蓝-绿空间形态指标对夏季热舒适的交互效应：来自中国重庆城市公园的证据

《Frontiers in Forests and Global Change》：Interaction effects of blue-green spaces’ morphological indicators on thermal comfort during summer: evidence from urban parks in Chongqing, China

　　

蓝-绿空间形态可能通过独立效应和交互效应影响热舒适，然而交互效应仍未被充分探索。为了检验这些效应，研究人员在重庆的六个城市公园中建立了120个缓冲区。利用实地测量、模拟和ArcGIS，评估了每个缓冲区的生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature，PET）和六个蓝-绿空间形态指标。引入了三种交互形式：协同（synergy）、加速（acceleration）和补偿（compensation）。采用随机森林（Random Forest，RF）和SHapley Additive exPlanation（SHAP）模型来识别指标交互影响PET的方向和重要性，并揭示了时间变化。加速效应对降低PET的影响最强，其次是协同和补偿效应。绿色空间比率（Green Space Ratio，GSR）的二次项表现出加速效应并降低了PET。诸如水域面积比率（Water Area Ratio，WAR）、蓝-绿空间总面积比率（Total Area Ratio of Blue-Green Space，TARBG）和共享岸线长度比率（Shared Shoreline Length Ratio，SSLR）等指标发挥协同作用。当绿色或蓝色空间降低PET的效果减弱时，SSLR适度补充调节。在早晨，GSR和WAR加速蒸散发；在中午，SSLR通过通风和蒸发补偿有限的水体冷却；在傍晚，TARBG和其他指标通过协同和补偿降低PET。这些发现为优化蓝-绿空间的配置提供了理论基础。

随着城市化加速，全球城市人口预计到2050年将达68.4%，城市热岛效应加剧，对公众健康构成显著威胁。蓝-绿空间因成本效益和环境可持续性成为缓解热应激的重要手段，但其形态指标对热舒适的影响不仅包括独立效应，还包括交互效应，而交互效应尚未被充分探索。本研究旨在揭示蓝-绿空间形态指标对夏季城市公园热舒适的独立和交互效应，并考察其时间变化，为气候适应性设计提供理论依据。论文发表在《Frontiers in Forests and Global Change》。

研究人员在重庆六个典型城市公园（HHP、SMP、BLP、SPP、BGP、YGP）沿水域设置120个缓冲区（半径20 m和40 m）。通过实地气象测量（Kestrel 5500手持气象站，90个测点，每2小时记录风速、风向、温度、相对湿度）和ENVI-met模拟（网格分辨率2 m，模拟时段06:00–22:00）获取生理等效温度（PET）；利用遥感影像（1 m×1 m）监督分类提取蓝-绿空间，并在ArcGIS和Fragstats中计算六个形态指标：绿色空间比率（GSR）、水域面积比率（WAR）、蓝-绿空间总面积比率（TARBG）、绿色空间景观形状指数（GSLSI）、水体景观形状指数（WBLSI）和共享岸线长度比率（SSLR）。构建三种交互形式（乘积项对应协同、平方项对应加速、对数项对应补偿），共107个交互项；采用随机森林（RF）模型和SHAP方法分析交互项对PET的重要性及方向，并比较早晨、中午、傍晚和全天四个时段的变化。

**结果**
**3.1 模型验证**：通过对比模拟与实测的空气温度（Ta）和相对湿度（RH），Ta的均方根误差（RMSE）为1.43 °C，R²为0.797；RH的RMSE为5.98%，R²为0.825。一致性指数（d）分别为0.95和0.97，表明模拟与实测数据高度一致。

**3.2 蓝-绿空间形态指标对PET的边际效应**：通过偏依赖图（PDP）分析，各指标与PET呈非线性关系。WBLSI在0.2–0.8范围内增大显著降低PET（中午除外，中等WBLSI升高PET）；GSLSI低于0.5时降低PET，超过后效应饱和。WAR增大降低PET，但中午效应减弱并波动。GSR低于0.25时降低PET，超过0.25后PET上升。SSLR超过0.75后效应饱和；TARBG在低于0.25或高于0.75时降低PET更显著，中间范围（0.25–0.75）改善有限。

**3.3 交互效应的识别与表征**：通过SHAP值排序，不同时段主导交互项不同。早晨：GSR²×WAR最重要，加速蒸散发；WAR²×GSLSI和GSR×Log(SSLR)等体现协同与补偿。中午：SSLR最频繁出现，与GSR和WBLSI形成关键交互，如GSR²×SSLR和SSLR×Log(WBLSI)，补偿水体冷却不足。傍晚：WAR×TARBG最有效，GSR×Log(WAR)补偿蓝空间冷却减弱；GSR²×GSLSI加速降低PET。全天：TARBG最频繁，GSR²×TARBG主导，多指标协同维持稳定热调节。

**讨论部分总结**：讨论了个体指标的非线性效应，如WAR在中午的波动与水深和热分层有关，GSR存在最优阈值，与已有研究一致。交互机制比较分析显示，早晨GSR和WAR协同加速蒸散发；中午SSLR通过补偿机制增强局部通风和蒸散发；傍晚TARBG主导协同释热。物理机制方面，早晨绿空间先升温启动蒸腾，与蓝空间蒸发协同；中午绿空间遮荫主导，SSLR连接界面增强气流；傍晚蓝空间因高热容持续缓冲，绿空间补充调节。

**结论部分翻译**：本研究旨在揭示城市公园蓝-绿空间的热舒适调节机制，特别关注夏季一天中不同时段各形态指标的功能差异和交互关系。构建了六类蓝-绿空间形态指标，包括覆盖面积、形状复杂度和边界特征，结合ENVI-met模拟、RF模型和SHAP解释方法，系统评估了单个指标及其交互项对PET的影响。总体而言，交互效应分析识别出三种调节机制：（1）由平方项驱动的加速效应，如GSR与WAR的交互，绿空间扩张带来热舒适倍增改善；（2）由对数项代表的补偿效应，延长SSLR可在蓝空间面积有限时部分抵消热舒适不足；（3）由乘积项形成的协同效应，如TARBG与SSLR的组合，在所有时段均持续提升热舒适。跨时段交互效应分析揭示了蓝-绿空间热调节的动态特征：（1）早晨，蓝绿共同贡献加性效应，显著加速热量释放；（2）中午，增加共享岸线长度通过增强局部通风和蒸散发发挥关键补偿作用，有效缓解热负荷；（3）傍晚，蓝-绿空间总面积结合其他结构指标促进累积热量的高效耗散，改善整体热舒适。在设计优化中，应优先加强蓝-绿空间的空间耦合，增强岸线连通性和边界复杂度，构建具有协同调节能力的蓝-绿系统。城市公园蓝-绿空间的形态优化应强调指标组合的动态协调，避免单个要素过度扩张，从而实现更高效、稳定的热舒适调节。这些发现为城市蓝-绿空间的时间响应性空间配置提供了理论支持，并为非线性建模在城市微气候研究中的应用提供了方法指导。