城市蔓延模式如何塑造炎热夏季的热环境：基于中国338个城市的实证分析

《Environmental Impact Assessment Review》：How urban sprawl patterns shape the thermal environment during hot summers: An empirical analysis of 338 Chinese cities

为揭示城市蔓延空间格局对热环境的异质性影响，研究团队以中国338个城市为样本，采用地理加权回归模型(GWRM)分析1990-2020年夏季热环境演变规律。结果显示蔓延模式存在双重异质性热效应：集聚性蔓延在东南沿海、环渤海及东北西北部呈现降温效应，而在西南地区加剧热应力；碎片化蔓延在东南沿海和西北-西南过渡带显著改善热环境。该研究为制定区域适应性热减缓策略提供了科学依据，发表于《Environmental Impact Assessment Review》。

　　

随着全球变暖趋势加剧，城市热环境恶化已成为威胁城市可持续发展的突出问题。近年来，众多城市在夏季经历着气温上升、热异常加剧和极端气候事件频发的困境。过去二十年全球城市区域以每十年0.5K的速率升温，比农村地区快29%。在中国，自20世纪中期至2020年代，城市气温上升了0.3-0.8°C，同时强热事件频率和强度均增加了一倍。这种热环境恶化对基础设施、生态系统和公共健康构成严重风险。

城市蔓延被认为是热环境变化的主要驱动因素之一。传统研究多从蔓延范围、速率或空间区位等单一维度探讨其与热环境的关系，而忽视了蔓延模式的多维特性。城市蔓延通过将自然土地转化为建成区，减少植被覆盖、削弱蒸散作用、增加地表不透水性，进而推高区域温度。更快的蔓延速度往往意味着更密集的建设活动和更急剧的土地利用变化，阻碍蓝绿基础设施的及时发展，削弱热调节能力。当蔓延侵占生态敏感区域或通风廊道时，还会破坏生态功能并降低局部通风效率。

鉴于城市系统的复杂性和异质性，分析蔓延模式有助于更全面理解城市扩张的多维本质。研究人员通常将城市蔓延模式分为四类：中心化(centering)、集聚化(clustering)、碎片化(fragmentation)和复杂化(complexity)，每种模式都与不同的热响应机制相关联。然而，由于当地气候条件、地理背景和发展阶段的差异，这些模式的热影响在不同城市间可能存在显著差异。大多数研究强调城市内部关系，忽视了城市间异质性，这种忽视可能过度简化复杂动态，削弱气候响应型规划和政策制定的有效性。

为填补这些研究空白，本研究系统考察了不同城市蔓延模式如何影响炎热夏季的热环境，使用了中国338个城市的数据。自20世纪末以来，快速的城市蔓延，在多样化的气候、地理和人口变化影响下，在中国各地形成了 distinct 的蔓延模式。这种变异为在城市层面探索蔓延-热关系空间异质性提供了机会。

本研究采用地理加权回归模型(GWRM)揭示蔓延模式与热环境的空间非平稳性关系。研究首先基于1990年和2020年的建成区边界数据，利用Fragstats 4.2计算了四个景观指数：最大斑块指数(LPI)表征中心化，聚合指数(AI)表征集聚化，分裂指数(SPLIT)表征碎片化，景观形状指数(LSI)表征复杂化。同时，使用1km月均温度数据集表征城市热环境，并纳入夜间灯光强度、人口密度、蓝绿空间面积、建成区面积变化率以及高程、坡度作为控制变量。

通过空间自相关分析发现，温度变化存在显著的全局空间聚类(Global Moran's I=0.74)。局部空间聚类显示，高温-高聚类主要集中在北方城市，而低温-低聚类主要分布在南方城市，揭示了温度变化的显著南北差异。

模型比较表明，GWRM相比普通最小二乘法模型(OLSM)具有明显更好的拟合效果，调整R²从0.28提升至0.90，AICc从306.64降低至-268.14，证实了变量间关系的空间非平稳性。

研究结果显示，1990-2020年间，338个城市平均温度上升0.67°C，呈现明显的南北梯度特征。最显著的升温发生在西北和东北地区，温度增幅达1.21-1.57°C，而最南端的热带城市则出现降温趋势。

四种蔓延模式的空间分布特征各异：LPI平均下降2.13，AI平均上升0.51，LSI和SPLIT分别平均增加4.69和0.27。LPI和AI的变化呈现部分相似的空间趋势，表现为西部城市下降而东南沿海城市上升；LSI在北方城市显著增加，表明边界扩张不规则性增强；SPLIT在东部沿海城市出现下降，表明建成区扩张更加连续。

中心化蔓延(LPI)仅在14个城市对温度产生显著影响，表明其在热环境塑造中作用有限。在东南沿海城市，较高的中心化程度伴随热环境的轻微改善，这可能源于其对跳跃式发展的遏制作用和资源整合效益。

集聚化蔓延(AI)表现出明显的空间异质性：在东南沿海、环渤海、东北和西北地区，AI增加有助于降温，而在西南地区则加剧热应力。这种差异主要归因于地形和气候条件的区域差异：沿海地区受益于海陆风环流，平原地区通过保护外围蓝绿空间发挥冷却源功能，而西南盆地地形则限制了空气流通。

复杂化蔓延(LSI)在长江三角洲和西北-西南过渡带显著恶化热环境，不规则的城市扩张导致热负荷增加和绿空间连续性破坏。而在北方城市，复杂化对热环境影响不显著，可能与较低的发展强度和地形约束有关。

碎片化蔓延(SPLIT)在所有显著影响的城市中均改善热环境，特别是在东南沿海和西北-西南过渡带。更碎片化的建成区模式意味着不透水表面与蓝绿空间交织，增强了蒸散作用，中断了地表热积累，促进了空气流通。

基于这些发现，研究识别了七个优化区域并提出了相应的规划策略。东南沿海地区作为优先优化区，需要采取整体性适应规划策略；环渤海地区应促进集聚化、热弹性城市发展模式；西北-西南过渡带需重点减少形态复杂性并增加生态间距；东北、西北、西南和长三角地区则根据单一主导蔓延模式采取针对性措施。

该研究的创新性在于系统考察了城市尺度蔓延模式对热环境的异质性影响，突破了传统单一维度研究的局限。通过揭示蔓延模式的双重异质性热效应，为制定区域特异性热减缓策略提供了科学依据，对推进气候适应性城市发展具有重要实践意义。研究结果强调，未来城市规划应充分考虑本地地理气候特征，采取差异化的空间发展策略，以增强城市热韧性。