摘要
为精细化评估武汉市城市热岛时空分异特征以辅助气候适应性设计工作，基于局地气候分区（local climate zone，LCZ）体系对武汉中心城区气温进行观测，分析了连续3 a夏冬时段的6类建筑空间和3类自然空间热岛强度（urban heat island intensity，UHII）的时空分异，并探讨了不同LCZ类型的日平均UHII差异、逐时UHII变化及同种LCZ类内UHII差异及其影响因素。结果显示：各LCZ在夏冬两季可保持稳定日平均UHII类间差异，其中建筑高度越高的LCZ类型其UHII越高，特别是开阔高层（LCZ 4）和开阔中层（LCZ 5），而稀疏树林（LCZ B）、茂密树林（LCZ A）、开阔低层（LCZ 6）和零散建筑（LCZ 9）总体保持0 ℃以下；UHII逐时变化方面，LCZ A与其他LCZ类型存在明显差异，日出后8 h范围内LCZ A表现为快速上升后下降，其他类型则呈快速下降后稳定上升趋势；单日内，各LCZ的UHII呈“夏强冬弱、昼弱夜强”的特性，其中LCZ 9与LCZ A能够长时间维持“城市冷岛”效应以缓解局部热环境，而LCZ 4是唯一夏冬两季UHII均保持在0 ℃以上的类型；具有中层高度特征的LCZ 2和LCZ 5表现出显著的类内UHII差异，同类LCZ位于城区中部地块受城市冠层通风阻碍的影响其UHII比城区边界地块高。研究结果表明，LCZ类间UHII差异在夏冬两季稳定存在，而LCZ类内UHII显著性差异主要受武汉城市空间结构的驱动，密集的中心城区由于通风效能低下和人为热排放频繁而更易于导致局部高温。
城市热环境是主导城市生态环境的重要因素之一，其最明显的特征就是城市热岛效
城市热岛强度（urban heat island intensity，UHII）通常指城市与其周围郊区气温的差值，UHII在一定程度上消除局地气候变化的影响，因而用于反映城市化对城乡温度的影响程
城市下垫面空间是高度异质且复杂的，由于相关研究难以清晰地描述城市内部异构组成与UHII的关系，使得现有结论仍难以有效运用于基于局部热环境改善的城市规划设计过程。因此，对于空间形态高度异质性发展的大中型城市，有必要精细化区分城市三维空间类型从而有效研究城市复杂下垫面空间对热环境的影
随着我国地面自动气象站布设工作的推进，连续多年的气象观测资料为城市热岛精细化气候特征研究提供了数据基
武汉市属亚热带季风性气候，具有冬冷夏热和四季分明的特点。随着城市化建设不断推进，武汉形成了以中心城区为核心，6个城市新城环绕的空间格局。中心城区具有“圈层式”的空间结构模式，是市域内城市化程度最高的区域，面积约为905.52 km²，常住人口达700
所用气象观测资料来源于武汉市气象部门，包括武汉市中心城区范围内自动气象站2019―2021年夏（6月至8月）冬（12月至次年2月）两季逐时气温资料（
图1 武汉市22处城市气象站空间分布
Fig.1 Spatial distribution of 22 urban weather stations in Wuhan
城市热岛效应与气象背景条件关系密切，少云、微风的天气条件更适合观测和分析城市热岛的时空变化。本研究采用Ok
| ΦＷ＝ | （1） |
LCZ的UHII时空分异特征评估包含类间差异和类内差异2个层面。对于类间差异，不同年份分别统计夏冬两季的LCZ日平均UHII及逐时UHII变化。其中，基于LCZ体系的UHII计算如
| I UHI（LCZ x）=TLCZ x-TLCZ D | （2） |
其中，TLCZ x为中心城区内各LCZ类型的气温，TLCZ D为LCZ D的气温。
对于LCZ类内UHII差异，首先结合ArcGIS平台定性识别中心城区夏冬两季平均UHII的空间分布特征。在此基础上，采用单因子方差分析（one-way ANOVA）量化评估同类LCZ的类内热环境差异。由于方差分析包含正态性和方差齐性的前置条件，因此，分析前需在95%的置信水平进行正态性检验和方差齐性检验，以评估正态性假设。本研究验证了温度分布的正态性，即各站点在典型气象日所记录的逐时气温数据均符合正态分布，且所选测量数据均符合方差齐性，具有统计学意义。由于单因子方差分析无法明确评估具体站点间的差异，因而针对类内热环境差异显著的LCZ类型，进一步采用Tukey-HSD（honest significant difference）事后分析对比类内不同站点的UHII，识别并分析具有显著类内差异的关键站点。
1）日平均UHII变化特征。为比较不同LCZ类型的UHII差异，首先绘制了各LCZ于2019―2021年夏冬两季的逐日平均UHII箱形统计图（
图2 各LCZ类型于2019—2021年夏冬两季的日平均热岛强度
Fig.2 Daily mean UHII of LCZs in summer and winter from 2019 to 2021
2）逐时UHII变化规律。由
图3 2019—2021年各LCZ类型夏冬两季平均UHII的日变化
Fig.3 Diurnal variation of UHII in summer and winter for LCZs from 2019 to 2021
不同LCZ类型夏冬两季平均UHII日变化呈现“夏强冬弱、昼弱夜强”的特点。夏季，部分LCZ类型会出现较为稳定的“城市冷岛”效应，其中植被类LCZ A在14：00至次日07：00的UHII低于0℃；建筑类LCZ 9的UHII则基本全日低于0℃。冬季LCZ 4的UHII最高且全日保持在0℃以上；LCZ A在昼间09：00―16：00出现热岛效应；LCZ 2和LCZ 5集中在18：00至次日08：00出现热岛效应。
利用ArcGIS平台绘制中心城区各站点夏冬两季平均UHII的空间分布，由
图4 2019—2021年中心城区夏冬两季平均UHII空间分布
Fig.4 Spatial distribution of mean UHII in summer and winter from 2019 to 2021
为量化分析各类 LCZ的UHII类内差异，首先对5类建成型LCZ在2019―2021年夏冬两季UHII进行单因子方差分析（
| LCZ类型LCZ types | 2019 UHII | 2020 UHII | 2021 UHII | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | |||||||
| F | P | F | P | F | P | F | P | F | P | F | P | |
| LCZ 2 | 2.88 | 0.079 8 | 4.03 |
0.033 | 0.41 | 0.798 6 | 16.39 |
0.000 | 12.37 |
0.000 | 17.80 |
0.000 |
| LCZ 3 | 0.02 | 0.979 7 | 0.01 | 0.933 1 | 0.42 | 0.674 2 | 0.85 | 0.474 5 | 0.43 | 0.667 1 | 0.31 | 0.598 4 |
| LCZ 4 | 69.94 |
0.001 | 0.10 | 0.766 6 | 2.51 | 0.188 3 | 2.64 | 0.179 8 | 3.12 | 0.152 1 | 0.05 | 0.835 0 |
| LCZ 5 | 8.58 |
0.001 | 4.20 |
0.019 | 1.73 | 0.203 0 | 6.57 |
0.003 | 15.36 |
0.000 | 33.71 |
0.000 |
| LCZ 9 | 1.60 | 0.274 0 | 1.85 | 0.245 6 | 6.92 | 0.058 2 | 40.55 |
0.003 | 0.07 | 0.797 9 | 0.26 | 0.639 3 |
注： *和**分别表示同种LCZ类型对应站点的UHII平均值存在显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）的类内差异。Note： * and ** indicates the significant differences in UHII of the same LCZ types at 0.05 and 0.01 level， respectively.
进一步统计连续3 a夏冬两季LCZ 2及LCZ 5对应站点的类内UHII差异（表
| 站点Sites | No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | |
| No.2 |
0.513 |
-0.482 | ||||||
| No.3 |
0.927 | -0.046 3 | 0.413 7 |
0.435 | ||||
| No.4 |
0.892 |
0.277 | 0.378 7 |
0.759 | -0.035 0 |
0.323 | ||
| No.5 |
0.621 |
-0.331 | 0.107 7 | 0.150 3 | -0.306 0 |
-0.285 | -0.271 0 |
-0.608 |
注： *和**分别表示对应站点间UHII平均值存在显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）差异， 下同。Note：* and ** indicates the significant differences in UHII of corresponding sites at 0.05 and 0.01 level， respectively.The same as below.
| 站点 Sites | No.11 | No.12 | No.13 | No.14 | No.15 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | 夏季 Summer | 冬季 Winter | |
| No.12 | 0.225 7 |
0.354 | ||||||||
| No.13 |
0.592 | 0.050 7 |
0.367 |
-0.303 | ||||||
| No.14 |
0.446 |
-0.494 |
-0.671 |
-0.848 |
-1.038 |
-0.544 | ||||
| No.15 |
0.350 | 0.074 0 | 0.124 3 | -0.280 3 | -0.242 7 | 0.023 3 |
0.796 |
0.568 | ||
| No.16 | 0.012 7 | -0.103 3 | -0.213 0 |
-0.457 |
-0.580 | -0.154 0 |
0.458 |
0.390 |
-0.337 | -0.177 3 |
本研究利用城市局部气象观测数据分析了武汉市中心城区内多种LCZ类型的夏冬两季UHII精细化时空分异特征，揭示了不同时间尺度下的LCZ类间UHII差异特征以及受到外部建成环境影响的LCZ类内UHII差异特征。
LCZ类间UHII差异在不同季节均稳定存在，各LCZ类型的日平均UHII在夏冬两季的大小关系表现为开阔高层（LCZ 4）>开阔中层（LCZ 5）>密集中层（LCZ 2）>密集低层（LCZ 3）>低矮植被（LCZ D）>稀疏树林（LCZ B）>茂密树林（LCZ A）>开阔低层（LCZ 6）>零散建筑（LCZ 9）。对于建筑类LCZ，随建筑高度和密度的下降，LCZ的UHII不断下降，这与Zhang
精细到UHII逐时变化层面，各LCZ类间未表现出一致的UHII逐时变化趋势，且该特征在不同季节、年份存在差异，这与杨小山
部分LCZ类型存在显著的UHII类内差异，中心城区圈层式的空间结构模式是导致差异化的主要原因。具体而言，中心城区UHII呈现中部LCZ地块高四周低的特征，同类LCZ的UHII在城区中部的地块比城区边界的地块高0.2~1.4 ℃。结合城市下垫面空间特征，发现这一现象与城市空间结构模式相一致。原因在于中心城区的中部区域建设强度更高，而过于致密的中高层建筑在降低冠层内通风效能的同时也加剧了热量的累积，从而导致地块温度的进一步提
由于城市气象站点通常布设在建设强度较低的开敞区域，导致本研究依然难以在武汉中心城区的有限范围内对所有LCZ类型的UHII进行评估和比较。同时，武汉中心城区河湖广布的地理特征还使得自然类LCZ的观测点通常集中于城市滨水地区，不可避免地影响气温观测结果。因此，后续研究可将场地实测和数值模拟等方法相结合以更加精细化地揭示城市热环境时空分异的内在规律。
参考文献 References
WANG Q，WANG X N，ZHOU Y，et al.The dominant factors and influence of urban characteristics on land surface temperature using random forest algorithm［J/OL］.Sustainable cities and society，2022，79：103722 ［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.scs.2022.103722. [百度学术]
WARDEH Y，KINAB E，ESCADEILLAS G，et al.Review of the optimization techniques for cool pavements solutions to mitigate urban heat islands［J/OL］.Building and environment，2022，223：109482［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109482. [百度学术]
YAN H，FAN S X，GUO C X，et al.Assessing the effects of landscape design parameters on intra-urban air temperature variability：the case of Beijing，China［J］.Building and environment，2014，76：44-53. [百度学术]
毛成忠，张明，刘云鹏，等.基于自动气象站资料的宜昌城市热岛分析［J］.沙漠与绿洲气象，2021，15（1）：103-110.MAO C Z，ZHANG M，LIU Y P，et al.Analysis of Yichang urban heat island based on automatic weather station data［J］.Desert and oasis meteorology，2021，15（1）：103-110 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
牛陆，张正峰，彭中，等.中国地表城市热岛驱动因素及其空间异质性［J］.中国环境科学，2022，42（2）：945-953.NIU L，ZHANG Z F，PENG Z，et al.China’s surface urban heat island drivers and its spatial heterogeneity［J］.China environmental science，2022，42（2）：945-953 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
寿亦萱，张大林.城市热岛效应的研究进展与展望［J］.气象学报，2012，70（3）：338-353.SHOU Y X，ZHANG D L.Recent advances in understanding urban heat island effects with some future prospects［J］.Acta meteorologica sinica，2012，70（3）：338-353 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
刘焱序，彭建，王仰麟.城市热岛效应与景观格局的关联：从城市规模、景观组分到空间构型［J］ .生态学报，2017，37（23）：7769-7780.LIU Y X，PENG J，WANG Y L.Relationship between urban heat island and landscape patterns：from city size and landscape composition to spatial configuration. Acta ecological sinica，2017，37（23）：7769-7780 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
周伟奇，田韫钰.城市三维空间形态的热环境效应研究进展［J］.生态学报，2020，40（2）：416-427.ZHOU W Q，TIAN Y Y.Effects of urban three-dimensional morphology on thermal environment：a review［J］.Acta ecologica sinica，2020，40（2）：416-427 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
YANG J Y，SHI B X，ZHENG Y，et al.Urban form and air pollution disperse：key indexes and mitigation strategies［J/OL］.Sustainable cities and society，2020，57：101955［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.scs.2019.101955. [百度学术]
黄亚平，卢有朋，单卓然，等.武汉市主城区热岛空间格局及其影响因素研究［J］.城市规划，2019，43（4）：41-47，52.HUANG Y P，LU Y P，SHAN Z R，et al.Study on spatial layout and influencing factors of heat island in the main urban area of Wuhan［J］.City planning review，2019，43（4）：41-47，52 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
李冉，王猛猛，张正加，等.遥感地表温度产品时空融合方法研究综述［J］.遥感学报，2022，26（12）：2433-2450.LI R，WANG M M，ZHANG Z J，et al.A review of spatiotemporal fusion methods for remotely sensed land surface temperature［J］.National remote sensing bulletin，2022，26（12）：2433-2450 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
骆杨，周锁铨，孙善磊，等.杭州城市热岛空间分布及时域–频域多尺度变化特征［J］.生态环境学报，2009，18（6）：2200-2205.LUO Y，ZHOU S Q，SUN S L，et al.Characteristics of multi-scale temporal-spatial distribution of urban heat island in Hangzhou［J］.Ecology and environmental sciences，2009，18（6）：2200-2205 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
孟凡超，黄鹤，郭军，等.天津城市热岛强度的精细化时空分布特征研究［J］.生态环境学报，2020，29（9）：1822-1829.MENG F C，HUANG H，GUO J，et al.Analysis of fine-scale spatial and temporal characteristics of Tianjin urban heat island intensity［J］.Ecology and environmental sciences，2020，29（9）：1822-1829 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
CAO Q，LUAN Q Z，LIU Y P，et al.The effects of 2D and 3D building morphology on urban environments：a multi-scale analysis in the Beijing metropolitan region［J/OL］.Building and environment，2021，192：107635［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.107635. [百度学术]
向易睿，张宇峰，石玉蓉.空间形态高度异质性城市LCZ地图制作方法研究［J］.建筑科学，2020，36（4）：62-69，113.XIANG Y R，ZHANG Y F，SHI Y R.Study on local climate zone mapping in highly spatially heterogeneous city［J］.Building science，2020，36（4）：62-69，113 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
STEWART I D，OKE T R.Local climate zones for urban temperature studies［J］.Bulletin of the American meteorological society，2012，93（12）：1879-1900. [百度学术]
江斯达，占文凤，杨俊，等.局地气候分区框架下城市热岛时空分异特征研究进展［J］.地理学报，2020，75（9）：1860-1878.JIANG S D，ZHAN W F，YANG J，et al.Urban heat island studies based on local climate zones：a systematic overview［J］.Acta geographica sinica，2020，75（9）：1860-1878 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
黄群芳.城市空间形态对城市热岛效应的多尺度影响研究进展［J］.地理科学，2021，41（10）：1832-1842.HUANG Q F.Effects of urban spatial morphology on urban heat island effect from multi-spatial scales perspectives［J］.Scientia geographica sinica，2021，41（10）：1832-1842 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
CAO Q，HUANG H，HONG Y N，et al.Modeling intra-urban differences in thermal environments and heat stress based on local climate zones in central Wuhan［J/OL］.Building and environment，2022，225：109625［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109625. [百度学术]
LIU X Q，HUANG B，LI R R，et al.Wind environment assessment and planning of urban natural ventilation corridors using GIS：Shenzhen as a case study［J/OL］.Urban climate，2022，42：101091［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.uclim.2022.101091. [百度学术]
YIN S，PENG L H，FENG N Y，et al.Spatial-temporal pattern in the cooling effect of a large urban forest and the factors driving it［J/OL］.Building and environment，2022，209：108676［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108676. [百度学术]
YANG P，REN G Y，LIU W D.Spatial and temporal characteristics of Beijing urban heat island intensity［J］.Journal of applied meteorology and climatology，2013，52（8）：1803-1816. [百度学术]
REN Y Y，REN G Y.A remote-sensing method of selecting reference stations for evaluating urbanization effect on surface air temperature trends［J］.Journal of climate，2011，24（13）：3179-3189. [百度学术]
ZHANG L，NIKOLOPOULOU M，GUO S J，et al.Impact of LCZs spatial pattern on urban heat island：a case study in Wuhan，China［J/OL］.Building and environment，2022，226：109785［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.buildenv. 2022.109785. [百度学术]
OKE T R. Boundary layer climates［M］. Abingdon， Oxon：Taylor and Francis，2002. [百度学术]
YANG X S，YAO L Y，JIN T，et al.Assessing the thermal behavior of different local climate zones in the Nanjing metropolis，China［J］.Building and environment，2018，137：171-184. [百度学术]
杨小山，姚灵烨，金涛，等.南京夏季城市局地气温时空变化特征［J］.土木与环境工程学报（中英文），2019，41（1）：160-167，174.YANG X S，YAO L Y，JIN T，et al.Temporal and spatial variations of local temperatures in the summer of Nanjing［J］.Journal of civil and environmental engineering，2019，41（1）：160-167，174 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
陈光，李楠，蔡云楠，等.基于LCZ的广州夏季热岛强度特征分析［J］.建筑科学，2021，37（6）：96-104.CHEN G，LI N，CAI Y N，et al.Analysis of the characteristics of heat island intensity based on LCZ in the summer of Guangzhou［J］.Building science，2021，37（6）：96-104 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
ZHANG Y W，ZHANG J L，ZHANG X Q，et al.Analyzing the characteristics of UHI （urban heat island） in summer daytime based on observations on 50 sites in 11 LCZ （local climate zone） types in Xi’an，China［J/OL］.Sustainability，2020，13（1）：83［2023-02-14］.https：//doi.org/10.3390/su13010083. [百度学术]
林中立，徐涵秋.基于局地气候分区体系的福州城市热环境研究［J］.地球信息科学学报，2022，24（1）：189-200.LIN Z L，XU H Q.A study of urban thermal environmental of Fuzhou based on “local climate zones”［J］.Journal of geo-information science，2022，24（1）：189-200 （in Chinese with English abstract）. [百度学术]
ANJOS M，TARGINO A，KRECL P，et al.Analysis of the urban heat island under different synoptic patterns using local climate zones［J/OL］.Building and environment，2020，185：107268［2023-02-14］.https：//doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.107268. [百度学术]