安第斯山脉厄瓜多尔昆卡市地表城市热岛的时空演变趋势

《Heliyon》：Spatial and temporal trends of surface urban heat islands in the Andean city of Cuenca, Ecuador

　　

本研究旨在评估厄瓜多尔昆卡市（海拔约2560 m a.s.l.）这一中等规模高海拔安第斯城市34年间（1989—2022年）地表城市热岛（Surface Urban Heat Island, SUHI）的长时间序列时空动态与强度。研究人员利用Landsat系列数据，分析SUHI演化过程，并重点探讨Landsat反演的地表温度（Land Surface Temperature, LST）与两个关键生物物理指标——归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）和归一化建筑指数（Normalized Difference Built-up Index, NDBI）——的相关关系，二者分别作为地表降温与升温机制的代理变量。结果表明，昆卡市SUHI效应显著且持续增强，研究期内SUHI强度（SUHI Intensity, SUHII）净增1.28 °C，由1989年的4.47 °C升至2022年的5.75 °C；城市区域平均温度始终高于周边非城市化区域4.47–5.75 °C。机制上，LST与NDVI呈负相关（R2=0.22–0.59），表明植被覆盖通过蒸散提供冷却；LST与NDBI呈强正相关（R2=0.47–0.59），表明不透水面及热质量表面增加显著加剧SUHI。该研究为高山安第斯环境下地表增温的幅度与长期趋势提供了实证，强调应以绿色基础设施与铺装材料选型为核心的气候响应型规划来减缓SUHI。

研究背景方面，快速城市化使自然植被与透水面向不透水建成面转化，改变局地表面能量平衡（Surface Energy Balance, SEB），诱发城市热岛。传统基于气象站气温的观测受空间覆盖限制，卫星反演LST因高空间分辨率与连续覆盖成为SUHI研究首选。既有全球SUHI研究多聚焦低地或沿海大都市，针对复杂高海拔安第斯中等城市的长时序（数十年）时空分析存在空白；厄瓜多尔境内基多、瓜亚基尔已有探索，但昆卡仅见基于站点的气温热岛研究，其卫星反演地表热景观尚未量化。为此，研究人员以昆卡（约2560–3100 m a.s.l.，Cfb海洋性西海岸气候，年均气温16.3 °C）为对象，假设1989—2022年透水面向不透水建成面转化（NDBI升、NDVI降）是LST上升主驱动，开展34年SUHI时空量化与生物物理关联建模，成果发表于《Heliyon》。

关键技术方法上，研究人员从Google Earth Engine获取Landsat 5 TM、7 ETM+、8 OLI/TIRS、9 OLI-2/TIRS-2的Collection 2 Level-2数据，统一选片条件为11月、0%云量、像元级QA过滤，反射波段重采样至30 m；LST采用Artis-Carnahan Planck函数法由亮度温度反演，地表发射率用NDVI阈值法估算植被占比求取；NDVI与NDBI按传感器波段对应计算；SUHI分区以LST均值μ加0.5倍标准差δ为界（SUHI区：LST>μ+0.5δ），SUHII定义为SUHI区与非SUHI区平均LST之差，热热点取LST>μ+2δ；LST–NDVI、LST–NDBI关系用简单线性回归（Simple Linear Regression, SLR）求R²与p值；精度交叉验证采用MODIS Terra MOD11A1产品算RMSE、MAE与Pearson相关系数。

研究结果部分，按原文小节浓缩如下：

3.1 节 NDVI与NDBI时空分布：1989—2022年城区NDVI均值由0.41波动至2022年0.24，市中心降至极低值，西南扩展区维持高值；NDBI均值在2001年最高（0.01）、2013年最低（?0.09），市中心持续高值。表明城市化导致植被减少、建筑面扩张。

3.2 节 LST时空分布：平均LST由1989年22.90 °C升至2022年30.07 °C，最大LST由32.49 °C升至42.76 °C；高温集中于市中心不透水交通与工业区，低温沿河岸与绿地分布。

3.3 节 SUHI与非SUHI空间分布：SUHI区平均LST由25.83 °C升至34.01 °C，非SUHI区由21.36 °C升至28.26 °C；SUHII由4.47 °C（1989）增至5.75 °C（2022），净增1.28 °C。

3.4 节 热热点识别：热点（LST>μ+2δ）稳定落于商业密集、人口高、植被少、金属屋顶与裸土区，1989—2022年空间叠加显示其向边缘扩展。

3.5 节 LST–NDVI与LST–NDBI相关性：LST~NDVI负相关系数R²由1989年0.39升至2022年0.59（p<0.001）；LST~NDBI正相关系数R²由0.47升至0.59（p<0.001），证实植被降温与建筑面升温机制并行增强。

3.6 节 LST验证：Landsat反演LST与MODIS比对RMSE 3.34–5.83 °C，MAE 2.37–5.65 °C，Pearson R 0.57–0.82，长时序产品可靠性可接受。

讨论部分总结：研究人员指出LST–NDVI负向、LST–NDBI正向关系在高海拔安第斯语境下与全球平原城市一致，NDVI标准差增大反映城乡表面极化；SUHII（4.47–5.75 °C）高于昆卡既往站点气温热岛（3.24 °C），系LST捕捉屋面路面辐射温度所致。相较里约热内卢等低地强SUHI（>7 °C），昆卡数值体现中等强度但受地形海拔梯度放大。方法上单时相11月晴空片牺牲昼夜季相变异，多传感器定标差与TIRS杂光为局限；未来应融MODIS/Sentinel-3补时间维、加NDWI/SAVI及机器学习解构非线性驱动。

结论部分翻译浓缩：34年时空分析确认昆卡这一高海拔安第斯中等城市SUHI显著增强，城区LST持续高于周边约5 °C；NDVI反向、NDBI正向关联印证不透水扩展与绿量损失为主因，热点向边缘蔓延。研究人员建议市政以城市造林、绿屋顶墙体、高反照率冷铺装材料削减感热，并将热脆弱性制图嵌入边缘区土地用途管控，以提升抗气候风险能力与公共健康。

Hermel Alvarez、Rasa Zalakeviciute、Santiago Bonilla、Danilo Mejía C 等作者的工作由CEDIA资助，数据依申请提供，无伦理冲突。