优化“冷岛网络框架”以构建城市降温空间格局

《Sustainable Cities and Society》：Optimizing the Cold Island Network Framework to Construct the Urban Cooling Spatial Pattern

快速城市化导致蓝绿空间碎片化，削弱城市降温能力。本研究构建连接导向的冷岛网络优化框架，融合形态空间分析（MSPA）与景观连通性分析，量化冷却源扩散阻力，通过电路理论模型优化冷岛网络，识别9个一级、5个二级和2个三级冷却源，形成18条一级、12条二级和2条三级冷却走廊，并确定48个优先保护点和26个障碍改善点。经对比验证，电路理论模型较成本连通性模型提升15.2%网络连接度，降温效益达UTCI指数降低1.8℃。研究为城市热岛治理提供系统性空间优化路径。

　　近年来，随着全球城市化进程的加快，人类活动的范围和强度不断扩大，给城市热环境带来了前所未有的挑战。大规模的城市扩张和土地开发不仅深刻改变了地表热特性，还削弱了蓝绿空间（Blue-Green Spaces, BGSs）的自然降温能力，导致复杂的热应激条件。因此，城市降温空间变得越来越碎片化，降温功能也逐渐衰退，热负荷显著增加。权威机构如世界气象组织（WMO）和政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估指出，气候变化已成为威胁社会稳定和生态系统可持续性的关键因素。面对这一全球性挑战，联合国通过《巴黎协定》、《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）、《可持续发展目标》（SDGs）和《新城市议程》等关键政策框架，强调了提升城市适应能力和韧性、加强热环境调控和降温能力的重要性。这些政策被视为全球共识和战略优先事项。

作为一个人口众多且快速发展的新兴经济体，中国面临着日益严重的城市热风险。自2022年以来，中国积极履行国际承诺，将气候适应纳入国家发展战略规划，并全面部署措施，重点针对极端高温健康保护和热风险管理工作，展现出对城市热问题的高度重视和系统性应对。因此，在城市化对降温空间造成显著侵占以及多方面挑战日益加剧的背景下，探索可行的城市降温解决方案对于保障城市气候舒适度、推动区域和全球可持续发展目标具有重要意义。

在城市环境中，蓝绿空间是最重要的自然降温来源之一。它们具备多种生态功能，包括蒸散发降温、遮荫调节温度以及促进通风和空气流动。蓝绿空间构成了城市冷岛（Cold Island）形成的基础。实际上，冷岛空间是基于蓝绿空间自然形成的局部降温区域，既是调节城市热环境的关键节点，也是缓解城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）的有效手段。因此，基于蓝绿空间构建系统且连通的冷岛网络具有重要的理论价值和实践意义。

然而，现有的研究往往受到“孤立斑块”视角的限制，主要关注单个绿地或水体对局部地表温度的降温效果，缺乏对冷岛网络整体连通性的系统性分析。例如，Zhang 等（2025）采用城市降温模型研究了不同土地覆盖类型与地表温度变化之间的关系，发现森林表现出最显著的降温效果。Zhou 等（2014）则利用遥感影像研究了不同规模的城市绿地对热岛效应的影响，揭示了绿地面积与降温强度之间的显著相关性。Lu 等（2024）在武汉研究了平均水体降温强度与精细尺度水体降温强度在高温期间的表现。然而，这些研究主要聚焦于孤立斑块和局部空间单元，未能充分考虑冷岛网络整体连通性对热环境调控的关键作用。

近年来，越来越多的研究强调冷岛连通性在缓解热岛效应中的核心作用。Mokhtari 等（2022）指出，当冷岛之间的连通性较差时，即使存在局部的绿地或水体，整体的降温潜力仍可能显著降低。Debbage 和 Shepherd（2015）进一步强调，建立空间连续且结构稳固的冷岛网络是缓解快速城市化带来的不良热效应的有效策略。在此基础上，学者们逐步突破了孤立斑块研究的局限。一方面，明确关键降温源有助于划定城市发展的空间边界，遏制无序城市扩张对这些降温区域的侵占。另一方面，由于冷岛在城市化过程中往往高度碎片化，建立降温走廊可以连接孤立的降温源，促进网络形成并提升降温效果。识别关键网络节点对于确保网络的高效运行同样至关重要。此外，冷岛网络不仅增强了城市热环境的韧性，还有助于优化城市宜居性和气候适应能力，从而支持可持续城市发展。

尽管对冷岛网络连通性的研究日益受到重视，但相关研究仍存在一定的局限性。例如，Liu 等（2024）结合空间主成分分析和最小累积阻力（MCR）模型，模拟了福州的城市通风和降温路径的空间分布。其他学者则对深圳的冷岛与热岛空间连通性进行了研究，提供了直观的可视化表示以阐明热传递关系（Qunyue Liu 等，2025）。总体而言，大多数分析仍局限于空间可视化，缺乏定量指标来评估网络优化对改善城市热环境的具体贡献。此外，研究往往依赖单一方法，而缺乏对不同方法的比较分析，这在一定程度上阻碍了研究成果向政策制定和实际干预的有效转化。

因此，本研究构建了一个冷岛网络优化框架，即“增强连通性-优化冷岛网络框架-建立城市降温空间模式”，旨在通过提升空间连通性对冷岛网络进行全面优化。首先，通过整合形态空间模式分析（MSPA）和景观连通性评估，识别出关键降温源，确保这些降温源不仅具有显著的降温效果，还具备较强的空间连通性。其次，在构建阻力面时，本研究综合考虑了人类活动干扰与自然降温因素的综合作用，选择相关变量进行加权叠加，生成一个复合阻力面。这一过程确保了阻力面能够反映自然条件下的基础降温能力，并准确表征人为干预对降温效果扩散的制约。最后，本研究应用电路理论模型对冷岛网络进行优化，进一步识别出降温走廊中的“瓶颈点”（促进连通性）和“障碍点”（阻碍连通性），从而构建一个结构合理的冷岛网络优化框架。此外，我们引入了网络连通性指数和空间对比分析，用于比较电路理论模型与成本连通性模型的效果。我们还引入了通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index, UTCI）以进一步验证降温网络的降温效果。

本研究以武汉为案例，探讨如何通过提升空间连通性优化冷岛网络。武汉位于中国中部的江汉平原东部（113°41’-115°05’ E, 29°58’-31°22’ N），是湖北省的省会及中国重要的中心城市。城市由13个行政区组成，总面积达8,569.15平方公里。其地形特征为中部低洼平原，周围分布着山地，北部地区以低山为主。武汉属于湿润亚热带季风气候，具有显著的夏季高温和高湿度特征。这种气候条件使得城市热环境问题尤为突出，尤其是在城市化进程中，冷岛区域被不断压缩，导致热环境压力增大，城市降温能力下降。因此，本研究选择武汉作为案例，旨在通过增强连通性全面优化降温网络，探索如何构建有效的城市降温空间模式。

通过本研究的分析，我们明确了冷岛网络优化的几个关键问题：（1）如何优化冷岛网络框架？（2）如何有效构建城市冷岛空间模式？（3）基于电路理论模型构建的冷岛网络是否优于基于成本连通性模型的网络？针对这些问题，本研究通过一系列方法和技术，对冷岛网络进行了深入分析和优化。首先，通过形态空间模式分析（MSPA）和景观连通性评估，识别出武汉的主要降温源，包括9个一级、5个二级和2个三级降温源。其次，构建了阻力面，综合考虑了人类活动干扰和自然降温因素的综合作用，选择相关变量进行加权叠加，生成一个复合阻力面。这一过程确保了阻力面能够反映自然条件下的基础降温能力，并准确表征人为干预对降温效果扩散的制约。最后，应用电路理论模型对冷岛网络进行优化，进一步识别出降温走廊中的“瓶颈点”和“障碍点”，从而构建一个结构合理的冷岛网络优化框架。

在构建降温走廊的过程中，我们识别了18个一级、12个二级和2个三级降温走廊，以及48个“瓶颈点”（优先保护区域）和26个“障碍点”（优先改善区域）。通过这些分析，我们不仅明确了冷岛网络优化的具体路径，还提供了对城市热环境管理的系统性建议。此外，我们引入了网络连通性指数和空间对比分析，用于比较电路理论模型与成本连通性模型的效果。结果表明，电路理论模型在提升冷岛网络连通性方面表现出更优的性能。我们还引入了通用热气候指数（UTCI）以进一步验证降温网络的降温效果。通过UTCI的分析，我们发现降温走廊在改善城市热环境方面具有显著的降温效益。

通过本研究的分析，我们不仅揭示了冷岛网络优化的必要性和可行性，还为城市热环境管理提供了一套系统性的优化路径。这些路径包括明确关键降温源、构建阻力面、优化降温走廊以及识别和修复瓶颈点和障碍点。通过这些措施，我们能够有效提升冷岛网络的连通性和完整性，从而增强城市热环境的调控能力。此外，本研究的成果也为缓解城市热岛效应、改善微气候和推动可持续城市发展提供了重要的理论支持和实践指导。

本研究的成果表明，基于电路理论模型构建的冷岛网络在提升连通性和降温效果方面具有显著优势。通过网络连通性指数的分析，我们发现电路理论模型在提升冷岛网络连通性方面优于成本连通性模型。此外，UTCI的引入进一步验证了降温网络的降温效果，表明降温走廊在改善城市热环境方面具有重要作用。这些研究结果不仅为武汉的城市热环境管理提供了科学依据，也为其他城市在应对热岛效应和优化热环境调控方面提供了可借鉴的经验。

本研究的实施还为城市规划和管理提供了新的视角和工具。通过构建冷岛网络优化框架，我们能够更全面地理解城市热环境的形成机制和调控路径。这不仅有助于识别和修复关键的降温节点，还能为城市规划提供科学支持，确保在城市化进程中能够有效保护和利用蓝绿空间。此外，本研究的成果还为城市气候适应能力的提升提供了重要参考，有助于构建更加宜居和可持续的城市环境。

在实际应用中，冷岛网络优化框架可以为城市管理者提供决策支持。通过明确关键降温源和降温走廊，管理者可以更有针对性地制定城市绿化和水体保护政策，确保这些措施能够有效提升城市的降温能力。此外，识别和修复瓶颈点和障碍点可以为城市基础设施建设提供指导，确保降温走廊的连通性和有效性。这些措施不仅有助于改善城市的微气候，还能为城市居民提供更加舒适的居住环境，从而提升城市的宜居性和生活质量。

本研究的成果还为未来的城市热环境研究提供了新的方向。通过引入定量指标和比较分析，我们能够更准确地评估冷岛网络优化对城市热环境的具体贡献。此外，结合多种方法和技术，我们能够更全面地理解冷岛网络的形成机制和调控路径。这些研究方法不仅适用于武汉，也适用于其他城市，为全球城市热环境管理提供了可推广的经验和模式。

在城市可持续发展背景下，冷岛网络优化具有重要的现实意义。通过提升冷岛网络的连通性和完整性，我们能够有效增强城市的热环境调控能力，缓解热岛效应带来的不良影响。此外，优化冷岛网络还能为城市规划提供科学支持，确保在城市化进程中能够有效保护和利用蓝绿空间。这些措施不仅有助于改善城市的微气候，还能为城市居民提供更加舒适的居住环境，从而提升城市的宜居性和生活质量。

综上所述，本研究通过构建冷岛网络优化框架，系统性地分析了城市热环境的形成机制和调控路径。研究结果表明，基于电路理论模型构建的冷岛网络在提升连通性和降温效果方面具有显著优势。通过引入定量指标和比较分析，我们能够更准确地评估冷岛网络优化对城市热环境的具体贡献。此外，本研究的成果还为城市规划和管理提供了科学支持，确保在城市化进程中能够有效保护和利用蓝绿空间。这些措施不仅有助于改善城市的微气候，还能为城市居民提供更加舒适的居住环境，从而提升城市的宜居性和生活质量。本研究的实施为武汉的城市热环境管理提供了科学依据，也为其他城市在应对热岛效应和优化热环境调控方面提供了可借鉴的经验和模式。