削弱了城乡热对比。在两个季节中，ΔNDVI始终是SUHI的稳健预测因子，突出了城市地表变暖的关系性质。SUHI并未显示出与区域温度梯度有明确的分类组织空间模式，但在夏季，它突出了领土东南部区域较冷地点(<5°C)的集群，而在最东北部区域，最高值(>8°C)聚集在一起。这些来自巴西东南部的结果表明，城市热缓解策略应强调城市植被的作用，特别是在夏季——当热浪更强时——因为它具有显著的局部降温能力。

论文解读文章

**研究背景、问题与意义**
全球城市化进程加速，城市热岛(UHI)现象日益显著，其中地表城市热岛(SUHI)通过遥感数据反演的地表温度(LST)表征，受植被覆盖显著调控。然而，现有研究多集中于单个城市或大尺度分析，缺乏对中小城市沿区域气候梯度时空模式的系统认知，且农村参考区的选择差异导致跨城市比较存在偏差。巴西东南部拥有从亚热带到热带的气候梯度（约7°C温差），土地利用高度异质（从原生大西洋森林到农业耕作区），为探究城市与乡村植被对SUHI的差异化影响提供了理想区域。研究人员旨在解析69个不同规模城市（人口约5000至2000万）沿气候梯度的SUHI时空变化规律，并量化城市与乡村植被的调控作用，为热缓解策略提供科学依据。该论文发表在《Sustainable Cities and Society》。

**关键技术方法**
研究人员利用Landsat 8热红外数据（2013-2025年），通过Google Earth Engine平台反演白天地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)。城市边界基于MapBiomas和Global Urban Boundaries定义，非城市区域为4公里缓冲区，并排除小面积建筑斑块。SUHI定义为城市区域LST中位数与总区域（城市+非城市）LST第5百分位数（冷参考）之差，以提供跨城市一致比较基准。样本队列涵盖巴西东南部圣保罗州69个地点，包括城市及连片都会区。关键方法包括海拔校正（-5°C/km递降率）、云掩膜处理、百分位数统计及时间序列构建。

**研究结果**
**3.1 Ts和NDVI的变异性**
通过时间序列分析，非城市区域LST(Ts_NU)和城市区域LST(Ts_U)均呈现季节性波动，Ts_U年均值（约32°C）高于Ts_NU（约30°C），夏季温差达6°C，冬季仅1°C。NDVI在非城市区域（年均0.63）显著高于城市区域（0.33），且季节振幅差异悬殊（乡村0.30 vs 城市0.09）。空间分布显示，夏季乡村NDVI相对均匀，而干湿过渡期呈现从南到北的梯度递减，反映农业管理（如甘蔗收割）和原生植被物候的影响。

**3.2 地表城市热岛(SUHI)**
基于冷参考的SUHI在夏季（DJF）中位值达6-11°C，干湿过渡期（ASO）降至4-7°C。空间上，夏季SUHI在东南部形成冷点簇（<7°C），在东北部形成热点簇（>8°C），但未与区域温度梯度建立明确组织模式。通过回归分析，SUHI在夏季主要受城市加热（Ts_U）驱动，与城市NDVI(NDVI_U)呈显著负相关（R2=0.36）；在干湿过渡期则受乡村温度（Ts_NU）主导，与乡村NDVI(NDVI_NU)呈正相关（R2=0.13）。城乡NDVI差（ΔNDVI）在双季均与SUHI显著正相关，夏季敏感性（斜率11.5）约为干湿过渡期（斜率4.9）的两倍。

**3.2.1 SUHI的区域控制**
对比Ts_U与Ts_NU线性关系，夏季两者呈比例偏移（R2=0.63），而干湿过渡期在高温区间两者趋近，表明乡村背景升温削弱了热对比。Ts与NDVI的负相关在乡村区域更显著（ASO：R2=0.84），城市区域离散度较高。SUHI对Ts_U的响应在夏季为正，对Ts_NU的响应在干湿过渡期为负，进一步验证了不同季节的主导驱动因素。

**3.3 人口规模**
人口规模与城市化面积呈幂律关系（P∝A^1.11），但SUHI与人口或面积均无显著关联，表明区域气候和乡村土地覆盖异质性对SUHI的变异性影响更大。

**讨论与结论**
**讨论总结**：研究证实LST与近地面气温存在差异，但区域梯度较为一致。乡村NDVI的高季节性与农业活动（如甘蔗、大豆、牧草）及原生植被（大西洋森林弱季节性 vs 稀树草原强季节性）密切相关。SUHI的夏季高值源于城市加热主导，干湿过渡期低值源于乡村背景温度升高（如休耕地、甘蔗收割后裸土）。与其他巴西研究相比，冷参考方法导致SUHI绝对值偏高，但SUHI2（城乡中位温差）与文献接近。人口规模未显著影响SUHI，提示城市形态和植被结构可能更为关键。

**结论翻译**：本研究调查了巴西东南部白天地表城市热岛的时空变异性。研究人员沿区域温度梯度分析了大量不同规模的城市，这种视角在南半球仍未被充分探索。作为农村参考，我们使用了LST的第5百分位数而非更常见的平均LST，为跨城市比较提供了一致基础，尤其是在农村环境差异显著的情况下。该方法允许将SUHI解释为城市地表与周围景观植被降温潜力之间的热对比。SUHI在南部夏季（DJF）最强，范围从6到11°C，主要由城市升温变异性驱动。在干湿过渡期（ASO），SUHI减弱至4-7°C，并反映了农村温度条件的更强影响。夏季，几个局部最大值聚集在域北部，但SUHI并未在区域上与气候梯度对齐。我们的贡献表明，SUHI沿区域梯度受到城乡植被对比的显著控制，并在两个季节中均发现SUHI对ΔNDVI的一致依赖，夏季敏感性约为ASO的两倍。夏季，当区域温度梯度减弱时，SUHI变异性与城市变量关系更密切，表明城市表面是主导控制因素。这指出了实际意义：城市内植被可作为对抗热应激的有效缓解机制，恰好在辐射强迫和背景气候有利于极端温度事件时。相反，干湿过渡期以更强的区域热梯度和更异质的农村土地覆盖为特征，在此期间SUHI主要受农村温度影响，因此依赖于农村NDVI。在这些条件下，植被的减少的蒸散量并未有助于降低冷参考温度，从而削弱了城乡热对比。这表明，在此期间，SUHI变异性更强烈地受背景气候和农村景观状态制约。我们注意到，SUHI强度并未显著受城市化面积大小影响，尽管圣保罗大都市是该地区最大的之一。这种行为可能与空气温度UHI（尤其是夜间UHI）形成对比，后者通常与城市规模更相关。这些观察激发了未来研究，旨在区分LST与空气温度，这对于整合过程如建筑物遮阳和城市通风至关重要，例如控制行人水平的热应激。最后，我们强调这些发现可能对旨在气候适应的公共政策和私人行动具有相关社会意义。我们的结果表明，缓解极端城市热的策略应优先考虑城市内植被，通过针对每个地点具体背景的绿色基础设施。在区域尺度上，仅关注控制城市扩张的政策应辅以对城市织物质量的更强重视，鼓励在中等和小型城市投资绿色基础设施，从而在日益加剧的热极端事件下，为更具韧性的城市环境做出贡献。