在数据稀缺的全球南方城市中绘制昼夜城市热力动态图：一种基于机器学习的诊断框架在喀布尔的应用

《Sustainable Cities and Society》：Mapping Diurnal Urban Heat Dynamics in Data-Scarce Global South Cities: A Machine Learning-Enabled Diagnostic Framework Applied to Kabul

城市热岛效应研究框架与喀布尔案例的日间-夜间地表温度演化及空间重组特征分析。通过融合MODIS和Landsat多源卫星数据与地理空间分析方法，构建机器学习驱动的可复现诊断框架，揭示喀布尔2000-2020年间日-夜地表温度差异收窄（25℃→17℃）、非正式区日间高温突出（τ=0.9上尾）、正式区夜间蓄热增强及热岛空间格局多中心化演变规律。

　　

埃马尔·艾哈迈德·侯赛因扎德|周中华

中国武汉大学城市设计学院

摘要

全球南方地区的城市化进程正在以前所未有的速度加快，这加剧了城市热岛（SUHI）效应的影响。由于现场监测有限以及缺乏具有社区尺度分辨率的长期城市数据集，这一问题更加突出。本研究通过应用一种可复制的、基于机器学习的诊断框架来分析长期的城市热岛动态，以喀布尔为例——这座位于高海拔地区的半干旱城市正经历快速、不均衡且非正式的城市化进程。通过整合多卫星数据集并在Google Earth Engine上进行地理空间分析，我们生成了2000年至2020年间30米分辨率的空间一致性的日地表温度（LST）地图，详细描述了类似背景下的不同类型居住区的日地表温度模式。梯度提升回归（GBR）、分位数回归（QR）和空间自相关分析的应用揭示了正式与非正式区域之间LST的趋势和类型差异。昼夜温差从2000年的约25°C下降到2020年的约17°C，表明白天的极端温度有所降低，而夜间的温暖程度则持续存在。空间聚类效应随时间减弱，变得更加分散，这标志着从以中心为中心的城市热岛模式向多中心模式的转变。非正式居住区通常记录到更高的日地表温度，特别是在最高分位数τ=0.9的情况下；而正式区域则表现出更强的夜间热量保持能力。本研究展示了如何在地面观测数据有限的城市中，通过整合定居点的遥感工作流程来揭示日温差和地表热量的长期空间重组。

引言

城市化正在以前所未有的规模重塑陆地-大气交换过程，导致全球城市的人口、不透水表面和能源需求集中。根据联合国的估计，2018年全球55%的人口居住在城市地区，预计到2050年这一比例将上升至近68%，这凸显了理解城市热环境的紧迫性。不断扩大的城市表面改变了地表能量预算和大气耦合，放大了城市热岛效应，从而调节了显热和潜热通量，并加剧了局部气候极端事件（Kenawy等人，2020年）。

众多基于卫星的研究证实，城市热岛强度因气候区、海拔和地表形态而异。在干旱和半干旱城市中，观察到明显的日温差：白天的地表温度通常有所缓解，但由于蒸发冷却减少和建筑材料中的热量储存增加，夜间热量保持现象持续存在（Dialesandro等人，2019年；Karimi等人，2021年）。在城市内部，植被覆盖度和海拔高度调节了干旱城市中的空间热梯度（Kattel等人，2022年；Roba和Tabor，2025年）。全球综合研究表明，城市热强度与背景气候和人口密度密切相关，尤其是在夜间，由于辐射平衡的改变，城市热岛效应更加显著（Manoli等人，2019年；Dewan等人，2021年；Yuan等人，2025年）。对亚洲和中东大城市的长期分析表明，夜间城市热岛现象比白天的升温更为明显且范围更广，这主要由城市物质组成和人为热通量驱动（Lu等人，2020年；Chen等人，2023年）。当前的研究进一步表明，城市空间布局和三维形态系统性地影响昼夜地表温度（LST）的行为，这强调了需要超越总体城乡对比来研究城市内部的异质性（Chen等人，2022年；Lin等人，2024年）。这些发现共同表明，城市热岛现象在时间和空间上都是依赖具体城市的、日变化的和长期的。

除了地表能量机制外，城市热行为还受到基础设施供给和居住区治理的影响。在许多全球南方城市中，非正式居住区通过渐进式建设形成，其特点是材料多样性、服务有限、植被稀疏以及街道布局不连续（Hugo和Sonnendecker，2024年；Tavares等人，2024年）。这种布局影响了白天的热量吸收和夜间的热量散发，因为紧凑的布局和减少的通风通道会限制对流冷却（Litardo等人，2020年）。因此，在这些情况下，日温差反映了社会-物质组织结构以及地表辐射特性（Yi等人，2022年）。本研究中的“日变化”指的是在同一季节窗口内，通过卫星获取的白天和夜间的LST观测数据。

卫星遥感技术的最新进展为研究城市热岛动态奠定了坚实的基础。长期的MODIS和Landsat数据档案使得在不同背景下进行一致的LST监测成为可能（Zhou等人，2018年）。定居点数据集的进步进一步推动了这一精细化。全球人类居住层（GHSL）和全球城乡表面（GURS）产品为每像素的城乡比较提供了统一的空间基准（Fernandes等人，2023年）。基于体积和定居点的分析展示了GHSL数据如何追踪数十年的城市扩张模式（Soltani等人，2025年）。结合GHSL数据的全球规模评估表明，景观配置对夜间热环境有很强的调节作用，特别是在干旱气候条件下（Wang等人，2023年）。当这些数据集与局部气候区（LCZ）结合使用时，可以将LST模式与城市形态和三维结构联系起来（Qiao等人，2024年）。实证应用表明，紧凑的城区由于表面粗糙度高和辐射损失减少而维持较高的夜间温度，而开放区域在日落后冷却更有效（Na等人，2023年）。在德黑兰进行的城区规模研究证实，人口密度、地形坡度和湿度在空间上相互作用，影响了城市热岛强度（Aslani等人，2025年），而社会环境分析则强调了蓝色空间分布和背景因素如何调节冷却强度和热不平等（Das等人，2025年；Ren等人，2025年）。街区级别的分析进一步表明，景观指标和建筑形态的变异性对LST有非线性影响（Wan等人，2025年）。然而，如附录A（表A1）所总结的，大多数现有研究仍受限于分辨率低、时间覆盖范围有限或单相分析，无法深入洞察长期日变化和城市内部差异，特别是在数据稀缺的城市中。

尽管全球城市热岛研究已经建立了广泛的日变化和气候模式，但对于快速扩张的全球南方城市而言，尤其是在居住区增长不均衡的情况下，城市内部的证据仍然分散。尽管上述定居点数据集和遥感能力有所进步，但在一致的像素级分析框架内，很少进行区分正式、非正式和城郊结构的多年度双相（白天和夜间）地表温度评估。基于卫星的遥感为城市热分析提供了不可或缺的输入；然而，在干旱和山区环境中，将长期日LST动态与标准化的居住区分类联系起来仍然不够充分（Zhao等人，2024年；Méndez-Astudillo和Caetano，2025年）。这一差距限制了对居住区重组和空间扩张如何随时间影响日地表温度对比的系统性诊断，特别是在数据稀缺的城市中。本研究中的“数据稀缺”指的是长期高分辨率温度记录和季节一致的城市数据集的可用性有限——无论是来自现场观测还是高分辨率卫星产品——这需要依赖多传感器卫星融合来重建数十年的可比日LST模式。

喀布尔的案例研究反映了这些结构特征。这座城市位于一个半干旱的高海拔山谷中（海拔约1790米），在过去二十年里经历了大量的非正式扩张和人口流入（Sahak等人，2022年）（图1）。喀布尔在正式规划区域和植被覆盖有限的密集非正式居住区之间存在明显对比，这些条件导致了地表材料和建筑密度的显著变化（Hussainzad等人，2021年）。这种居住区对比产生了明显的昼夜地表温度差异，可以通过基于居住区的LST分析进行系统化描述。然而，这些动态在具有连续空间分层的多年时间尺度上仍被较少探索。一种协调的、整合了居住点的遥感方法为在地面观测数据有限的情况下研究这些模式提供了机会。

本研究通过分析2000年至2020年间喀布尔的长期日LST变化，结合了基于居住区的分类、机器学习和空间统计分析，来填补这些空白。

研究目标包括：

•

描述2000年至2020年间喀布尔的长期日LST变化。

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研究正式、非正式和城郊区域的地表温度的空间和类型差异。

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识别持续的热点区域和日变化梯度，以揭示城市热模式的长期演变。

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支持在数据稀缺的城市背景下进行基于居住点的热缓解规划讨论。

通过这种方式，本研究展示了如何在地面观测数据有限的城市中，通过可复制的、整合了居住点的遥感工作流程来揭示长期日温差和地表热量的空间重组。这些证据有助于制定符合可持续发展目标11（“可持续城市和社区”）的热缓解策略，同时保持特定案例的诊断范围。

框架概述

框架概述

本研究实施了一个可扩展且易于解释的分析框架，适用于数据稀缺的全球南方城市，用于研究长期日地表温度动态。该框架整合了多传感器卫星数据、居住区类型映射和基于机器学习的建模，以捕捉二十年间城市形态和材料变化如何影响LST。通过结合遥感和空间分析，该方法能够系统地监测城市热环境

结果

本节展示了2000年至2020年间喀布尔地表热环境的演变，追踪了随着城市扩张、居住区类型和空间结构的变化，白天和夜间LST模式的变化。结果按顺序呈现——从广泛的时空趋势到详细的类型学和统计分析——以说明城市热环境的渐进式转变。

讨论

喀布尔的二十年地表温度记录提供了有力的证据，表明快速的城市增长和形态变化正在改变半干旱城市的热环境。白天LST的总体下降，伴随着夜间持续的升温，反映了地表能量交换的根本性重组。这种日变化表明，城市已经进入了一个更稳定的、热量保持能力更强的发展阶段。鉴于缺乏长期数据

结论

本研究首次对喀布尔的LST进行了多年度的日变化分析，揭示了2000年至2020年间城市扩张和形态变化如何重塑了城市的热环境。昼夜温差从约25°C缩小到约17°C，这是由于夜间热量保持能力的增强（与不断扩大的不透水表面中的更多热量储存和夜间冷却效率的降低有关），而白天的温度峰值则因遮荫和表面

未引用的参考文献

Wang等人，2023年，Wang等人，2025年

CRediT作者贡献声明

埃马尔·艾哈迈德·侯赛因扎德：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。周中华：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。