基于可解释机器学习评估复合热浪-臭氧事件的脆弱性：来自中国大湾区的证据

《Sustainable Cities and Society》：Assessing vulnerability to compound heatwave-ozone events using explainable machine learning: Evidence from the Greater Bay Area, China

　　

CHOE脆弱性热点集聚于广州-佛山城市核心区。暴露度主导CHOE-VI；敏感度与适应能力塑造其格局。不透水面在紧凑型LCZ中居首；通风度在植被型LCZ中居首。LCZ 1-2（紧凑建成区）呈现不平衡的风险放大与适应性SHAP值。

引言

在气候变化加剧和快速城市化的背景下，城市环境风险正日益从单一灾害演变为复合风险。复合天气和气候事件通常由多个气候驱动因素和/或灾害过程的共同作用形成，其影响往往大于单个事件影响的简单加总（Zscheischler等，2018；Zscheischler等，2020）。复合型热浪-臭氧事件（CHOE）作为极端高温与臭氧污染并发的一种典型复合事件，因这两种胁迫因子往往在相似的暖季条件下同时出现并共同加剧环境和健康风险，而受到日益增长的重视（Wang等，2025）。从公共卫生角度看，CHOE的影响尤为显著：现有证据表明，其关联的日超额死亡率风险是单独热事件的2.32倍，是单独臭氧污染事件的3.48倍（Hertig等，2020；Su等，2025）。此外，近年来中国城市的CHOE暴露度持续上升（Su等，2025），表明此类事件已成为城市环境健康领域中值得特别关注的复合风险之一（Zhou等，2025）。

城市化被广泛认为是CHOE形成与加剧的重要背景（Wang等，2025）。一方面，城市扩张改变了土地利用结构和城市形态，从而影响局地能量平衡和热环境（Shi等，2025），加剧城市热岛效应，并为臭氧光化学生成创造有利热力条件。另一方面，密集的人类活动增加了NOx和VOCs等臭氧前体物的排放，进一步促进臭氧积累（Zuraski等，2025；Zhang等，2024）。在热力环境加剧和污染物排放增加的共同作用下，城市区域往往成为CHOE风险的显著热点（An等，2023）。尽管已有研究在国家或区域尺度上刻画了CHOE的时空格局及其气象驱动因素，如温度、环流和辐射条件（An等，2023；Huang等，2023），但在城市内部尺度上的风险形成过程与格局仍缺乏充分理解。在粤港澳大湾区等大都市区，城市越来越多地嵌入由城际经济联系、基础设施连通和跨界合作塑造的功能互联系统中，因此通常在都会区尺度上而非作为孤立的行政单元来考察（Xu等，2025a）。同时，来自大湾区的最新证据也凸显了显著的内部经济社会生态分异，表明其一体化区域结构并未消除城市聚落内部存在的实质性空间异质性（Xu等，2025b）。城市天生具有异质性，不同建成环境在热量积聚、污染物扩散和人口暴露方面存在显著差异；这些差异可能进一步加剧复合事件的空间不均衡。近年来，本地气候区（LCZ）框架因整合了建筑高度、密度和土地覆盖属性（Stewart和Oke，2012；Bechtel等，2015）而成为刻画城市形态差异的重要工具，并被广泛应用于城市热环境研究（Aslam等，2021；Meng等，2025）。然而，现有研究主要关注LCZ与单一热相关风险之间的关系，而LCZ在复合污染条件下的作用仍有待探索。此外，基于LCZ的形态差异如何与CHOE脆弱性（超越单纯的暴露度）相关联，仍是一个关键的、尚未解决的知识空白。

同时，城市气候风险研究已逐步从单一暴露分析转向基于暴露度、敏感度和适应能力（ESA）的整合脆弱性框架（Reid等，2009）。现有研究表明，热相关风险不仅取决于环境暴露度，还取决于人口结构、社会经济条件和基础设施水平（Wu等，2024；Zhang等，2025；Zou等，2025）。随着研究转向更精细的空间尺度，LCZ框架和多尺度空间分析方法已被用于揭示城市内部脆弱性的空间异质性（Chen等，2025；Emino?lu和?elik，2026）。因此，一个关键的研究生存空白依然在于：复合型热浪-臭氧脆弱性产生于两种并发胁迫因子的共同作用下，其环境控制因素相互重叠但并不完全相同——例如通风度同时关联于灾害的热力分量和光化学分量。在这种共享但不完全相同的控制结构下，城市形态与复合脆弱性的关联方式不能简单地从既往单一灾害证据中推演得出，也尚未得到系统检验。弥补这一空白需要从暴露度刻画转向脆弱性评估，并刻画城市形态因子与复合脆弱性的关联如何在不同形态间发生变化。然而，现有大多数研究仍聚焦于单一气候风险，对CHOE条件下的脆弱性关注相对较少，特别是在非线性多因子效应和空间非平稳性的系统刻画方面。因此，将复合气候事件纳入脆弱性评估框架，对于深化复合风险认知和提升城市气候适应能力至关重要（Madrigano等，2015；Cui等，2025）。现有CHOE研究主要聚焦于事件识别、时空格局或气象驱动因素（An等，2023；Huang等，2023），近期工作已评估了未来增温的影响（Cui等，2025）。然而，关于为何不同城市空间单元表现出不同水平的CHOE脆弱性的解释仍相对有限。特别是在高度城市化地区，脆弱性可能与复合事件本身的强度以及城市形态差异（Su等，2026）、人口敏感度和适应性资源分布（Chen等，2025）相关。换言之，从事件暴露转向脆弱性评估，不仅有助于识别高风险区域，还能刻画这些区域在形态和社会经济特征上如何系统性地存在差异，以及哪些因子与脆弱性升高表现出最强关联。

作为世界上城市化速度最快和人口密度最高的地区之一，粤港澳大湾区（GBA）以复杂的城市形态、多中心空间结构和巨大的环境压力为特征，是研究复合环境风险的理想场域。已有研究表明，大湾区的CHOE风险高度集中于城市核心区，并受气象条件和城市化过程的共同塑造（Huang等，2023；Su等，2025）。然而，关于不同建成环境如何与CHOE脆弱性的空间分异及其驱动因素相关联的系统理解仍然有限。为弥补这一空白，本研究采用整合复合事件分析、脆弱性评估和城市形态解译的综合分析设计。具体而言，本研究回答三个问题：CHOE脆弱性在区域范围内呈现何种空间格局；不同LCZ类型在脆弱性上是否存在显著差异；多因子如何以非线性方式与CHOE脆弱性相关联，以及这些关联在空间上如何变化。本研究做出三项主要贡献，围绕CHOE脆弱性的空间格局和构成结构而非特定方法的应用展开。首先，将复合型热浪-臭氧风险分析从暴露度刻画——即现有大多数CHOE研究的焦点——推进至脆弱性评估，刻画在可比暴露条件下不同城市单元如何在脆弱性特征上存在系统性差异。其次，记录建成环境因子与CHOE脆弱性的关联具有形态条件性而非均匀性：通过LCZ对城市地表进行分层表明，相同因子（不透水面、通风度、人类活动）在紧凑、工业和自然建成环境中表现出系统性不同的关联强度。第三，刻画了脆弱性-因子关联由此产生的空间异质性，为形态敏感性和空间差异化的适应策略（而非区域一刀切策略）提供可解释的基础。这些分析要素共同实现对CHOE脆弱性的形态敏感解读，在空间上明确地将复合暴露、城市形态和基于模型的指标关系联系起来。

研究区域

本研究聚焦于中国粤港澳大湾区（图1），包括广东省九个城市（广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门和肇庆）以及香港和澳门特别行政区。研究区域面积约为56,000平方公里，常住人口超过8,600万。大湾区位于亚热带季风气候区，夏季炎热潮湿。暖季……

研究设计

本研究构建了一个由三个组成部分构成的整合分析框架：脆弱性评估、基于模型的关联分析和基于LCZ的形态比较。首先，在ESA框架下整合多源数据集以构建CHOE脆弱性指数。其次，采用XGBoost对CHOE-VI与多个输入变量之间的非线性统计关联进行建模，同时应用SHAP（Shapley加性解释）来量化……

CHOE暴露的空间格局及其LCZ差异

CHOE暴露呈现清晰的核心-外围格局，高值集中分布于广州-佛山城市核心区，并向东莞、惠州和肇庆的部分区域延伸，而江门和珠江口沿海地区（中山、珠海、香港和澳门）则以中低和低暴露水平为主。基于LCZ的分析揭示了地表类型之间的显著差异。高暴露主要与LCZ 6、LCZ E和LCZ 3相关，表明……

全球模型变量重要性与关联格局

XGBoost-SHAP分析揭示了各解释变量对模型输出（CHOE-VI）贡献的显著差异（图9）。就全局重要性而言，不透水面比例（S7_ISR）的平均绝对SHAP值最高（0.0394），其次是通风系数（A5_VC）、距海岸距离（A6_DistCoast）和夜间灯光强度（S5_NTL），而其余变量贡献相对较低。SHAP分布进一步表明，较高值……

讨论

本研究评估了粤港澳大湾区CHOE脆弱性的空间格局和形态敏感性关联。与分别考察热或臭氧的研究相比，本研究更加关注在高度城市化环境中二者的复合发生与空间分异。已有研究表明，城市中的复合型热浪-臭氧事件往往与加剧的热力环境和污染物……

CRediT作者贡献声明

李永春：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、方法论、形式化分析、数据整理、概念构思。高晓勇：数据整理、概念构思。刘大千：写作—审阅与编辑。朱佳璐：写作—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金（42171236）和中国科学院东北地理与农业生态研究所学科发展基金（E4ZXS40201）资助。

李永春|高晓勇|刘大千|朱佳璐