用于分析热量对室内热舒适度和城市气候适应性影响的概念模型：以智利中等规模城市为例

《Sustainable Cities and Society》：A conceptual model for the analysis of heat impacts on indoor thermal comfort and urban climate resilience: Application to medium-sized cities in Chile

　　摘要
我们开发了一个概念模型，用于评估当前和未来对智利29个中等规模城市的热影响。该模型结合了定性和定量数据，能够基于当前和预测的信息分析各种情景。模型考虑了最高温度升高、城市热岛（UHI）效应和热浪的综合影响，从而创建了一个全面的热影响指数。研究结果表明，在分析期开始时（2020年），83%的智利中等规模城市已经受到热影响；而在2020年至2060年间，这一比例增加了7%，到2060年底，仅有3个城市未受影响。该模型还跟踪了随时间的变化，揭示了如何通过具有气候敏感性的规划政策来减少因持续温度升高而受到热影响的人口，特别是在住宅的隔热措施和人均绿地面积方面。我们的概念模型可以用于智利的城市韧性规划，特别是在《气候变化法》（第21.455号）的背景下，该法律要求在部门、区域和市政层面制定当地气候行动计划。此外，该模型也可以轻松适应并应用于其他遭受人口热影响的国家和城市。

引言
21世纪是一个关键的转折点，其特征是全球城市化进程的加速以及对气候变化未来风险和观察到的影响的日益关注。在这种背景下，城市环境的质量以及城市构建韧性的能力——即在压力下吸收、适应和转变的同时维持关键功能和服务的能力（Folke, 2016; Meerow and Stults, 2016; Urquiza et al., 2021）——已成为日益紧迫的问题。拉丁美洲是世界上城市化程度最高的地区之一，几乎80%的人口居住在城市中；在智利，这一比例达到了87%（国家统计局（INE），2017年，国家统计局（INE），2024年）。
快速城市化与气候变化的结合意味着拉丁美洲的城市不仅是环境变化的主要驱动力，也极易受到其影响。随着密集的人口和建成环境与不断上升的温度相互作用，气候变化带来的挑战在城市环境中显现出来。城市气候是由城市表面、材料和活动造成的局部变化所决定的，这些变化改变了能量、质量和动量的自然平衡（Arnfield, 2003）。与城市韧性最相关且最直接关系到人类生活质量和健康的特征之一是城市热岛（UHI）。事实上，UHI加剧了极端热的影响（Miao et al., 2022; Oliveira et al., 2021; Tejedor et al., 2016），增加了热不适和热应激的风险因素（Moisa et al., 2022; Wang et al., 2024; Yin et al., 2023）。在城市气候风险的各个维度中，UHI效应因其对人类健康、热不适和热相关死亡率的直接影响以及广泛的记录而尤为突出，其作用机制不同于但又被更广泛的气候变暖轨迹所放大。全球温度的加速上升进一步加剧了这些风险，导致极端热事件更加频繁、强烈和持久，包括热浪（Perkins-Kirkpatrick and Lewis, 2020; Piticar, 2018）。例如，在智利，最近几十年不同纬度的城市中热浪的发生频率已经增加，对城市人口构成了日益严重的威胁（Henríquez et al., 2019; Smith et al., 2022）。最近的系统评价证实，UHI与热浪之间的复合交互作用是过去三十年中最受研究和关注的城市气候风险之一（Cheval et al., 2024）。这些动态也在智利的中等规模城市中得到体现，其中社会经济差异与UHI暴露程度相互作用，加剧了城市居民的脆弱性（Quintana-Talvac et al., 2021）。
虽然高温对整个城市人口构成风险，但某些条件会提高特定群体的脆弱性。特别是老年人、儿童以及患有糖尿病、哮喘和心血管疾病等慢性病的个体，以及低收入社区和少数族裔人口（Basu, 2009）。近年来，室内热暴露对健康的后果受到了越来越多的关注：室内温度的升高与从热不适到热相关死亡等一系列不良后果相关，对缺乏适当降温设施的低收入家庭影响尤为严重（Hampo et al., 2024）。进一步的研究表明，在极端热事件期间，室内环境可能从一个舒适的空间转变为一个急性生理风险的空间，尤其是对于居住在隔热不良住房中的老年人和人口（Lin et al., 2025）。
这一威胁的规模已经显而易见。实际上，在2000年至2019年期间，全球已有近50万人死于高温相关原因，2000-2003年和2016-2019年间过度热相关死亡率显著增加（Zhao et al., 2021）。预测表明，到2050年，每年全球因热应激导致的死亡人数可能增加2.5倍，到本世纪末，热应激预计将成为超过95%国家的主要风险（Lim, 2020）。此外，社会脆弱性的综合效应——包括低收入、住房质量和有限的降温设施——系统地决定了谁在城市中承受最大的热负担，这强调了需要采取以公平为中心的热缓解方法（Fung et al., 2024）。
这些令人担忧的预测突显了城市规划在塑造城市气候风险中的关键作用。通过土地使用设计、分配和分区，规划决策直接影响城市气候动态和模式（Oke et al., 2017）。来自智利城市的证据确实表明，这些决策可以加剧或缓解空气温度，其影响在日常和季节周期中有所波动（Sarricolea et al., 2022; Smith et al., 2023; Smith and Romero, 2016; Smith et al., 2022）。关键因素包括植被覆盖、表面温度和土壤不透水性。对五十年城市热脆弱性研究的全面科学计量分析证实，城市规划、公共卫生和建筑设计是塑造热暴露和风险的三个最相互关联的领域（Li et al., 2024）。在建筑层面，热绝缘和住房设计显著影响热能性能，UHI效应在较低社会经济社区的室内热不适中尤为明显——这一动态对拉丁美洲的中等规模城市尤为重要（López et al., 2024）。然而，尽管有这些证据，城市规划工具在很大程度上未能将气候复杂性作为土地使用和设计决策的指导原则——这一问题不仅在智利存在，在国际背景下也很普遍（Brandsma et al., 2024; Hurlimann et al., 2020）。
研究界一直在强调这一差距，并呼吁制定优先考虑气候敏感型城市规划的公共政策（Oke et al., 2017）。关于城市热韧性的新兴文献强调，有效的适应策略必须在多个层面上同时运作——从建筑层面的热性能到城市范围内的基础设施和治理机制——这些策略的时机和雄心与其设计同样重要（Fu et al., 2024; Wang et al., 2023）。这种方法要求将气候考虑系统地整合到决策中，承认城市对气候动态的影响，并采取适应和韧性策略来保障福利和舒适度。本研究基于三个相互关联的概念。气候韧性是指城市系统在应对气候压力时吸收、适应和转变的能力，同时维持关键功能和服务（Folke, 2016; Rockstrom et al., 2023）。城市韧性包括系统能力——治理安排、基础设施质量、生态系统服务和社会组织——使城市能够应对反复出现的气候压力（Meerow & Stults, 2016）。气候适应是指在政策、实践和基础设施中进行的有意调整，旨在减少对当前和预计气候变化的影响（Urquiza et al., 2021）。这些定义在整个手稿中一致使用。在这个意义上，韧性并不指一个固定的状态，而是城市系统在面临关键阈值和经历结构转型时保持功能的能力（Beevers et al., 2022; Bhamra et al., 2011; Mascare?o, 2022; Rockstrom et al., 2023; Ungar, 2018）。这一视角对于应对UHI尤为重要，其中韧性不仅涉及缓解即时热风险，还包括增强系统质量——例如，适应性设计、灵活的基础设施和治理，使城市能够抵御、从反复出现的热压力中恢复，并进行转变。适应性设计包括在建筑层面（如热绝缘、遮阳和自然通风）和城市层面（如城市形态、绿色基础设施和土地使用配置）的干预。这些层面相互依赖：家庭层面的热性能由更广泛的城市热动态塑造，并反过来影响这些动态，有效的气候适应需要在这两个层面采取连贯的行动。在热浪的具体背景下，韧性被概念化为城市系统和建筑在急性热应力下维持可接受热条件的能力——这种能力被称为“热韧性潜力”，并与建筑围护结构特征、城市形态和人口适应密切相关（Huang et al., 2023）。
应对这一挑战需要超越部门方法，将城市视为复杂的系统系统（Ernstson et al., 2010; Folke et al., 2021; Urquiza et al., 2021）。在这种视角中，半自主的子系统动态相互作用，既产生干扰风险，也创造适应机会（Urquiza et al., 2021; Walker et al., 2004）。这一级别的城市韧性取决于子系统的连贯性和自主性，以及平衡记忆、学习和自我转型的治理安排（Billi et al., 2021; Urquiza et al., 2021）。基于这种系统方法，我们的研究旨在通过研究如何评估和将相互依赖的动态纳入规划策略来操作化城市韧性。
在极端热日益加剧的条件下，这一挑战变得更加重要，因为建筑韧性需要同时解决室内热舒适度和更广泛的UHI效应。UHI缓解本质上是一个多尺度、多参与者的挑战，涉及广泛的干预措施——包括城市规划、绿色和蓝色基础设施、表面反照率管理和建筑层面的设计。建筑层面的措施是更广泛系统响应的一个组成部分，而不是主要或唯一的策略。这些目标是相互关联的，因为适应性设计和绝缘减少了家庭层面的脆弱性，而气候敏感型规划有助于城市层面的降温。它们共同构成了城市韧性的互补维度，塑造了即时的适应和长期减少热相关风险的策略。我们通过开发概念建模工具并将它们应用于涵盖智利29个中等规模城市的案例研究来操作化这一双重视角。这种关注对于推进城市气候变化尤为重要，原因有两个。首先，智利是拉丁美洲城市化程度最高的国家，为研究极端热与城市形态和规划的相互作用提供了关键背景。其次，中等规模城市在全球辩论中经常被忽视，但它们集中了相当一部分人口，并且在适应能力上存在结构性限制，使它们特别容易受到气候变化和城市化的双重压力。通过构建这个案例研究，我们通过动态概念地图追踪适应轨迹，评估在持续空气温度升高情况下改善室内热舒适度的策略，并测试规划工具在减轻UHI强度方面的有效性。在此过程中，我们强调室内舒适度是主要目标，而UHI缓解是增强整个城市系统中家庭层面利益的补充维度。
本研究的主要目标是开发并应用一个动态概念模型，该模型将建筑层面的室内热舒适度结果与城市规模的城市热动态结合起来，以便：（i）评估当前和未来对智利29个中等规模城市脆弱人口的热影响；（ii）评估热绝缘和气候敏感型城市设计作为政策干预的有效性；（iii）产生一个可复制的分析框架，适用于面临类似挑战的其他国家背景。据我们所知，这是第一个通过综合动态模型将建筑层面的室内热舒适度与城市规模的UHI动态和热浪暴露明确联系起来的城市气候韧性研究。该方法的新颖之处在于它将认知地图方法与定量的城市级数据相结合，其时间维度使得可以在40年的范围内（2020-2060年）评估政策转变，并且重点关注中等规模城市——这一人口群体在城市气候适应能力文献中常常被忽视。

**城市气候适应能力的概念网络模型**
本节介绍了一个城市气候适应能力的概念网络模型，重点研究极端高温、热浪、室内热舒适度以及城市热岛效应（UHI）之间的相互作用。这种基于认知地图方法的概念模型的主要价值在于其能够通过整合和综合的方式表示复杂且不确定的现象（例如，参见Wunderling等人（2021年）和Zachariah等人（2023年）类似的研究方法）。

**研究结果**
我们的结果显示，到2020年，所分析的城市中有83%（29个城市中的24个）已经经历了可测量的热影响。到2060年，这一比例上升到约90%（26个城市），只有3个城市（约10%）预计不会受到影响。该模型还确定了每个新受影响的城市在2020-2060年期间突破热影响阈值的时间点。

**气候强度（HI）与人口暴露（AP）的区别**
气候强度和人口暴露之间的区别揭示了两者在结构上的差异。

**关键发现讨论**
本研究旨在通过将室内热舒适度作为主要目标，并将城市热岛效应的缓解作为补充维度来操作化极端高温下的城市适应能力，从而放大城市层面的效益。基于将城市视为一个复杂的社会生态系统这一视角，我们开发了一个动态模型，该模型结合了对系统相互依存的定性分析和29个智利中等规模城市的定量数据。

**结论**
总之，这些发现表明，智利中等规模城市中的热影响已不再是一种新兴风险，而是一种已经普遍存在的现象，在无政策措施的情况下几乎不可逆转：到2020年，大多数分析的城市已经超过了热舒适度阈值，只有少数城市预计会在本世纪中叶之前不受影响。这重新定义了适应规划的重点——热暴露必须被视为一个需要管理的现实问题，而不是一个遥远的未来问题。

**作者贡献声明**
Axel Osses：撰写、审稿与编辑、原始草稿编写、可视化、验证、监督、软件开发、方法论设计、研究实施、资金获取、正式数据分析、数据整理、概念构思。
Pamela Smith：撰写、审稿与编辑、原始草稿编写、可视化、验证、方法论设计、研究实施、资金获取、正式数据分析、数据整理、概念构思。
Rubén Calvo：撰写、审稿与编辑、原始草稿编写、可视化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有任何已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢气候与适应能力研究中心（CR2）的持续支持（FONDAP/ANID 1523A0002项目）。AO、RC和PS还感谢FONDEF和IT23I0095项目的资助。AO还感谢数学建模中心CMM FB210005（Basal-ANID）、Fondecyt 1240200和1231404项目以及DO ANID技术中心（DO210001、ECOS 240038项目）的资助。EB感谢Fondecyt 11240322项目和ANID-Mileno项目。CA由国家博士奖学金项目#21200803（2020年）资助。

**作者名单**
Axel Osses | Pamela Smith | Rubén Calvo | Estela Blanco | Emir Chacra | Eugenia M. Gayo | Catalina Amigo | Anahí Urquiza

**机构背景**
智利气候与适应能力研究中心