利用Urban Tethys-Chloris模型对由2D/3D城市形态驱动的城市热暴露进行逐小时建模

《Sustainable Cities and Society》：Hourly modeling of urban heat exposure driven by 2D/3D urban form using the Urban Tethys-Chloris model

　　摘要：城市热岛效应与快速城市化进程加剧了城市核心区域的热暴露风险。然而，由于缺乏小时级数据分析以及难以明确主要驱动因素，使得针对不同季节和时段的热缓解策略难以制定。本研究采用Urban Tethys-Chloris模型，以通用热气候指数作为主要热暴露指标，对2019年4月至9月北京五环路内的热状况进行了小时级模拟。在方法上，本研究通过将该模型与GAM方差分解及交互作用分析相结合，量化了二维表面特性（树冠覆盖率、草地覆盖率、不透水地面覆盖率）与三维城市形态（高度宽度比、建筑高度）对UTCI的相对贡献。模拟结果与三个监测站的每小时2米空气温度数据对比，相关系数为0.93–0.97，平均绝对误差为1.49–2.25℃，绝对平均偏差小于1.0℃；不过UTCI值是根据模拟得到的气象和辐射参数计算出的，目前尚无直接的行人水平UTCI或平均辐射温度观测数据。区域平均UTCI值显示，从10点左右开始出现强烈热应力（≥32℃），并在14点左右达到峰值，这表明仅依据空气温度进行评估可能会延迟对户外热风险的识别。在基于GAM的层次化分解分析中，高度宽度比可解释正午UTCI相对偏差的40%，说明峡谷形貌在调节热暴露方面起着重要作用。总体而言，UTCI与树冠覆盖率呈负相关趋势，但在某些白天气段，当树冠覆盖率接近0.4时，UTCI的下降幅度会减弱。这些研究结果强调了白天遮荫的重要性，并指出高比例不透水区域可能需要更厚的树冠覆盖来缓解基于UTCI的热应力。这些发现为制定针对不同时段的城市热缓解及热健康适应策略提供了依据。

引言：快速城市化与城市热岛效应在时间和空间上日益交织，从而增加了城市面临热暴露及相关健康风险的可能性。高温会导致热相关疾病增加，降低劳动生产率，还会给电力、医疗等关键基础设施带来压力（Ebi等人，2021；Li等人，2025a；Zhang等人，2018）。随着气候变暖的持续，这些风险预计还将进一步加剧。许多地区的热相关死亡人数有望上升（Mora等人，2017；Vicedo-Cabrera等人，2021）。因此，准确掌握城市内部温度水平、空间分布特征及时间变化趋势，对于城市规划与气候适应工作至关重要。城市内部温度差异的主要驱动因素是城市形态，它可由二维表面构成与三维城市结构这两个相互关联的要素来概括（Wang等人，2025）。在二维层面，土地利用与土地覆盖类型会改变表面辐射平衡、蒸散作用以及近地表空气动力学条件（Fang等人，2024；Hao等人，2023）。道路、屋顶等不透水表面通过辐射、热学和水分相关的表面特性，如反照率、发射率、体积热容、热导率、层厚度以及有限的水分含量，影响城市的热量储存与释放。较高的热容量加上有限的水分，会增加白天的热量储存，延缓热量释放，进而延长近地表温度升高及热暴露的时间段（Boujelbene等人，2023；Ryu和Baik，2012；Zhang等人，2022）。植被减少会削弱蒸发冷却作用及局部增湿效果，从而促进热量积累（Chapman等人，2018；Hao等人，2023）。另有研究表明，绿化效果会因季节不同而有所差异，且存在非线性特征，即随着绿化覆盖率的提高，其边际效益会逐渐降低（Li等人，2023；Meili等人，2021）。这些特点表明，评估绿化效果时应结合具体的时间与季节背景，而不能仅依靠平均指标（Smith等人，2025）。在三维层面，建筑高度与峡谷形态会改变表面粗糙度与高度差，进而影响湍流交换与通风状况。尤其是峡谷的高度宽度比，会影响短波辐射的进入、遮荫模式以及长波辐射交换，进而决定平均辐射温度与户外热应力水平（Lu等人，2023；Martilli等人，2024；Qaid等人，2018；Shata等人，2021；Zeng等人，2024）。在强太阳辐射条件下，遮荫可以降低正午的辐射负荷。而在风速较小或处于深峡谷区域时，有限的通风条件与长波辐射滞留效应会导致傍晚时分热量难以散发。因此，通风与辐射的作用强度会随季节及峡谷形态的不同而变化（Abd Elraouf等人，2022；Necira等人，2024）。最新研究还指出，随着城市日益向垂直方向发展，仅依赖二维指标可能会低估三维结构的作用，从而导致对主要驱动因素的判断出现偏差（Wang等人，2025）。要量化这些由城市形态引发的过程，就需要具备足够空间覆盖范围和时间连续性的城市内部温度数据。目前常用的方法有三种：观测监测、卫星遥感以及基于过程的数值建模。城市气象站可为模型验证提供近地表参考数据，但由于建设与维护成本高昂、空间覆盖范围有限，且易受站点所在环境条件的影响，其在城市尺度的气候分析中的应用受到限制（deSouza等人，2022；Lassen等人，2021；Leconte等人，2020；Nú?ez-Peiró等人，2021；Parlow和Foken，2021；Potgieter等人，2021；Qian等人，2022）。卫星热红外传感器能够提供大范围、高分辨率的地表温度数据，但其时间采样频率较低，不足以用于描述近地表的城市空气温度状况（Logan等人，2020；Naserikia等人，2023）。基于过程的模型，如表面城市能量与水分平衡方案，能够对能量与水分耦合过程进行物理上合理的模拟，并输出时间连续的数据（J?rvi等人，2011）。基于建筑细节的模拟方法，如大涡模拟模型，虽然能够在较高空间分辨率下呈现城市过程，但需要大量的计算资源，尤其是在需要考虑复杂的辐射与表面过程时（Salim等人，2022）。另一种更具可行性的方法是把城市树冠或城市地表参数化方案与数值天气预报模型相结合（Ribeiro等人，2021；Schoetter等人，2020；Zhao等人，2021；Zhao等人，2024）。不过，在许多城市地表与树冠模型应用中，植被与水文过程的模拟复杂程度仍存在差异。Urban-PLUMBER项目是对专注于局地尺度表面-大气能量交换的城市地表模型进行的比较研究，该研究表明现有模型包括非城市型、平板型、双瓦片型、峡谷型以及更为复杂的城市型模型，但这些模型类别中并未一致地体现详细的土壤-水分-植被过程；在某些模型中，复杂的建筑形态描述与相对简单的水文或植被模拟方案相结合使用（Lipson等人，2023）。这一局限性很重要，因为植被对城市热环境的影响不仅取决于植被覆盖度，还与土壤含水量、气孔调节机制以及由此产生的蒸散作用密切相关。Urban Tethys-Chloris模型将生态水文过程纳入城市树冠范畴内。该模型能够清晰地体现光合作用与气孔导度的相互作用，以及土壤含水量对蒸散作用的限制，同时还能考虑树冠遮荫、短波与长波辐射交换以及空气动力学阻力等因素（Fatichi等人，2012a；2012b；Ryu和Baik，2012）。该模型能够在较低的计算成本下实现小时级模拟与情景分析，可输出表面温度、2米高度空气温度以及2米相对湿度数据。UT&C模型根据模拟得到的短波与长波辐射通量计算平均辐射温度，再结合2米空气温度、相对湿度、平均辐射温度以及行人水平的风速，最终得出通用热气候指数。由于UTCI综合考虑了温度、湿度、辐射与风力等多种条件，相比单纯使用空气温度，能更全面地反映人类的热应力状况，因此被用作主要的热暴露评估指标（Chen等人，2025）。UT&C模型已在多种气候与城市环境中得到验证，能够较好地再现城市热环境的典型特征（Meili等人，2020；Meili等人，2021；Meili等人，2022；Zhang等人，2022），因此非常适合用于基于过程的热暴露评估，也能为城市规划提供有益的参考。尽管在理解城市热环境方面已取得不少进展，但仍存在三方面的局限。首先，许多研究依赖每日或每月的统计数据，或是来自少数监测站的小时级观测数据，这限制了人们识别日间温度差异以及确定城市尺度上这些现象驱动因素的能力（Chang等人，2023；Naserikia等人，2023；Stewart等人，2021）。其次，关于二维表面特性与三维城市形态如何在不同季节及不同时间阶段影响热暴露的结论仍存在分歧（Abd Elraouf等人，2022；Lin等人，2024；Stretton等人，2022；2023）。第三，热暴露驱动因素的阈值、饱和点以及转折点等非线性特征尚未得到充分量化（Chen等人，2024；Liu等人，2024）。更重要的是，目前很少有研究将小时级、城市尺度的基于过程的模拟与非线性交互作用分析相结合，在统一的城市生态水文建模框架下共同评估二维表面特性与三维城市形态的影响。随着全球变暖的持续，北京出现的高温事件频率与强度都在不断增加。城市热岛效应与气候变异性的叠加，使得城市核心区域成为热危害的高发地带（Liang等人，2023；Wang等人，2021）。在五环路区域内，人口与人类活动高度集中，白天的热暴露问题尤为突出。因此，本研究聚焦2019年4月至9月的白天时段，利用小时级的UT&C模型模拟结果，构建了一个统一的时空分析框架。本研究共有四个目标：首先，量化并分析研究区域内的小时级城市热状况，为后续分析影响因素奠定基础；其次，比较二维表面特性与三维城市形态在影响行人热暴露方面的相对作用，并分析这两种因素的影响如何在不同月份及不同白天气段发生变化；第三，确定关键驱动因素的非线性响应范围及其边际效应的变化情况，为绿化措施与城市形态优化提供可参考的阈值信息；第四，总结出与热暴露高发时段相匹配的适应策略，为制定针对性更强、更具季节性的降温措施提供依据。

研究区域与分析时段：研究区域为北京五环路内的城市核心区（见图1），属于温带半湿润季风气候。该区域以不透水表面为主，绿地与水体数量较少且分布零散。据估算，五环路范围内约有1000万居民居住，平均人口密度约为15,000人/平方公里（Wang等人，2023），这一密度与某些城市的人口密度相当。

地表温度的验证：为评估模拟得到的表面温度的可靠性，我们将模型输出结果与MODIS在上午晚些时候及下午早些时候的观测数据进行了对比。由于模型输出为小时级数据，我们选取了北京时间10:00、11:00、13:00和14:00这四个时刻的数据，来反映卫星过境时段附近的温度状况。在验证过程中，我们将4月至9月期间卫星测得的地表温度与模型模拟得到的地表温度分别取平均值，得到小时级平均值。

与以往研究及规划建议的对比：我们的研究结果与多城市的观测及遥感研究结果一致，即在强烈的夏季白昼辐射条件下，树冠覆盖率存在明显的阈值效应，且超过一定阈值后，进一步提高树冠覆盖率带来的降温效益会逐渐降低，不过这一阈值会因城市形态的不同而有所差异（Barghchi等人，2024；Li等人，2023）。

结论：本研究利用UT&C模型，分析了2019年4月至9月期间北京五环路区域（05:00–20:00）的小时级热暴露状况，并通过引入交互项及交互对比的GAM方法，构建了一个统一的时空分析框架，用以量化关键二维与三维结构因素所带来的线性与非线性响应。根据UTCI定义的热应力出现时间比仅依据空气温度判断的要更早，持续时间也更长，这表明仅通过2米高度空气温度进行评估可能会出现偏差。

数据来源：ERA5-Land数据可在https://cds.climate.copernicus.eu/获取。MODIS 1公里分辨率产品可在https://search.earthdata.nasa.gov找到。国家基准站54511的相关数据可在https://data.cma.cn/查询。LAI指数相关数据可在https://glass.bnu.edu.cn/introduction/LAI.html获取。建筑高度数据可在https://doi.org/10.5281/zenodo.7923866找到。建筑矢量数据可在https://doi.org/10.5281/zenodo.8174931获取。UGS-1m数据可在https://doi.org/10.5194/essd-15-555-2023获取。UBGGC数据也可通过相应渠道获取。

RediT作者贡献说明：刘晓宇负责文本撰写与修改、原始稿撰写、可视化处理、数据验证、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理以及概念构思工作；王振博负责项目监督、资源协调及资金筹措工作；李晓婷负责文本撰写与修改、项目监督、资源协调、数据整理以及概念构思工作；孙旭负责数据整理工作。李光东：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政、方法论、调查、资金筹措。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所汇报工作的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了中国国家自然科学基金（42322108和42121001）的支持。刘晓宇|王振波|李晓婷|孙旭|李光东中国科学院地理科学与资源研究所，北京，中国