期刊：Nature

中文题目：卫星图像揭示人类夜间活动的波动性日益加剧

英文题目：Satellite imagery reveals increasing volatility in human night-time activity

作者：Tian Li, Zhuosen Wang, Christopher C. M. Kyba, Miguel O. Román, Karen C. Seto, Yun Yang, Shi Qiu, Theres Kuester, Michail Fragkias, Xiang Chen, Thomas H. Meyer, Chadwick D. Rittenhouse, Xiaonan Tai, Mari Cullerton, Falu Hong, Ashley Grinstead, Kexin Song, Ji Won Suh, Xiucheng Yang, Virginia L. Kalb, Chengbin Deng & Zhe Zhu

摘要

夜间人造光（ALAN）标志着人类活动对全球的影响。但是，对其真实变化规律的理解一直较为有限，通常依赖于时间上经过聚合的卫星数据，这些数据掩盖了更精细的动态变化。本研究利用每日夜间卫星图像和一种连续变化检测方法，绘制了2014-2022年全球高频夜间人造光动态图。研究结果挑战了光照强度变化主要呈渐进且单向这一主流观点。相反，地球的夜间灯光出人意料地充满动态，其特征是频繁且并存的变亮与变暗现象。平均而言，在经历变化的每个地点，9年间发生了6.6次显著转变。受这种波动性驱动，全球夜间人造光变化总面积中，突发性变化累计达205万平方公里，渐变性变化累计达1904万平方公里。亮度增强带来的辐射通量增加相当于2014年全球基准值的34%，而亮度减弱则抵消了其中18%。值得注意的是，过去十年间，亮度增强和减弱现象均显著加剧。人类夜间活动波动性加剧的这一证据，为理解城市演变、能源转型、政策影响以及快速变化的夜间照明所带来的生态后果提供了重要的动态维度。

研究背景

人工夜间光照（ALAN）不仅是地球从太空中可见的人类活动印记，更是一种直接且可量化的社会与经济信号。它反映了人类如何建设与运行聚居地、经济活动的强弱以及面对危机与机遇时的响应。因此，ALAN的变化方向、位置与强度对于评估全球变化、基础设施转型和能源政策至关重要。然而，过去几十年的全球ALAN趋势评估主要依赖于时间合成数据，这些数据虽然成功绘制了长期光污染扩展、城市蔓延等宏观趋势，但时间聚合不可避免地掩盖了短期波动以及变亮与变暗并存的双向变化。事实上，人类活动所导致的ALAN变化并非均匀、线性或稳定的过程，而是涵盖从数周至数月的突发事件到持续数年的渐变趋势。由于传统数据无法可靠识别这些不同时间尺度的变化，我们很难将光照变化与具体的因果事件联系起来，也无法精确评估政策干预的效果，更难以全面理解快速变化夜间环境对生态系统的复杂影响。近年来，NASA发布的Black Marble每日夜间灯光产品（VNP46A2）经过大气校正、月球双向反射分布函数校正以及多角度校正，显著提高了辐射稳定性，并提供了云、雪等污染标记，为定量化分析每日夜间灯光动态创造了前所未有的机会。然而，每日数据也面临来自云层、观测几何变化、积雪等噪声的干扰，其噪声幅度往往超过真实变化信号，使得大多数常规算法难以有效分离信号与噪声。

研究结果

（1）全球ALAN整体呈现高频波动、亮暗共存、双向同步增强的特征

2014-2022年，全球至少发生一次灯光变化的曾变化区域达351万km²，所有发生变化的像元平均每块区域经历6.6次显著明暗转变，推翻了灯光长期稳定渐变的传统认知。9年间全球累计ALAN变化总面积达2109万km²，其中突变型变化205万km²、渐变型变化1904万km²，累计变化面积是2014年全球基线亮灯区的5.5倍。全球夜间灯光总辐射度净增长16%，其中亮化贡献相当于2014年基线的34%，暗化抵消了18%；亮暗两种过程在过去十年均显著加剧，相互抵消后共同塑造全球夜间格局。

（2）全球ALAN变化可明确划分为突变型与渐变型两类，时空特征差异显著

突变型ALAN变化以数周至数月的阶跃式跳变为特征，14%的变化区域仅发生突变，35%的区域同时存在突变与渐变，超20%的受影响区域经历过多次突变，主要驱动因素包括城市建设与拆除、自然灾害导致的停电、武装冲突、电网崩溃、油气燃烧波动等离散事件。渐变型ALAN变化为持续1年以上的缓慢单调趋势，51%的变化区域仅发生渐变，且94%的渐变过程持续超过1年，稳定性较强，主要驱动因素包括城市化扩张、LED路灯改造、节能与光污染治理政策、暗空保护、人口收缩、基础设施老化导致的去电气化等长期社会经济过程。

（3）全球ALAN变化空间格局高度异质，区域分异特征鲜明

亮化主导区域集中在亚洲与非洲：中国、印度是全球累计变化面积最大的国家，中国亮化集中在东部与中部的城市化和工业扩张区，印度呈现南部持续亮化、北部早期亮化的特征，撒哈拉以南非洲因农村电气化与城镇发展出现大面积亮化。暗化主导区域以欧洲、委内瑞拉、美国东部最为典型：欧洲整体净暗化4%，法国、英国、荷兰降幅最显著，由LED节能改造与光污染政策驱动；委内瑞拉因经济崩溃、基础设施衰败，灯光辐射度下降超26%；美国东部与中西部因老城区去密度化、制造业衰退、节能技术应用出现暗化。高波动双向变化区域主要为美国中部油气盆地、中东产油区，随油气开采周期呈现剧烈的亮暗反复震荡。

（4）全球ALAN夜间环境波动性持续加剧，2020年后受全球性冲击影响波动陡增

2014-2022年，亮化强度显著上升，变暗面积显著扩张；变暗强度虽呈加深趋势，但未达到统计显著水平，整体夜间灯光系统的动态性与波动性持续增强。2020年新冠疫情全球封锁导致亚洲等地区出现突发性大规模暗化，2022年俄乌冲突引发欧洲能源危机，多国实施节能关灯措施，出现显著的区域性暗化信号。从国家尺度趋势分型来看，全球国家可分为亮化增暗化减、亮暗同步增、亮化减暗化增、亮暗双降，其中亮化与暗化同步增加的国家数量最多。

（5）全球ALAN亮暗变化的驱动机制类型清晰、分异明确

突变型亮化以非住宅开发、基础设施建设、农村电气化为核心驱动；突变型暗化首要原因是天然气燃烧减少，其次为电网故障、自然灾害、武装冲突等。渐变型亮化由持续城市扩张、经济发展、人口集聚驱动；渐变型暗化则主要源于基础设施老化导致的去电气化，以及发达国家的节能政策、LED改造、城市收缩等过程。

图1：全球ALAN变化产品（2014-2022年）。

图2：2014年至2022年全球ALAN变化的时频特征及其推测的驱动因素。

图3：2014年至2022年ALAN辐射亮度变化的全球分布。

图4：2014年至2022年全球及各国和地区ALAN辐射亮度变化的时空趋势。

图5：基于NTL的ALAN日变化图通过突出显示特定的突变，展现了夜间的动态变化。

研究意义

本研究的发现对科学认知、方法论以及实际应用均具有深远意义。

（1）它要求我们重新审视ALAN作为社会经济代理指标的有效性。由于ALAN变化呈现出强烈的双向性和波动性，简单的将净辐射变化与GDP等宏观经济指标进行线性相关分析可能会产生严重误导。突发事件会对社会技术系统产生外生冲击，形成动态且具有时滞的相互依赖关系，这需要采用更高级的计量方法才能正确建模。

（2）本研究提供的逐日、高空间分辨率、区分突变与渐变、明确方向与强度的ALAN变化数据集，为城市演化、能源转型和政策效果评估提供了数据基础。

（3）本研究展示了对社会扰动的近实时监测潜力。从疫情封锁到武装冲突，从经济崩溃到飓风灾害，每日夜间灯光变化都可以作为快速、客观、大范围的监测指标，服务于人道主义援助、应急响应和基础设施韧性评估。

（4）在生态与环境保护方面，理解光污染的动态波动而非静态分布，对于评估夜行生物、人类健康和生态系统对光照变化的适应性具有重要意义。

研究创新

（1）本研究首次使用每日级夜间灯光开展全球研究，突破传统月度或年度数据限制，捕捉此前完全丢失的短期、突发、双向灯光信号。

（2）本研究改进VZACOLD算法适配ALAN变化检测，引入观测天顶角分层消除角度噪声，通过谐波模型拟合去除季节效应，实现突变与渐变同步提取，严格阈值过滤保证低误检率，支持全球大区域高效并行处理。

（3）本研究发现波动性加剧的全球夜间灯光新规律，证明全球夜间灯光不是越来越亮，而是越来越动荡，亮暗两股力量同步增强，为理解全球变化提供全新维度。

（4）本研究将ALAN从经济代理指标升级为社会动态传感器，可近实时捕捉疫情、战争、能源危机、灾害、政策等外生冲击，成为监测社会系统韧性的关键遥感指标。

研究对我们工作的启示

在遥感与地理科研中需推动从时间聚合数据向高时空分辨率原生数据的范式转变，重视大气、地形等噪声校正以提取有效信号；发展适配高频率数据的连续变化检测技术，重点攻克强噪声背景下微弱变化识别、变化多维度特征量化及区域尺度高效并行计算难题；打破单向线性变化的固有思维，同时量化复杂系统中正向与反向过程的强度、频率，将波动性作为系统状态的核心评价指标；推动遥感应用从事后静态制图向事中近实时动态监测与事前预警延伸；并强化遥感与社会经济、生态、公共卫生等领域的深度跨学科融合，实现观测、解释、预测的完整闭环，为应急管理、政策评估、生态保护等提供精准科学支撑。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10260-w

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：杨旭

初审：任杰

复审：杜军

终审：鲁鹏