受行政边界限制的城市热岛效应评估：方法框架与比较分析

《Sustainable Cities and Society》：Urban Heat Island Assessment Constrained by Administrative Boundaries: Methodological Framework and Comparison Analysis

　　中国2871个县级行政单元2003-2020年UHII量化研究采用行政边界约束的城市农村选择法（ABC-URS），解决了传统方法中城市边界不统一和农村参考区选择不一致的问题，通过动态搜索策略优化空间可比性。比较发现AP法得出的年均UHII（0.17-0.40℃）显著低于LST法（0.76-1.03℃），但更接近SAT法（约0.27℃）。不同温度指标显示显著差异，有效温度（ET）法UHII年均值最低，净有效温度（NET）法最高。研究建立了标准化的UHII量化框架，提升了跨区域和跨尺度研究的可比性。

　　
城市化进程加速导致城市热岛效应（UHI）问题日益突出，该效应通过对比城市与周边乡村的温度差异反映区域热环境压力。城市热岛强度（UHII）作为核心评估指标，长期面临两大技术瓶颈：一是城乡边界界定缺乏统一标准，导致不同研究间的空间可比性受限；二是现有温度指数（地表温度LST、气温SAT、体感温度AP）的关联性分析不足，影响评估结果的系统性。针对这些问题，研究团队提出行政边界约束型城乡区域选择（ABC-URS）方法，构建了包含稳定行政单元划分、动态参考区域筛选的双重技术框架。

在方法论创新方面，ABC-URS方法突破传统依赖物理边界（如建筑用地）的局限，将中国县级行政区作为基本单元进行空间解构。通过建立行政边界约束下的动态搜索机制，研究团队实现了城乡区域界定的标准化：首先依据2003-2020年卫星遥感数据提取全国2,871个县级行政单元，利用夜间灯光数据识别城市建成区；其次开发多层级缓冲区筛选算法，在保证行政单元完整性的前提下，自动匹配适合作为乡村参考区的自然或人工边界区域。该技术突破传统固定阈值方法的时空局限性，特别是在快速城市化区域（如长三角、珠三角），有效解决了城市扩张导致的边界模糊问题。

温度指数的对比分析揭示了多维热环境特征：LST数据受地表反射率和大气穿透率影响，普遍显示较高的热岛强度（0.76-1.03℃），而SAT数据受气象观测站点分布影响，热岛强度显著降低（约0.27℃）。体感温度AP的引入则呈现出独特规律，其有效温度（ET）和净有效温度（NET）的差异化表现值得关注。研究数据显示，AP系统能更精准地反映人类热舒适感知，其年均热岛强度（0.17-0.40℃）显著低于LST但与SAT存在0.1℃级偏差，这种差异在季风气候区尤为突出。

空间异质性分析发现，热岛强度呈现显著地域分异特征：长三角和珠三角城市群因高强度开发与密集人口聚集，LST、SAT和AP热岛强度均达到峰值（1.2-1.5℃）。气候类型对热岛效应存在调节作用，温带季风区LST热岛强度较亚热带湿润区高出0.3℃，而干旱半干旱区AP热岛强度因植被覆盖稀疏呈现独特波动模式。值得注意的是，超过65%的县级单元AP热岛强度与LST存在反向关联，这可能与不同温度指数对湿度、风速的敏感度差异有关。

技术框架的优化体现在三个方面：其一，建立行政边界约束下的多尺度空间分辨率匹配机制，确保2003-2020年数据的时间连续性；其二，开发融合夜间灯光、地形数据和气象条件的动态参考区筛选算法，有效规避传统缓冲区方法中人为干预过度的缺陷；其三，构建包含12项关键温度指标（涵盖LST、SAT、AP三个体系）的评估矩阵，通过机器学习模型建立跨指标关联模型。

在数据应用层面，研究整合了多源遥感数据与气象观测数据：LST数据采用多角度热红外遥感反演，重点处理云层遮挡问题；SAT数据融合地面站点与卫星观测，建立时空插值模型；AP系统创新性地引入湿球 globe温度（WGT）修正项，提升复杂气候条件下的预测精度。质量控制体系包含四重验证：行政单元独立性验证、季节代表性检验、极端天气干扰评估和跨指标相关性分析。

研究结论对热岛效应评估具有三重指导价值：首先，提出"行政边界-动态缓冲区"双约束模型，解决了快速城市化区域的空间可比性问题，使跨年度、跨区域的热岛强度比较成为可能；其次，建立温度指数协同评估框架，揭示不同指标在表征热岛效应时的优势互补性，为选择适用评估方法提供决策依据；最后，发现气候-地理-人类活动三重交互作用机制，特别是东亚季风区水热耦合效应与青藏高原地形阻隔效应，为区域差异化管理提供科学支撑。

实践应用方面，研究团队开发了ABC-URS评估系统，该系统具备三大功能模块：①行政单元热岛效应自动解算器，支持多尺度（县-市-省）分析；②温度指数协同评估平台，提供可视化对比图谱；③决策支持模块，可依据热岛强度阈值自动生成城市热环境分级预警。系统已在12个典型城市进行实测验证，结果与红外测温、气象站观测数据的相关系数均超过0.85。

该研究对城市热环境治理具有重要启示：在长三角城市群，LST高估热岛效应达40%，建议优先采用AP指标进行公众热舒适评估；在西北干旱区，SAT与LST的协同使用可提升极端高温预警的准确性；而珠三角地区夜间灯光数据与AP系统的结合，能有效监测商业区与居住区的热岛效应差异。研究提出的"三维协同评估"模型（空间分辨率、时间连续性、指标系统性）为制定城市热岛效应防治标准提供了技术框架，特别对编制《国家城市热岛效应监测指南》具有重要参考价值。

后续研究可拓展三个方向：①开发基于数字孪生技术的实时动态评估系统；②构建跨气候区、跨行政层级的UHII数据库共享平台；③探索人工智能模型在预测未来城市热岛强度中的应用。当前研究已实现数据产品的标准化输出，包括年度热岛强度分布图、气候敏感性指数图谱和城市热环境压力等级评估报告，相关成果可通过国家青藏高原环境数据中心（http://data.tpdc.ac.cn）获取原始数据，全球夜间灯光数据平台（https://doi.org/10.7910/DVN/YGIVCD）提供辅助数据支持。