1. 引言
全球气候变化以温度升高为主要特征并对生态环境和人类社会可持续发展构成巨大挑战。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，2011—2020年全球地表温度比1850—1900年升高了1.1°C，导致极端天气事件愈加频繁和强烈。
城市化进程在很大程度上改变了城市局地气候，增加了城市人口热暴露风险，特别是在高温热浪期间。同时，城市热岛效应增加了能源消耗，加重了空气污染，导致人类发病率与死亡率上升，对人类健康、生产、生活等方面产生重要影响。
图1 研究区地理位置、遥感图像和LCZ分类
随着遥感技术的进步，高时空分辨率地表温度数据为城市热环境日循环动态研究提供了新的视角，有助于准确刻画城市地表温度时空变化规律，揭示城市热环境的昼夜成因与演变机制，从而为提升城市气候韧性和构建气候适应型城市，加快推进人与自然和谐共生的现代化提供理论依据和实践价值。
研究创新点
本文使用夏季（5—9月）昼夜10个时刻的ECOSTRESS LST数据，基于LCZ视角研究北京市六环内城市热环境日动态变化特征，分析不同时刻LCZ类间与类内SUHII差异特征规律。
2. 研究方法
2.1 研究区概况
北京市位于华北平原北部（39°26' N—41°03' N，115°25' E—117°30' E），总面积为16410.54km²。北京市地势西北高、东南低，属暖温带半湿润半干旱季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春秋短促。
近年来，人口增长和人为热排放增加对城市热环境造成巨大压力，城市温度（包括气温和地表温度）和城市热岛强度呈显著上升趋势，城市热岛足迹急剧增长，城市气候问题日益增多，尤其城市内部热环境叠加污染等问题，而且高温热浪等对于人居环境健康和可持续发展影响愈发明显。
2.2 数据来源与预处理
局地气候区数据
LCZ地图数据来源于世界城市数据库和访问门户工具（World Urban Database and Access Portal Tools，WUDAPT），空间分辨率为100m×100m。LCZ地图数据可以在整体上细化城市区域类型并表示微观土地利用/覆被和相关物理特性的典型组合。
地表温度数据
地表温度数据来源于美国国家航空航天局国际空间站生态系统星载热辐射计实验（ECOSTRESS）下的大气校正地表温度和发射率二级产品（ECO2LSTE）。该数据产品使用基于物理的温度发射率分离算法，通过8~12.5μm波长之间的5个热红外波段反演LST。
表2 所选地表温度数据采集日期的天气情况
| 日期 | 时刻（北京时间） | 天气 | 平均温度/°C | 气象条件 |
|---|---|---|---|---|
| 2022-05-22 | 00:54 | 晴 | 27 | 西风2级 |
| 2020-07-15 | 04:11 | 晴 | 28 | 西南风2级 |
| 2022-07-07 | 06:29 | 晴 | 29 | 南风2级 |
| 2023-06-15 | 08:00 | |||
| 2019-09-02 | 09:31 | 晴 | 26 | 南风2级 |
| 2020-08-11 | 10:42 | 晴 | 29 | 西南风2级 |
| 2022-06-18 | 13:41 | 晴 | 28 | 南风2级 |
| 2022-05-29 | 15:13 | 晴 | 26 | 西北风2级 |
| 2022-07-21 | 18:21 | 晴 | 28 | 东南风2级 |
| 2022-05-29 | 21:43 | 晴 | 26 | 西北风2级 |
2.3 基于LCZ的地表城市热岛强度计算
城市热岛效应本质是表征城市化改变局地热环境的能力。SUHII作为表征城市热岛效应的重要参数，是指城市中心地表温度与郊区的差值。本文定义低矮植被（LCZ D）为郊区参考，统计每一时刻LCZ D区域的地表温度平均值作为郊区地表温度的阈值，并依据该阈值计算该时刻研究区所有像元的SUHII，在此基础上，进一步统计不同类型LCZ的SUHII平均值和标准差，定量对比LCZ类间和类内SUHII差异。
SUHIIi = LSTi - LSTLCZD
式中：SUHIIi表示像元i的SUHII；LSTi表示像元i的地表温度值；LSTLCZD表示LCZ D的地表温度平均值。
LCZ类内差异定义为同一类型LCZ的SUHII的标准差。
3. 结果及分析
图2 研究区地表城市热岛强度在不同时刻的空间分布
北京市六环内区域SUHII时空分布如图2所示，结果表明研究区SUHII具有显著的时空差异。
研究区SUHII平均值在清晨6时最低，该时刻SUHII空间异质性也较低。随着太阳辐射增加，研究区SUHII平均值逐渐上升，在10时达到最大值。13时研究区地表温度达到最高值，空间异质性也最强。
白天研究区内部的公园、河流等形成了明显的冷点区域。傍晚18时开始，研究区SUHII平均值开始增强。夜间SUHII平均值的变化幅度小于白天，21时研究区SUHII平均值达到夜间最高，然后SUHII开始逐渐下降。
本文对比了夏季昼夜10个时刻不同类型LCZ的SUHII日变化特征（图3）。当某一时刻，LCZ类型的平均SUHII＞0时，定义该LCZ类型为热源（升温效应），反之则为热汇（降温效应）。不同类型LCZ对于城市热环境表现出显著的源、汇角色差异，并且同一类型LCZ的源汇贡献程度在不同时刻有很大差异，甚至某些LCZ类型昼夜源汇角色也发生了变化。
如图4所示，建筑类型LCZ中，水平方向上不同的建筑密度和植被覆盖度，垂直方向上不同的建筑高度等参数特征，导致SUHII具有显著的时空差异特征。在相同建筑高度下，紧凑型建筑（LCZ 1~3）的SUHII平均值高于开阔型建筑（LCZ4~6），主要是因为紧凑型建筑相比开阔型建筑，区域通风效率低，而且植被覆盖比例低，人为热排放高。
4. 讨论
本文利用ECOSTRESS LST高时间分辨率数据探索了北京市六环内夏季SUHII在日尺度上的空间分布特征以及LCZ类间和类内SUHII差异。
主要发现
- 同一地区SUHII具有显著的时间异质性
- 土地利用类型的地理分布、结构特征和邻域空间对SUHII的昼夜变化将产生显著影响
- LCZ类间SUHII昼夜差异结果表明城市景观表现出显著的城市热环境昼夜特性
实践意义
合理规划城市通风廊道，利用通风良好的城市口袋公园和环形、楔形绿地，最大化连接通风潜力大的建筑物区块单元，将有助于改善中心城区的城市热环境。
基于本文研究结果，SUHII不仅受到建筑物空间属性的影响，也会受到地理区位的影响，因此，分析不同LCZ类型的热环境特性需要考虑空间分布的影响。不同LCZ在不同环线的比例有较大差异，如LCZ3、LCZ6和LCZ8很大比例在六环分布，其SUHII的平均值比较接近六环的SUHII值，而中高层建筑在不同环线内分布相对较为平均，这些空间分布对LCZ类间SUHII差异分析带来不确定性。
本文ECOSTRESS LST数据是在不同日期获取的，SUHII会受到当日气象条件的影响，而且无法获取正午时刻的ECOSTRESS LST数据，所得出的SUHII的最大值和时间可能与实际存在偏差，对SUHII的日动态评估带来了一定的不确定性。在未来研究中，可通过获得全天候遥感数据或结合地面监测和数值模拟技术获得高时间分辨率的地表温度数据，从而研究不同气候背景、不同季节与城市规模下SUHII日动态变化规律，进一步分析城市热环境的日循环空间特征规律和成因机制，为主动适应和减缓气候变化和城市热环境风险提供理论依据和实践支持。
5. 结论
本文利用高时间分辨率ECOSTRESS LST数据，深入探讨了北京市六环内夏季SUHII的日动态变化模式，并从LCZ视角进一步解析了SUHII时空差异，推动了对于城市热岛效应时空规律更为全面的理解。
主要结论
- 研究区SUHII呈现出显著的LCZ类间和类内差异
- 建筑类型LCZ（除LCZ9）、自然类型LCZ E~F整体上为热源
- LCZ9、LCZ B~C整体上为热汇
- LCZ A和LCZ G在下午15时左右SUHII达到最低值，但在夜间则转变为热源
城市规划建议
- 紧凑型建筑的SUHII显著高于开阔型建筑
- 开阔型建筑中，中高层建筑的SUHII高于低层建筑
- LCZ G存在昼夜源汇变化，夜间呈现明显的城市热源特性
- 应合理优化建筑结构和空间布局，科学调控绿地和水体比例
研究价值
本文从LCZ视角探索精细化时空尺度上SUHII的日动态变化，研究结果可为城市规划和城市更新中缓解热岛效应、提升人居环境热舒适度提供参考。