科研动态 | 我院本科生在城市昼夜热环境调控机制研究方面取得新进展

研究背景

城市热岛效应是全球许多城市面临的重大环境问题，尤其在高温灾害频发的地区，地表温度（Land Surface Temperature, LST）异常升高对城市居民的健康和城市基础设施的可持续性构成了威胁。然而，现有的研究大多集中于单一尺度的数据分析，缺乏对城市形态特征和环境因素在不同时间尺度下（特别是昼夜变化）对热效应的综合分析。

为了解决这一问题，本文以美国德克萨斯州特拉维斯县为研究区域，提出了一种综合框架，结合城市形态特征和环境因素，通过地理探测器（GeoDetector, GD）和地理加权回归（Geographically Weighted Regression, GWR）方法，系统探讨了城市形态特征对地表温度日变化的影响，并分析了其空间异质性和非线性交互效应。通过这一框架，本文为城市热岛效应的多维分析提供了新思路。

图1  2014-2023年德克萨斯州奥斯汀极端高温天数（体感温度≥105°F）趋势图
 

研究内容

本文构建了一套综合的城市形态指标体系，该体系涵盖了建筑格局、土地覆盖分类、环境特征等6个维度。具体包括了 12 个城市形态学指标，涉及建筑面积、天空可视因子、不透水面比例、基础设施密度、绿化覆盖率等。这些指标反映了城市在不同尺度上的物理特性，能够有效表征城市热岛效应的空间异质性及其日夜变化。

图2 研究构建的街区尺度形态指标体系

本研究进一步使用地理探测器和地理加权回归两种空间统计方法，分析了日夜地表温度变化。地理探测器识别了影响地表温度变化的关键因素，并揭示了城市形态特征与地表温度的非线性交互作用。地理加权回归模型则计算了日夜各因素的回归系数，揭示了不同城市区域内热岛效应的强度和差异，为热岛缓解策略提供了重要依据。

图3 研究框架

研究结果

1 景观和环境指标的空间聚类模式

研究区域内所有变量的空间分布呈现显著的非平稳性。昼夜地表温度明显反映了城市热岛效应，核心区域白天最高温度超过 40°C，夜间热滞留效应较为显著。此外，地块面积、建筑覆盖率、不透水表面覆盖率和道路网络密度在市中心和交通走廊沿线集中，而植被覆盖率、树冠覆盖率和NDVI则在郊区绿地和水体附近表现出较高的值，揭示了空间分布的多样性和复杂性。

图4 特拉维斯县城市形态变量和地表温度的空间分布及全局莫兰指数统计量

2 景观和环境因素对地表温度的空间显性影响

各种城市形态和生态因素并非独立地调节地表温度（LST）的空间格局，而是通过耦合相互作用共同影响其空间异质性。图4展示出不同变量对LST空间异质性的交互作用，颜色代表不同的交互类型（非线性增强、双因素增强、减弱）。几乎所有建成环境和生态因素的组合都表现出不同程度的协同增强效应。

图5 景观和环境因素对昼夜地表温度空间异质性的交互作用。
 

3 重新思考地表温度模式的空间驱动因素

GWR揭示了某变量在不同的空间位置上对LST的影响方向与强度。核心发现为(1) 建成强度的增加会显著促进白天地表热量积累。(2) 植被在夜间通过促进热量释放和提升局地冷却效率，对缓解热滞留发挥着关键作用。

图6 景观和环境因素对白天地表温度的影响，灰色区域表示局部地理加权回归系数不具有统计学意义（p ≥ 0.05）的区域。

图7 景观和环境因素对夜间地表温度的影响，灰色区域表示局部地理加权回归系数不具有统计学意义（p ≥ 0.05）的区域。

发表信息

本文于2025年12月被城市信息学领域国际期刊《Urban Informatics》接收，题为“Exploring the Influence of Urban Land Use and Morphology on Diurnal Heat Variation: Insights from Travis, Texas”。我院23级本科生陈桓、23级硕士研究生杜晨曦和23级博士研究生韩汀为论文的共同第一作者，先进遥感技术团队陈一平教授为论文的通讯作者。我院博士研究生王梓璇、重庆大学管理科学学院博士研究生蒋怡非、河海大学地理与遥感学院苏红军教授和广州大学地理科学与遥感学院张新长教授为论文的合作作者。本研究受国家自然科学基金 (项目编号：42371343)和广东省基础与应用基础研究基金(项目编号：No.2024A1515010986)的支持。