解析城市热岛效应加剧的气候与人为驱动因素：快速城市化的机构依托型洪泛区城镇的 GWR–UTFVI–RF 框架

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Disentangling Climatological and Anthropogenic Drivers of Urban Heat Island Intensification: A GWR–UTFVI–RF Framework for a Rapidly Urbanizing Institutionally-Anchored Floodplain Town

　　

摘要
在生态脆弱的洪泛区环境中，制度性锚定城镇的快速城市化正在重塑局部热景观，然而此类非都市中心城市热岛（UHI）加剧的空间驱动力却缺乏相关记录。本研究考察了阿萨姆邦恒河冲积洪泛区内一个小型政策驱动型城镇——曼加莱（Mangaldai）在 30 年间（1993–2023）的土地利用/土地覆盖（LULC）及热轨迹，使用了季风前窗口期（3 月下旬至 4 月上旬）的多传感器卫星数据，并整合了随机森林（RF）-地理加权回归（GWR）-城市热场方差指数（UTFVI）框架。研究期间，建成区扩大了 273%（从 0.67 km2 增至 2.51 km2），主要代价是植被的减少，植被占据了所有转变为建成区类别转换量的 84.1%。记录到 2023 年平均地表温度（LST）出现反直觉的下降（31.61°C 对比 2013 年的 34.43°C），尽管不透水面增加了 137%；这种“地表温度悖论”被追溯至异常高的季风前降雨量（r = -0.638, p < 0.001, n = 28），并通过特定的气象回归进行了统计学评估。GWR 在建模 LST 变异性方面优于全局普通最小二乘法（OLS）（R2 = 0.674 对比 0.382，提升了 76.4%），证实了潜在生物物理驱动因子存在显著的空间非平稳性。尽管绝对温度受到气象抑制，但生态热胁迫急剧加剧，“最差”UTFVI 类别在 2013 年至 2023 年间扩大了 17.5 倍。基于模型的 2033 年预测表明，建成区覆盖率接近饱和（80.7%），热舒适区将完全消失，估计地上碳储量损失为 11,886.15 Mg C（相当于 43,583 Mg CO?）。这些发现为解构热遥感中的气象混淆因素提供了一套方法论模板，并指出在制度驱动型洪泛区城镇中迫切需要实施空间针对性的蓝绿基础设施干预措施。

引言
快速且无规划的城市化是二十一世纪最普遍的土地表面转变之一，将可渗透的植被表面转化为不透水的建成区基质，并产生城市热岛（UHI）效应——这一现象的特征是城市边界内的地表温度（LST）相对于周围农村环境系统性升高（Oke, 1982; Voogt and Oke, 2003）。IPCC 第六次评估报告（AR6, 2021）正式指出，城市用地扩张及相关的土地覆盖变化是局部变暖、生态破碎化和地上碳储量耗竭的主要驱动因素，对全球气候减缓轨迹具有深远影响。UHI 效应的地表表现，即地表城市热岛（SUHI），通常通过卫星衍生的 LST 进行量化，使得在基于地面的传感器网络难以实现的空间尺度上进行多时间序列监测成为可能（Weng, 2009; Zhao et al., 2014）。

关于 UHI 动态的科学文献在过去二十年中大幅增长，然而这一知识体系存在明显的空间偏差。研究不成比例地集中于东亚、欧洲和北美的特大城市及高度工业化的都市地区，那里的数据可用性和研究基础设施丰富（Zhou et al., 2019; Santamouris & Zinzi, 2019）。这种严重的都市中心偏见造成了关于小型、快速城市化的非都市聚落热动态的关键知识真空，而这正是南亚和东南亚吸收最大增量城市人口增长的中心类别。在印度东北部的背景下，这一差距尤为尖锐：虽然最近的研究已经考察了古瓦哈提（Guwahati）的 LULC-LST 相互作用（Choudhury et al., 2023）以及迪布鲁格（Dibrugarh）和廷苏基亚（Tinsukia）的绿地动态（Hazarika et al., 2025），但较小的、制度性锚定的洪泛区城镇的热行为在当代文献中仍基本未被研究。在洪泛区所在的湿润亚热带城镇中，一个复合的方法论挑战是季风前（3 月至 4 月）降雨量的显著年际变率，这在旱季图像采集期间对卫星衍生的 LST 施加了强烈的、可测量的混淆冷却效应。正如 Laskar 等人（2014）所证明的，季风前的土壤湿度和大气条件可以显著抑制白天地表温度，产生的热信号可能被系统性地误解为城市热环境的改善，而实际上潜在的结构性热胁迫正在加剧。因此，将气象短暂性与人造热负荷区分开来，是此类地理区域进行严格纵向热评估的方法论必然要求。此外，LST 驱动因子的空间非平稳性——即植被冷却和建成区变暖效应在城市微景观中的幅度和方向存在变化这一现实——使得全局普通最小二乘法（OLS）回归模型从根本上变得不足。地理加权回归（GWR）通过允许回归系数在空间上变化，已被证明能显著改善异质城乡环境中的 LST 建模，如 Ivajnsic 等人（2014）针对一个欧洲小城市、Estoque 等人（2017）针对东南亚都市区以及 Eshetie（2024）针对亚的斯亚贝巴的研究所示，GWR 在解释力上始终比 OLS 基准提升 20-35%。然而，至关重要的是，据作者所知，尚无已发表的研究将 GWR 应用于解决以制度性驱动紧凑城市主义为特征的小型印度洪泛区城镇中的 LST 非平稳性问题。

曼加莱城镇是阿萨姆邦达尔朗县（Darrang District）的行政首府，代表了一个引人注目且未被充分研究的案例研究。该镇位于构造活跃的恒河冲积洪泛区内，经历了恒河谷地聚落中记录到的最快建成区扩张率之一，其驱动力并非传统的市场主导蔓延，而是印度“东向行动政策”（Act East Policy）下的集中式、政策强制的机构投资。自 2010 年代初以来，医学院、技能发展大学和区域癌症治疗中心的建立产生了复合的住宅和商业基础设施需求，产生了一种结构上独特、紧凑、以核心为中心的城市形态。这种模式与制度性锚定发展模式一致，其热后果可能代表了一种新的城市类型，对其研究可以为印度东北部数十个类似演变的三级城镇的规划政策提供信息。

解决这一差距需要不止一种分析视角：单纯的 LULC 变化无法揭示热模式为何在不同气象条件的年份中表现反直觉；单纯的气象混淆分析无法解释热量的生物物理驱动因子在紧凑的城市核心中哪里变化最为剧烈；两者都无法预测这种特定的制度性锚定增长轨迹将在未来十年如何重塑热胁迫和碳储量。因此，本研究将这三个组成部分——多时间序列 LULC/UHI 分析、通过 GWR 解决气象混淆以及基于 RF 的未来预测——整合到一个框架中，从而能够共同解决制度驱动型、非市场城市化如何重塑小型洪泛区城镇城市热胁迫的空间和时间维度的 overarching 问题。

本研究的具体目标是：
• (i) 利用 Google Earth Engine 中的多传感器卫星图像和随机森林分类，量化曼加莱在 30 年期间（1993-2023）的时空 LULC 转换和城市扩张轨迹。
• (ii) 识别、正式解决并统计表征由图像采集窗口期间降雨年际变率引起的“季风前地表温度悖论”背后的气象混淆，并使用地理加权回归（GWR）对 LST 驱动因子的空间非平稳性进行建模。
• (iii) 使用校准的 RF 转换模型预测 2033 年的城市扩张情景，并使用 IPCC 2006 一级框架评估未来的生态热恶化（UTFVI）及相关地上碳储量损失。

部分节选

研究区域
曼加莱城镇（26°26'N 92°01'E）是印度阿萨姆邦达尔朗县的行政首府，位于古瓦哈提东北约 68 公里处。市政边界涵盖的总行政面积为 5.94 km2，细分为 10 个选区。该镇占据构造活跃的恒河冲积洪泛区内的关键空间节点，特征为平坦的地形剖面和一个复杂的水文网络。它位于贝克河（Beki）南岸...

城市热岛动态与土地利用/覆盖变化
城市土地覆盖变化与地表温度增强之间的关系在遥感文献中已确立。植被向建成区的转换减少了蒸散发，增加了感热通量，并通过改变地表能量平衡提升了 LST（Weng, 2009; Zhao et al., 2014）。跨印度城市的研究一致记录了正相关的 LST-NDBI 关系和负相关的 LST-NDVI 关系。Choudhury 等人（2023）记录了显著的...

数据获取与预处理
获取了跨越 30 年（1993-2023）的多时间序列卫星图像，以捕捉曼加莱的城市扩张轨迹。每个时间点（1993 年、2003 年、2013 年和 2023 年）的 LULC 分类基于 3 月 1 日至 4 月 30 日的季风前合成数据，选择该时段以确保时间点之间的物候一致性并最大限度地减少云污染（保持在 <5%）。2013–2023 年热对比使用的 LST 检索采用了更窄的 3 月 25 日至 4 月 7 日采集窗口（第 4.3 节...

土地利用/覆盖时空动态（1993-2023）
分类后的 LULC 地图揭示了 30 年研究期间显著且加速的景观转变（表 4）。1993 年，植被在行政范围内占主导地位，为 4.53 km2（76.3%），而建成地仅限于 0.67 km2（11.4%）。到 2023 年，这一格局发生了剧烈逆转：建成区扩大到 2.51 km2（42.3%），而植被收缩至 2.72 km2（45.8%）。水体从 0.51 km2 边际下降至 0.37 km2，反映出...

制度性锚定城市化：独特的城市形态
曼加莱建成区在 30 年间增加了 273%，特别是在最近十年记录的 23 倍加速，使该镇跻身印度东北部文献中记录的任何地方快速城市化的小型中心之列。这一速度远超 Pawe 和 Saikia（2024）记录的 2002 年至 2015 年间大都市古瓦哈提 61.2% 的建成区增长，尽管古瓦哈提拥有更大的人口基数和传统的市场驱动增长压力。

结论
本研究提供了恒河流域内制度性锚定洪泛区城镇的首批地理空间热分析之一，填补了印度东北部城市气候学中的关键空白。在 30 年间（1993-2023），曼加莱经历了 273% 的建成区增加，最近十年的 23 倍加速在时间上与集中式的政策强制机构投资重合。季风前采集策略虽然是确保时间...

涉及人类/动物研究的声明
本研究不涉及人类参与者、人类数据或动物对象。本研究中使用的所有数据均源自公开可用的卫星遥感图像（Landsat 和 Sentinel-2）及次级地理空间数据集。本研究无需伦理批准。

未引用的参考文献
Ivajn?i? et al., 2014; IPCC et al., 2006; IPCC, 2021; Fotheringham et al., 2002.

注释
作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明
作者声明他没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

数据可用性声明
本研究中分析的卫星图像数据集可从 USGS EarthExplorer (https://earthexplorer.usgs.gov) 和 Copernicus Open Access Hub (https://scihub.copernicus.eu) 公开获取。气象数据（降水和皮肤温度）取自 ECMWF ERA5 再分析档案，可通过 Copernicus Climate Data Store (https://cds.climate.copernicus.eu) 公开访问。

关于写作过程中使用生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明
在准备本工作期间，作者使用了 Claude (Anthropic) 和 Gemini (Google) 以提高语言、语法、句子结构和稿件整体可读性的清晰度，并协助组织思想的展示。在使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

资助声明
本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定拨款。

利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

Krishnananda Deka
独立研究员，印度阿萨姆邦曼加莱