中国城市热效应及其贡献的空间差异：从核心区域到农村地区的多梯度分析

《Sustainable Cities and Society》：Spatial Differentiation of Urban Heat Effects and Contributions in China: A Multi-Gradient Analysis from Core to Rural Areas

　　

陶华莉|李一静|王全文|朱国峰

中国西北师范大学地理与环境科学学院，兰州

摘要

快速城市化深刻改变了地表能量平衡，加剧了区域热环境，然而在中国国家层面上，城市化导致的升温与背景气候变化对地表温度（LST）的相对贡献尚未得到量化。本研究选取了2000年至2020年间城区人口超过一百万的101个城市，结合MODIS地表温度产品、Sen坡度估算方法、Mann-Kendall检验、城乡梯度分类以及Pearson相关性-随机森林框架，量化了地表温度的时空变化趋势、城市影响、城市贡献率（UC）及其驱动机制。这些城市被划分为三个功能区：城市核心区、城市化区域和农村地区，并根据七个气候区进行分类，以区分背景水热异质性与城市化信号。地表温度呈现出持续上升的趋势，城市核心区的升温速率为0.048°C/年，城市化区域的升温速率为0.065°C/年，农村地区的升温速率为0.008°C/年，东部和南部地区的升温幅度更大。在城市化的东部沿海地区，城市影响最为显著，珠江三角洲和长江三角洲的城市贡献率通常超过90%，表明地表升温主要由城市化驱动。驱动因素分析显示，地形、坡度和年降水量是主要的自然控制因素，而在温暖湿润地区，GDP和人口密度对热效应的放大作用比在干旱地区更为明显。这些发现为制定差异化的城市热缓解和气候适应策略提供了基于气候分层的实证基础。

引言

全球气候变暖已成为当代社会面临的最重要的环境挑战之一。人类活动通过多种途径加剧了全球气候系统的变化，加速了升温过程（Bongaarts, 2024）。联合国人居署发布的《2024年世界城市报告》指出，全球城市高度暴露于与气候相关的风险中。预计到2030年，世界城市人口比例将超过66%，到2040年，将有超过20亿城市居民面临至少0.5°C的额外温度升高（联合国，2024）。快速城市化重塑了地表结构，改变了地表能量平衡过程，并加剧了城市环境中的热量积累。在中国，过去几十年来城市化进程迅速，城市扩张与气候变暖之间的相互作用使得城市热环境成为可持续城市发展的一个日益重要的问题（Zhou等人，2024）。

城市化通过用不透水材料替代自然表面、改变植被覆盖以及增加人为热排放来改变地表特征。这些过程改变了局部辐射平衡、蒸发蒸腾和大气循环，最终影响地表温度（LST），并产生城市热岛效应（Grimm等人，2008；Manoli等人，2019）。大量研究表明，城市是人类与环境相互作用的关键热点，城市发展显著影响区域气候过程（Mora等人，2017）。例如，Manoli等人（2019）分析了全球30,000多个城市，发现城市热岛的强度与气候背景和人口规模密切相关。同样，基于遥感和建模的研究也表明，城市土地扩张和不透水表面的增加与地表温度的升高密切相关（Li等人，2017；Bounoua等人，2021）。在中国，与快速城市化相关的土地利用变化也成为影响区域温度动态的重要因素（Zhao等人，2024；Liu等人，2018）。

尽管关于城市热环境的研究很多，但仍存在一些关键问题尚未解决。首先，许多现有研究集中在个别城市或特定的城市集群上，缺乏能够捕捉不同地区空间异质性的大规模和长期分析（Bian等人，2017；Hao等人，2025）。其次，区分城市化导致的升温与背景气候变化的相对贡献在方法上具有挑战性。简单的时间序列温度变化分析无法有效区分这两个组成部分，因为非城市地区的温度趋势也可能受到土地利用变化和人类活动的影响（Song等人，2018；Ren等人，2021；Zhou等人，2022）。第三，现有研究往往侧重于城市核心区，而对城市扩张前沿的热环境动态关注较少，而在那里快速的土地转换和基础设施发展可能会产生明显的热响应。此外，以往对城市热驱动因素的分析通常依赖于单一因素的相关性，这使得难以全面评估自然条件和社会经济活动的综合效应。最近的研究表明，地形、气候背景、植被覆盖、经济活动和人口聚集相互作用影响城市热环境的空间格局（Feng等人，2021；Zheng等人，2024）。然而，这些因素的相对重要性及其沿城市化梯度的空间差异仍不够明确，特别是在国家层面上。

为了解决这些不足，本研究聚焦2000年至2020年间城区人口超过一百万的101个城市。选择这些城市是因为它们代表了中国主要的城市发展、经济活动和人为热排放中心，因此可以作为研究城市化与热环境变化关系的代表性案例。基于土地利用数据和MODIS地表温度产品，本研究结合Sen坡度估算方法、Mann-Kendall检验、Pearson相关性分析和随机森林建模，研究了地表温度的时空演变及其驱动机制。通过城乡梯度框架，将城市空间划分为三个功能区：城市核心区、城市化区域和农村地区，从而系统比较不同城市发展阶段的热响应。鉴于中国显著的水热异质性，在进行驱动因素分析之前，这101个城市进一步被划分为七个气候区，以控制大规模的背景气候变异性，并允许在区域内更物理地解释自然和社会经济驱动因素。因此，本研究的主要目标是：（1）分析2000年至2020年间中国主要城市地表温度的时空演变；（2）量化沿城市化梯度的城市影响和城市贡献率；（3）区分不同气候区和空间层次中自然和社会经济因素对城市热环境动态的相对贡献。通过提供国家层面的、基于气候分层的视角来理解城市升温的差异，本研究有助于理解城市化如何重塑区域热环境，并为制定特定区域的城市气候适应策略提供科学依据。

章节片段

研究区域概述

中国位于欧亚大陆的东部，陆地面积约为960万平方公里。地形西部较高，东部较低，分为三个主要地形阶梯。第一阶梯以青藏高原为主，平均海拔超过4000米；第二阶梯包括内蒙古高原、黄土高原和云贵高原，海拔在1000-2000米之间；第三阶梯由...

中国城市扩张强度的时空演变

2000年至2020年间，中国101个城市的整体城市扩张强度呈现显著上升趋势，表现为“东部高、西部低，南部强、北部弱”的空间差异格局，并在不同城市层级和区域类型中存在明显梯度（图2）。东部沿海地区成为城市扩张最活跃的区域，尤其是珠江三角洲和长江三角洲...

城市热环境的相互作用机制

本研究发现，2000年至2020年间中国101个城市地表温度总体呈显著上升趋势，核心区域的升温率为0.048°C/年，低于城市化区域的0.065°C/年，空间格局表现为“东部高、西部低，南部强、北部弱”。这一结果与Yao等人（2024）基于全球范围的研究结论一致，即...

结论

城市化导致的局部升温与背景气候变化的叠加加剧了区域热环境的恶化。本研究系统地分析了2000年至2020年间城区人口超过一百万的101个城市，结合MODIS地表温度产品、Sen坡度估算方法、Mann-Kendall检验、城乡梯度分类框架以及Pearson相关性-随机森林方法，量化了与城市化相关的...

伦理批准

不适用。

参与同意

不适用。

出版同意

不适用。

作者贡献

概念化和设计、数据收集与整理、项目管理、资金获取、初稿撰写以及审稿和编辑由陶华莉完成。方法论、正式分析、可视化和初稿撰写由李一静完成。调查和验证由王全文完成。监督工作由朱国峰完成。

数据可用性声明

本研究中使用和/或分析的数据集可从...

资助

本工作由中国国家自然科学基金（项目编号42161043和项目编号42461038）资助。

CRediT作者贡献声明

陶华莉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，项目管理，资金获取，数据整理，概念化。李一静：撰写 – 初稿，可视化，方法论，正式分析。王全文：验证，调查。朱国峰：监督。

利益冲突声明

我们声明这篇题为“中国城市热效应和贡献的空间差异：从核心区到农村区的多梯度分析”的手稿是原创的。作者声明在研究、作者身份和/或文章发表方面不存在潜在的利益冲突。