综述：面向城市热韧性的数字孪生原型：框架与分类模型的系统综述

《Sustainable Cities and Society》：Digital Twins Archetypes for Urban Heat Resilience: A Systematic Review of Frameworks and Classification Models

　　

摘要
城市热已成为当今全球城市面临的最关键气候挑战之一，随着全球变暖、城市热岛（UHI）效应和快速城市化的加剧而日益严峻。在本综述中，城市热韧性的数字孪生（DT）是一种动态、双向的虚拟复制品，它持续整合热、环境和社会空间数据，以监测状况、测试干预措施并支持治理决策，明确旨在减少与热相关的风险。尽管数字孪生在城市场热管理中显示出潜力，但其在热韧性方面的应用仍然偏向物理层面且功能碎片化。现有系统可以识别热量最强烈的区域，但很少整合社会环境脆弱性来确定谁面临的最大风险。本文遵循 PRISMA 指南，对城市热韧性中数字孪生的应用进行了系统综述，综合了 2020 年至 2026 年发表的 35 篇同行评审研究。本综述考察了技术架构、数据来源、建模方法和热韧性功能。基于研究结果，提出了五种热韧性数字孪生原型。映射和缓解原型相对成熟，而以脆弱性、公平性和治理为导向的原型仍然发展不足。五个结构性差距界定了下一代议程：（1）缺乏随条件变化而更新的动态脆弱性模型；（2）从原型到完全运营、城市规模部署的过渡有限；（3）本综述中确定的五种数字孪生原型之间的互操作性有限；（4）验证主要局限于单地点、单季节的试点研究，而非在多个地点、季节或热浪事件中进行测试；以及（5）时间适应性有限，因为大多数框架虽然更新实时传感器数据，但其底层结构层保持静态。研究结果直接关系到建成环境实践，对户外热舒适度评估、气候适应性城市设计和建筑尺度热韧性规划具有意义。本综述呼吁新一代支持主动、注重公平的热韧性治理的城市热数字孪生。

引言
城市极端高温是当今城市面临的最紧迫的气候相关风险之一。气候变暖和快速城市化共同增加了高温事件的频率、严重性和持续时间（Yu 等，2026），城市热岛（UHI）效应使得密集的建筑形式、不透水材料和人类活动使城市比周围的农村地区更温暖，从而加剧了这一现象（Guo 等，2026）。最近的全球证据表明，与 UHI 相关的热浪暴露现在已成为全球性的城市风险（Cheval 等，2024），通常在夜间更强，使高温成为持续日夜的压力源，而不是短暂的白天事件（Possega 等，2022）。未来的预测强化了这一危机的紧迫性，显示热浪预计将在多个地区变得更加频繁、持久和强烈（Ramarao 等，2024）；东南亚城市预计热浪频率和持续时间将大幅增加（Yu 等，2025）；在较高排放的气候情景下，一些美国城市在 21 世纪末经历的热浪天数可能是最近历史几十年的两到四倍（Bhattarai 等，2025）。因此，城市热韧性必须成为长期规划的重点，而不仅仅是对孤立事件的应急响应（Bhattarai 等，2025；Ramarao 等，2024）。高温暴露在城市间也不均匀，随当地气候、土地覆盖、城市形态和人口分布而变化。细尺度绘图发现，同一城市内一些社区比其他社区明显更热（McIntyre 等，2025），表明城市平均值可能会掩盖当地热点、持续的夜间暴露和社区层面的脆弱性。解决这一问题需要高分辨率、空间显式且对情境敏感的方法，以识别热量风险最大的地方以及干预措施最有效的地方（Yutong Li 等，2025）。

城市极端高温不仅是一种物理现象；其健康后果取决于热暴露与人口脆弱性之间的相互作用，包括敏感性和适应能力的差异。热 - 健康风险框架认为，风险源于热危害、暴露人口以及塑造脆弱性的社会和环境条件之间的相互作用（Tsai 等，2026）。这意味着相同的温度可能会产生非常不同的健康结果，这取决于年龄、收入、住房质量、获得冷却的途径、基础设施条件和社区环境（Choi 等，2026）。热韧性必须超越单纯测量温度，整合社会经济、人口、环境和基础设施指标（Yutong Li 等，2025），并纳入结合评估、规划、设计和后评估的主动框架（B. Huang 等，2025）。成都防热框架说明了这一方法，结合脆弱性、暴露、敏感性、适应性和社会经济指标来确定优先干预区域（Yutong Li 等，2025）。这种向主动、数据驱动的韧性转变，为城市热管理中数字孪生（DT）应用提供了概念基础（S. Zhou 等，2025）。

除了技术工具外，城市韧性还需要将治理和公平置于规划中心的制度变革（Di Wang 等，2025），将韧性嵌入地方治理，使城市能够从被动响应转变为适应性的、针对特定情境的系统（Tyler 等，2016）。一个关键障碍是生态资源与社会系统之间的脱节，导致脆弱社区即使存在危害数据也无法建立韧性（H. Liu 等，2026）。随着时间的推移维持这一韧性建设过程，需要标准化的监测和评估工具，能够跟踪变化的条件并将动态风险信息转化为适应性规划和治理决策（Douxchamps 等，2017）。

数字孪生（DTs）代表了城市管理的变革性范式：动态的虚拟表示，能够实现物理城市运营与数字模拟环境之间不同级别的数据交换和物理 - 数字交互，整合来自物联网传感器、地理信息系统（GIS）和建筑信息模型（BIM）的多模式数据，以实时监测城市动态（Ai 等，2026；Dong 等，2026；Shen & Zhou, 2026）。对于热韧性而言，其主要价值在于作为无风险的“沙盒”：使用物理信息神经网络和时空建模，规划者可以模拟“假设情景”干预，如城市绿化或冷屋顶，并在资本密集部署前确定具有成本效益、能效高的解决方案，同时考虑不同人口的社会经济脆弱性（Rajaram & Almalki, 2026；Xu 等，2026）。这使得城市能够优化资源配置，并避免与实际试错相关的成本和失败。

尽管数字孪生技术在城市环境中取得了很大进步，但其在城市热韧性应用方面仍存在根本差距。现有的数字孪生框架在很大程度上是以环境为中心的，专注于建模建筑几何形状、表面温度、太阳辐射和气流模式。虽然这些能力在技术上很复杂，但它们很少扩展到热量风险的人文和社会维度，这意味着当前系统可以识别热量最强烈的地方，但往往在确定谁面临最大风险或表示脆弱性如何在人口、空间和时间上变化方面能力有限，也无法表示这种风险如何随暴露、敏感性和适应能力的变化而随时间变化。这一差距意义重大，因为有效的热韧性政策不仅需要热力图，还需要实时整合决定人口层面风险的社会、人口和环境条件。

对于本综述，城市热韧性的数字孪生被定义为一个城市环境的动态虚拟表示，它持续整合和更新热、环境和社会空间数据，具有不同级别的物理 - 数字连接性，以监测热状况、模拟干预场景、评估人口脆弱性并支持治理决策，明确旨在极端高温事件之前、期间和之后减少与热相关的风险。这使热韧性数字孪生与通用的城市数字孪生区别开来，其功能导向是公共卫生保护和注重公平的规划，而不仅仅是几何或基础设施表示。此定义并非作为数字孪生的新理论解释提出；一般的数字孪生概念在文献中已经确立（Ai 等，2026；Dong, Reffat, & Liang, 2026）。相反，这是一个操作性定义，为本综述构建，将一般的数字孪生概念与前面介绍的热特定风险逻辑相结合（Yutong Li 等，2025；Tsai 等，2026），以便在决定纳入哪些研究时能够一致地应用“城市热韧性数字孪生”。它构成了数字孪生、热力和城市结果筛选标准的基础。

为此，本文对城市热韧性中数字孪生的应用进行了系统综述，以中心问题为指导：数字孪生技术如何应用于城市热韧性框架，主要的主题、方法是什么，研究差距是什么？三个子问题构成了分析结构：（RQ1）当前应用于城市热韧性的数字孪生具有什么样的技术架构、建模方法和数据来源？（RQ2）当前的数字孪生系统服务于哪些热韧性功能，涵盖监测、缓解规划、热舒适度、脆弱性评估和治理，这些应用有多成熟？（RQ3）哪些主要主题模式、验证策略和结构性差距定义了城市热韧性数字孪生发展的现状？作为回应，本综述追求三个目标：（1）考察数字孪生技术如何应用于城市热韧性问题，并描述其技术架构、数据基础和建模方法；（2）确定解决的热韧性目标，涵盖监测、预测、缓解、适应和决策支持，并从综述证据中得出五种热韧性数字孪生功能原型；以及（3）识别未解决的技术、空间、治理和验证差距，并为下一代城市热数字孪生勾勒研究议程。研究结果围绕五种热韧性数字孪生原型进行组织，反映了该领域数字孪生应用的功能多样性。三个研究子问题直接映射到结果和讨论结构。RQ1 在第 4.2 节（数据来源和数字孪生模型）和第 4.4 节（数字孪生系统和建模方法）中解决。RQ2 在第 4.3 节（热韧性功能和应用领域）和第 4.6 节（热韧性数字孪生原型）中解决。RQ3 在第 4.5 节（主题模式）和第 5 节（讨论）中解决，其中综合了结构性差距、验证局限性和研究议程。

部分片段
城市热韧性框架
城市热韧性框架是多维系统，将物理城市形态与社会和治理结构相结合，以全面管理热风险。一些框架不针对孤立的降温措施，而是采用“耦合协调”方法，平衡生态健康与社会经济活力，以解决系统性脆弱性（H. Liu 等，2026）。这种系统层面的导向通过空间智能实现，最显著的是热
系统文献综述 (SLR)
本研究采用系统文献综述 (SLR) 来识别、筛选和综合关于数字孪生应用和城市热韧性管理挑战的学术证据。综述过程遵循 PRISMA（系统综述和荟萃分析首选报告项目）指南，以确保识别、筛选、资格评估和最终纳入的透明度和可重复性（Page 等，2021）。本综述遵循 PRISMA 工作流程，跨越四个
已审阅研究的特征
为了描述已审阅的文献，根据出版年份、地理分布、气候背景和研究规模对纳入的研究进行了检查。最终数据集包含 35 项研究，发表于 2020 年至 2026 年之间，表明关于热韧性数字孪生的研究仍然是一个近期且快速扩展的领域（附录 A）。早期贡献有限，2020 年仅两项研究，2022 年和 2023 年各一项。从 2024 年起出现明显增长，

讨论
本系统综述探讨了数字孪生技术如何应用于城市热韧性，以及主要的主题、方法是什么，研究差距是什么。2020 年至 2026 年间综述的 35 项研究提供了一个清晰且一致的图景，即技术快速成长、令人鼓舞的试点演示和持续的结构性限制。本讨论综合了三个研究子问题的研究结果，将其与相关综述进行比较，考察了实际意义，

结论
城市热不再是气候适应中的边缘关注点；它是一项日益显著的气候和健康风险，需要整合技术复杂性与社会空间智能的方法。本综述对 2020 年至 2026 年发表的 35 篇同行评审研究进行了全面评估，评估了数字孪生技术如何应用于城市热韧性以及该领域下一步的发展方向。

原型是通过定性主题
未引用参考文献
Cho 等，2024，Huang 等，2025，Li 等，2025，Liu 等，2026，Wang 等，2025，Wang 等，2025，Zhou 等，2025
CRediT 作者贡献声明
Albara K.

Abuukaz：撰写 - 审查与编辑，撰写 - 初稿，可视化，验证，资源，项目管理，方法论，形式分析，概念化。Abdulla Al-Rawabdeh：撰写 - 审查与编辑，验证，监督。Lai Dayi：撰写 - 审查与编辑，概念化。Deema A. Al-Shboul：撰写 - 审查与编辑，验证。Yike Hu：撰写 - 审查与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能影响本文中报告的工作。
Albara K. Abuukaz|Abdulla Al-Rawabdeh|Lai Dayi|Deema A. Al-Shboul|Yike Hu
天津大学建筑学院，中国天津 300072