Urban expansion and the evolution of urban heat islands in java's metropolitan regions : a spatiotemporal analysis of Java island

국문 초록 (Abstract)

급속한 도시 확장은 자바섬 대도시권 전역에서 도시열섬（Urban Heat Island, UHI） 현상을 심화시키고 있다. 그러나 서로 다른 대도시 시스템에서 도시 성장과 열환경 변화가 시간과 공간에 따라 어떻게 함께 진화하는지를 종합적으로 분석한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구는 2015년부터 2024년까지 자바섬 7개 대도시권을 대상으로 도시열섬의 시공간적 변화와 도시 확장 간의 관계를 분석하였다. 도시열섬의 시공간적 변화 패턴을 규명하기 위해 （Emerging Hot Spot Analysis, EHSA）를 적용하였으며, 도시 확장과 열환경 변화 간의 관계를 분석하기 위해 （Spatial Coupling Index, SCI）와 GeoDetector를 활용하였다. 또한 도시 및 열환경 특성에 기반한 대도시 유형을 도출하기 위해 K-Means 군집분석을 수행하였다. 분석 결과, 7개 대도시권 중 6개 지역에서 시가화 면적이 증가하였으며, 순증가율은 1.47~15.14%p 범위로 나타났다. 열적 핫스팟의 변화 양상은 공간적 분포와 시간적 진화 측면에서 대도시권별로 상당한 차이를 보였다. 모든 대도시권에서 시가화 확대와 도시열섬 변화 간 강한 또는 매우 강한 공간적 결합 관계가 확인되었으며, 이는 도시 확장과 열환경 변화가 높은 공간적 대응성을 가진다는 것을 의미한다. 그러나 시가화 면적이 공간적 온도 변화를 설명하는 설명력은 지역별로 큰 차이를 보였다. 도시 성장이 집중적으로 이루어진 대도시권에서는 도시 확장과 열환경 간의 관계가 더욱 강하게 나타난 반면, 열적 핫스팟이 광범위하게 확산된 대도시권에서는 도시열섬의 심각성이 더 높음에도 불구하고 시가화 면적의 설명력은 상대적으로 낮게 나타났다. 분석 결과, 대도시권은 저지대 열스트레스형 대도시권（Lowland Thermally Stressed Metropolises）, 고지대 열완충형 대도시권（Highland Thermally Buffered Metropolises）, 고도시확장 열섬집중형 대도시권（High-Expansion UHI Consolidation Metropolises）의 세 가지 유형으로 구분되었다. 본 연구는 도시와 열환경의 시공간적 공진화（co-evolution）를 이해하기 위한 분석 틀을 제시하며, 급속한 도시화가 진행되는 지역에서 대도시권 특성을 반영한 도시열섬 완화 전략 수립에 기여할 수 있는 시사점을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rapid urban expansion across Java's metropolitan regions has intensified Urban Heat Island （UHI） effects, yet comprehensive spatiotemporal analyses examining how urban growth and thermal dynamics co-evolve across different metropolitan systems remain limited. This study investigates the spatiotemporal evolution of UHI and its relationship with urban expansion across seven metropolitan regions in Java from 2015 to 2024. Emerging Hot Spot Analysis （EHSA） was employed to identify spatiotemporal patterns of UHI dynamics, while the Spatial Coupling Index （SCI） and GeoDetector were used to examine the relationship between urban expansion and thermal change. K-Means clustering was subsequently applied to identify metropolitan typologies based on urban-thermal characteristics. The results show that built-up area increased across six of the seven metropolitan regions, with net gains ranging from 1.47 to 15.14 percentage points. Thermal hotspot dynamics varied substantially in their spatial configuration and temporal evolution. Strong to very strong spatial coupling between built-up growth and UHI dynamics was observed across all metropolitan regions, indicating a close spatial correspondence between urban expansion and thermal change. However, the explanatory power of built-up area on spatial temperature variation differed considerably among regions. Metropolitan regions experiencing concentrated urban growth exhibited stronger urban–thermal relationships, whereas regions characterized by more extensive thermal hotspot development exhibited weaker explanatory power despite more severe UHI conditions. Three metropolitan typologies were identified: lowland thermally stressed metropolises, highland thermally buffered metropolises, and high-expansion UHI consolidation metropolises. These findings provide a spatiotemporal analytical framework for understanding urban–thermal co-evolution and support the development of metropolitan-specific heat mitigation strategies in rapidly urbanizing regions.

목차 (Table of Contents)

• Chapter I Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Problem Statement 3
• 1.3. Goals and Research Objectives 4
• 1.4. Research Scope 5
• Chapter II Literature Review 8
• 2.1. Urban Expansion 8
• 2.2. Urban Heat Island (UHI) 14
• 2.3. Spatial Analysis 17
• Chapter III Methodology 21
• 3.1. Research Nature, Type, and Approach 21
• 3.2. Study Area Profile 21
• 3.3. Data Collection Method 29
• 3.4. Data Analysis Method 30
• 3.5. Conceptual Framework 36
• Chapter IV Analysis 38
• 4.1. Analyzing the Spatiotemporal Dynamics of UHI and Urban Expansion 38
• 4.2. Examining the Spatial Relationship between Urban Expansion and UHI 60
• 4.3. Metropolitan Typology Classification: K-Means Clustering and Policy Implications 70
• Chapter V Conclusion and Recommendation 88
• 5.1. Conclusion 88
• 5.2. Limitations and Future Research Directions 89
• 5.3. Policy Recommendations 89
• References 93