近几十年来，城市的发展使得城市热岛(UHI)向区域热岛(RHI)转变，但生物物理因素、气候和社会经济因素对区域热岛的贡献研究仍然较少。以长三角城市群作为案例，选取2003-2017年的EOS/MODIS热红外遥感数据，选取生物物理因子，社会经济因子以及气候因子探讨其对长三角城市群区域热岛（region heat island）强度的影响。结果表明，从2003到2017年，长三角城市群夏季白天热岛区域面积从21.74%增长到31.03%。夜间年平均热岛区域面积(SRHII≥2℃)从2003年的7510km²增加到2017年20097km²。长三角城市群热岛强度的主导因子存在一定的季节差异。白天热岛强度的主导因子在春季为增强型植被指数(解释度为33.27%)。夏季和秋季的主导因子为归一化建筑密度(分别为37.28%和26.83%)。冬季，降水量（26.16%）的影响最大。夜间，春季、秋季和冬季长三角城市群热岛的主导因子均为改进的归一化差异水体指数(54.12%、52.62%和24.19%)，夏季的主导因子为增强型植被指数(42%)。此外，改进的归一化差异水体指数对长三角城市群热岛强度的影响在白天表现出降温作用，夜间表现出增温作用。这些发现可为区域环境改善和区域可持续发展提供理论基础。

关键词：区域热岛，影响因子，贡献趋势，城市群，快速城市化

至今为止已有一半以上的世界人口住在城市地区，到2050年，这一比例将达到68%。快速城市化发展不仅造成了人口数量剧增、水土资源短缺、生态环境破坏等一系列城市问题，而且改变了城市表面辐射和湿热状况。城市热岛(Urban Heat Island, UHI)作为主要城市环境问题之一，表现为城市地区的地表温度比农村或者郊区温度高。这严重影响水、空气质量、局地气候、植被、能源消耗和人类健康。城市热岛研究经历了单个城市、超大城市和城市群的发展历程。随着城市化发展，城市群作为一系列具有紧密空间组织结构和密切经济联系的地理空间成为了城市化发展最新的空间表现形式：即至少由一个特大城市为核心，三个或三个以上位于特定地理区域的大城市组成。在城市群尺度上，热岛之间相互作用可能产生叠加效应，城市群由于城市之间的距离缩小或者消失，可在一个连续的区域内大幅度的改变热环境，使得单个城市的热岛效应不再是一个局地现象，城市热岛（UHI）概念也需由区域热岛（region heat island， RHI）所替代（余兆武，2019）。

城市热岛强度常采用城乡二分法进行评估，即城市与郊区、周边乡村的实时或累计的地表温度的差值。然而传统的城乡二分法难以适用于城市群尺度上的区域热岛效应研究。本文引入余兆武（2019）提出的区域热岛概念，突破单一城市的边界，改进城乡二分化，以1 km×1 km为最小评价单元，基于土地覆盖类型、海拔、年最大植被指数和人为热排放四个指标提取受城镇化影响最小的周边背景，构建适用于区域热岛强度评估的方法。并且以长三角城市群为例，从昼夜、季节、年际和不同等级的热岛强度四个维度全面的分析了生物物理和社会经济影响因素对其区域热岛强度的贡献趋势。（1）定量分析长三角城市群热岛强度的时空变化特征（2）对比分析不同等级热岛强度 (2°C-4°C，4°C-6°C，>6°C)和影响因素的关系的季节，年际，昼夜差异。（3）分析2003年、2010年和2017年热岛强度影响因素的相对重要性来阐明主导因素的变化。本研究将为区域热环境规划和可持续发展提供理论依据。

长三角城市群热岛强度的时空变化特征

长三角城市群区域热岛空间格局存在明显季节差异。夏季RHI最强烈，且集中分布在上海、“苏锡常”、南京、杭州、宁波都市圈内，由于都市圈内人口密度高，建筑密度集中，热岛强度由中心城区向城郊和周边乡村逐渐降低。长三角城市群南部和西南部林地和山区呈现低温现象；春季和秋季热岛强度空间分布与夏季相似，但强度比夏季要弱，空间范围较窄。冬季，城市热岛是一年四季中最不明显。热岛地区在冬季逐渐缩小并转移到长三角城市群的南部。夜间，长三角城市群夜间热岛强度的空间分布与白天存在明显的差异。春季热岛范围主要集中在水体，仅少数大城市出现轻微的高温，比较长三角城市群夜间不同季节的热岛强度，结果发现秋季热岛强度最强，夏季最弱的特点。年际变化上，夜间，年平均热岛强度从2003年至2017年呈现递增的趋势，热岛分布在城市范围内逐渐扩大。

白天，区域热岛区域(SRHII≥2℃)的面积从春季到冬季呈现先上升后下降的趋势，在夏季达到峰值。例如，2017年春季、夏季、秋季和冬季的热岛区域(SRHII≥2 ℃)的面积比分别为12.65％、31.03％、21.12％和5.49％（图1d）。年际变化上，夏季热岛区域的面积从2003年至2017年呈上升趋势。具体而言，2003年、2010年和2017年夏季，热岛区域(SRHII≥2℃)的面积比分别为21.74％、22.17％和31.03％（图1d）。因为2003年和2017年分别从3571.01km²增加到8760.26km²（图B1，附录B）。此外，2003年到2017年，中区域热岛和强热岛的面积增加了41.08%和66.40%（图1b和c）。冬季热岛区域面积从弱热岛(2 ℃ < SRHII ≤ 4 ℃)、中热岛(4℃ <SRHII ≤ 6 ℃)到强热岛( SRHII > 6 ℃)的上升表现出逐渐减少的趋势（图1a、b、c和d）。此外，2003年、2010年和2017年冬季的热岛区域 (SRHII≥2 ℃)的面积分别为18481 km²，8640 km²和6280 km²(图1d)。综上所述，随着热岛强度从弱热岛，中热岛到强热岛的增加，热岛区域面积增长的速度越快。夜间，热岛区域(SRHII≥2 ℃)的季节变化趋势与白天相反。从春季到夏季，再从夏季到冬季，热岛区域的面积先减小，然后增大，且在夏季降至最低值（图1e、f和g）。例如，2017年春季，夏季，秋季和冬季热岛区域的面积分别为19209km2、5659km²、38596km²、34621km²（图1h）。年际变化上，热岛区域面积(SRHII≥ 2℃)的年平均值从2003年至2017年呈现有规律地增加，2003年，2010年和2017年分别为17510km²、20042km²、20097km²（图1h）。 

图1. 长三角城市群昼(abcd)夜(efgh)热岛强度季节和年际变化

热岛强度与地表生物物理和社会经济的关系

地表生物物理因素与热岛强度的相关性均高于社会经济因素和气候因素。NDBI和EVI对热岛强度的影响比其他影响因素要强。归一化建筑密度指数与热岛强度表现出显著的正相关，而EVI与热岛强度呈负相关。具体来说，归一化建筑密度指数（r=0.567，p<0.001）与夏季热岛强度相关性最高，其次是增强型植被指数（r=-0.54，p<0.001）（图2a）。增强型植被指数的相关性在春季表现最高（r=-0.577，p<0.001）。归一化建筑密度指数在秋季表现出最高的相关性(r=0.425，p<0.001)（图2c）。反照率在一年四季与热岛强度呈正相关。水体由于其较高的比热容，在白天对降温有着积极的影响。春季、夏季、秋季和冬季的水体和热岛强度之间的相关性分别为0.844、0.558、0.725和0.492（图2f）。与其他生物物理因素相比，归一化建筑密度指数对夜间热岛强度的解释度较低。反照率与夜间的热岛强度呈负相关。白天，水体表现出降温作用，而夜间相反，因此水体并不是缓解热环境的最佳选择。随着热岛强度从弱到强，反照率与归一化建筑密度指数的相关性越强，这说明控制建筑密度和改变建筑材料，可以改善区域热环境，尤其是高温和极高温地区。

社会经济因素层，人为热排放对白天热岛强度的空间分布有着不容忽视的作用。它与热岛强度在春、夏、秋季的相关性最高，分别为0.534、0.582和0.366。人口密度与热岛强度有正相关（r=0.278，p<0.001）（图2a）。人均国内生产总值与热岛强度无显著相关性。夜间，春季和夏季的人为热量排放与热岛强度最为相关，分别为0.28和0.295（图2f）。随着区域热岛强度从弱、中到强，人为热排放与热岛强度的相关性逐渐增强，这意味着人为热排放随着热岛强度的增加，作用越强。

气候因素层，气温与热岛强度呈正相关(r=0.343，p<0.001)，而降水与热岛强度呈负相关。

总之，归一化建筑密度，增强型植被指数和人为热排放与热岛强度的相关性密切，其季节变化表现为夏季>春季>秋季。气候因素(气温和降水)对冬季热岛强度的空间差异有更多的解释度。随着热岛强度从弱、中到强的变化，热岛强度与反照率、归一化建筑密度、人为热发射的相关系数(r)逐渐增加，而增强型植被指数和水体则表现出相反的趋势。                   

图2. 2003,2010年和2017年白天和夜间热岛强度与影响因子的相关系数

注：MNDWI改进的归一化差异水体指数，Air-temper气温，PRE降水，pop density人口密度，Per GDP 人均国内生产总值，NL人为热排放，EVI增强型植被指数，NDBI归一化建筑密度，WSA 反照率

+ 表示在0.01水平上显著相关  × 表示在0.05水平上显著相关

热岛强度与影响因子之间的主导因素分析

逐步回归的结果表明，除冬季外，增强型植被指数和归一化建筑密度指数这两个独立解释变量对长三角城市群热岛强度变化过程中的贡献大于其他因子。2003年春季白天，影响长三角城市群热岛强度的最重要的独立变量是增强型植被指数，其解释度为33.27%（图3a）。但是，2010年春季白天，最重要的独立解释变量由2003年的增强型植被指数转变为归一化建筑密度指数(解释度为20.69%)，2017年春季白天又转为增强型植被指数(解释度为20.07%)。随着热岛强度等级的上升，影响因子的总解释度增加。例如，2010年春季白天，随着热岛强度从2 ℃-4 ℃，4 ℃-6 ℃至>6 ℃，长三角城市群热岛强度的影响因子的总解释率分别为9.67%，11.10%和14.68%。2003年夏季人为热排放是最大的独立解释变量（解释度为33.81％）。随着时间的变化，主导因子从2003年的人为热排放转移到2010年的归一化建筑密度指数(解释度为37.28％)和2017年的归一化建筑密度指数(解释度为31.71％)。2017年夏季白天，影响因子的总解释度随着热岛强度的增加而上升。具体来说，随着热岛强度从2 ℃-4 ℃，4 ℃-6 ℃至 >6 ℃，影响因子的总解释度分别为5.34％，6.71％和12.33％（图3c）。

秋季，归一化建筑密度指数和增强型植被指数依然占据着主导地位。其中，影响长三角城市群热岛强度的最重要独立解释变量是归一化建筑密度指数，其2003年的解释度为18%。2010年归一化建筑密度指数仍然占据主导地位，其解释度为26.83％。但是，2017年最重要独立解释变量发生了变化，转为为增强型植被指数(解释率= 22.81％) (图3e)。冬季，2003年、2010年和2017年影响因子的总解释率有所波动。与白天的其他季节不同，2003年和2017年冬季，降水对长三角城市群热岛强度的解释率最高，分别为26.16％和3.12％。而2010年，气温对长三角城市群热岛强度的解释度占主导地位，为5.41％（图3g）。

夜间，改进的归一化水体指数是春、秋、冬季的主要解释变量，而增强型植被指数是夏季的主要解释变量。详细地，改进的归一化水体指数2003年、2010年和2017年的解释度分别为54.12％、57％和71.21％(图3b)。综上所述，归一化建筑密度指数、增强型植被指数和人为热排放是白天区域热岛的主导因素，白天区域热岛强度的总解释率呈现季节性变化，表现为夏季>春季>秋季>冬季。夜间，改进的归一化水体指数对夜间区域热岛的贡献最大。

图3 白天和夜间长三角城市群热岛强度和影响因子的逐步线性回归结果

(白天(a,c,e,g)和夜间(b,d,f,h),春(a,b),夏(c,d),秋(e,f)和冬(g,h))

城市群发展模式下改进热岛强度的评估方法及研究热岛强度的时空动态规律。利用多时相遥感数据和定量反演技术，获取长三角城市群的地表温度，建筑密度、植被、水体和社会经济等数据，改进城乡二分化对区域热岛强度进行评估，探索城市群热岛强度的时空动态以及各城市热岛的共性和差异。

本研究引入区域热岛（RHI）的概念，选取2003-2017年的EOS/MODIS热红外遥感数据，突破单一城市的边界，改进城乡二分化，以1 km×1 km为最小评价单元，构建适用于区域热岛强度（SRHII)评估的方法。区域热岛强度的评估是为了分析由人类活动引起的城市地表温度变化的强度，因此需确定与城市背景相对应的对照组——受城镇化影响最小的周边背景。首先需要排除地形海拔的因素，选取与城市的相对海拔低于50 m的平原；其次在土地覆盖类型上，选择与城市地类相近的陆地类型农田；再者，选取受人类活动影响较少的区域，本文运用夜光灯光强度来表征，选取夜间灯光指数低于15的区域；最后，考虑到植被覆盖密度对地表温度有着显著的影响，将植被覆盖这一指标纳入选择范围内，选取年最大植被指数NDVI≥0.7。最终确定了土地覆盖类型、海拔、年最大植被指数和人为热排放四个指标来提取受城镇化影响最小的周边背景。

综上所述，同时满足以上四项条件，提取分辨率为1 km×1 km的长三角城市群的周边背景(图3-2d)。从图中可以发现，选取的周边背景主要集中在长江的北岸——苏南如东、海安、泰州等地，西南部由于是山区，林地较多，没有合适的周边背景。

长三角城市群由于城市化的快速发展，城市间的距离缩短甚至消失。以往的城市热岛强度计算方法已经不能满足城市群热岛的需求。本文改进传统的城乡二分法，突破单一的城市的边界，从1km×1km像元的尺度出发进行地表区域热岛强度评估，计算每一个像元与周边背景的实际地表温度差。地表区域热岛强度的计算公式表达为：

为了划分区域热岛强度，根据白天和夜间不同土地覆盖类型的区域热岛强度，并结合前人的研究结果，本文将热岛强度超过2 ℃的地区划分为热岛区域。为了进一步明确的揭示区域热岛强度(SRHII)的变化，本文将热岛区域进一步分为弱热岛(2℃<SRHII≤4℃)，中热岛(4℃<SRHII≤6℃)和强热岛(SRHII>6℃)。