《Sustainable Cities and Society》：Urban heat exposure under extreme heatwaves: Decoupling urban form and spatial context effects with GeoSHAP
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摘要极端热浪正在加剧城市热风险，给具备气候适应能力的城市发展带来挑战。传统的可解释机器学习方法将城市形态指标的固有效应与取决于位置的空间背景效应混为一谈，从而限制了人们对热浪期间城市热应力暴露情况的理解。为解决这一问题，我们提出了GeoSHAP框架，用于划分中国南京的空间背景因素
摘要
极端热浪正在加剧城市热风险，给具备气候适应能力的城市发展带来挑战。传统的可解释机器学习方法将城市形态指标的固有效应与取决于位置的空间背景效应混为一谈，从而限制了人们对热浪期间城市热应力暴露情况的理解。为解决这一问题，我们提出了GeoSHAP框架，用于划分中国南京的空间背景因素与城市形态因素的贡献。热浪事件是通过ERA5数据及地面观测数据确定的，而街区级别的日平均累积热应力暴露量则是通过SOLWEIG模拟的UTCI值来量化的。基于20个多维指标的XGBoost-GeoSHAP模型将热效应分解为主要形态效应、空间交互效应以及背景效应，进而揭示出非线性阈值与空间异质性。研究结果表明，在整体归因中，主要形态效应占比61%，而与空间背景相关的因素中，空间交互效应占31%，空间背景效应占8%。在具体类别方面，景观特征占比36%，二维城市形态占比34%。在各个单独指标中，NDVI、BSF和ISF是影响最大的指标，它们存在非线性阈值，可为局部热风险管控提供依据。相比之下，尽管TCH、WMH和PD等指标的总体贡献较低，但它们具有显著的情境依赖性，其平均空间交互比高达56%，说明这些指标的效应深受空间背景的影响。这些发现区分了相对稳定的形态规律与受情境影响的效应边界，强调了需要那种超越单纯空间静态指标、能够适应不同情境的城市热适应设计。GeoSHAP框架为高密度、高温城市的热风险识别与规划管理提供了有效的分析工具。
章节节选
缩写词表
| 缩写词 | 全称 |
|---|
| GeoSHAP | 地理显式Shapley加性解释方法 |
| XGBoost | 极端梯度提升算法 |
| UTCI | 通用热气候指数 |
| HSE | 热应力暴露 |
| NDVI | 归一化植被指数 |
| ISF | 不透水表面比例 |
| BSF | 建筑表面比例 |
| BND | 建筑数量密度 |
| WMH | 加权平均高度 |
| HSD | 高度标准差 |
| SVF | 天空视域因子 |
| PD | 斑块密度 |
| ED | 边缘密度 |
| LSI | 景观形状指数 |
| TCH | 树冠高度 |
| FP | 建筑占地面积 |
| AR | 平面长宽比 |
| SF | 建筑形状 |
研究框架
本研究旨在探讨极端热浪期间街区级别热暴露的空间异质性以及与之相关的城市形态贡献模式。以基于UTCI的日平均累积热应力暴露指数作为因变量，本研究构建了一个整合热环境模拟、机器学习、空间统计学以及可解释人工智能技术的综合框架，用以明确各种影响因素的方向、相对重要性以及非线性关系。
热浪场景特征
根据ERA5长期气候数据得出的百分位数统计结果，2013年至2022年期间南京夏季的日最高气温第90百分位和第95百分位阈值分别为35.31℃和37.74℃。为评估屋顶气象数据的代表性及其时间一致性，2022年夏季将站点测量的日最高气温与ERA5-Land 2米高度的气温数据进行了对比。如图4所示，这两种温度数据
城市热暴露的层次化归因模式
本研究的一个核心发现是，极端热浪期间的街区级别热应力暴露呈现出层次化归因模式，并非仅由城市形态因素决定。通过GeoSHAP分解分析可知，主要形态效应占总贡献的61.5%，而空间交互效应和空间背景效应分别占比30.8%和7.7%。这表明城市形态仍是决定热暴露强度的主要物理因素，但其影响仍有一近40%
结论
本研究基于GeoSHAP框架，分析了在中国南京发生的极端热浪期间，城市形态效应、空间背景效应以及空间交互效应对街区级别热应力暴露的影响。通过分析2013年的2013个城市街区、20个城市指标、基于SOLWEIG的日平均累积热应力暴露模拟结果以及XGBoost-GeoSHAP分析结果，得出以下主要结论。
首先，热应力暴露主要受城市形态因素影响，但空间背景因素
资金支持
本研究得到了中国国家重点研发计划[项目编号2024YFC3809202]以及江苏省研究生科研实践创新计划[项目编号KYCX25_0490]的支持。
作者贡献声明
朱艳仪：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、资源整理、方法设计、资金申请、数据整理、概念构思。 赵林志：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、软件应用、方法设计、定量分析。 阿布杜雷赫曼·阿布杜瓦伊提：可视化处理、结果验证、方法设计、定量分析。 刘柯：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究指导。 徐晓东：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、项目管理工作、资金管理
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
朱艳仪|赵林志|阿布杜雷赫曼·阿布杜瓦伊提|刘柯|徐晓东
中国江苏省南京市玄武区四牌楼2号，东南大学建筑学院，邮编210096
