从微观视角揭示三维城市形态与地表热环境之间的非线性动态耦合：来自中国成都的证据

《Sustainable Cities and Society》：Unraveling nonlinear dynamic coupling between 3D urban form and land surface thermal environment from a micro perspective: Evidence from Chengdu, China

　　

摘要

理解城市空间形态与陆地表面热环境 (LSTE) 耦合的时空动态对于应对城市气候挑战至关重要。现有研究主要关注简化的二维土地利用/覆盖类别或单一建筑形态与 LSTE 之间的静态关系，而详细的三维城市形态与 LSTE 之间的动态耦合尚不清楚。本研究以中国成都为例，利用多时相遥感影像绘制了 2000 年至 2025 年的局部气候区 (LCZ) 和 LSTE。采用邻近扩张指数和景观格局指数来量化每种 LCZ 类型和 LSTE 的微扩张模式，同时利用动态耦合协调模型揭示非线性耦合动态。主要发现包括：(I) 高层建筑、大型低层建筑、稀疏建筑和稀疏树木表现出持续扩张，而中等和低层建筑以及核心生态自然类型经历持续收缩；(II) 热岛在相对较高水平上持续存在并向城市外围扩张，而冷岛及其空间连通性在急剧下降后恢复；以及 (III) 三维城市形态与 LSTE 之间的耦合关系仍处于缓慢协调发展阶段，高层建筑、稀疏建筑和重工业区的扩张——与 LSTE 的协调性增加——构成了显著的热风险。本研究通过精确调控三维城市形态，为气候适应性城市规划提供了空间指导。

引言

城市陆地表面热环境 (LSTE) 被定义为在城市形态 (Fan et al., 2022)、陆地表面材料特性 (Stewart & Oke, 2012)、人类活动 (Harlan & Ruddell, 2011) 和局部微气候调节 (Voogt & Oke, 2003) 的综合效应下形成的近地表温度场。随着全球城市化的加速，广泛的自然地表覆盖物被混凝土和沥青等不透水材料取代 (Gong et al., 2020)，深刻改变了局部能量平衡。因此，加剧的热浪和城市热岛效应已成为对城市生态系统和人类健康稳定的关键威胁 (Krummenauer et al., 2019)。广泛的研究表明，城市空间形态显著影响 LSTE (Cameron et al., 2012; Markevych et al., 2017)。因此，推进对城市空间形态如何调节 LSTE 的机制性理解，对于制定有效的规划导向缓解和适应策略，以及培育气候韧性和可持续城市至关重要。

城市空间形态与 LSTE 紧密耦合，它们的相互作用机制已被广泛研究 (Guo et al., 2023)。从形态学角度来看，城市空间形态通常包含二维 (2D) 和三维 (3D) 系统。二维城市形态主要通过土地利用/覆盖类型（如不透水表面、植被和水体）的空间组成和配置影响 LSTE，而三维城市形态则通过建成环境的垂直结构特征（包括建筑高度、密度、容积率、植被结构及其空间配置）对 LSTE 产生更复杂的调节效应。关于 LSTE 特征化，卫星热红外遥感已成为监测城市 LSTE 的关键技术，因为它能提供大规模和实时的陆地表面温度信息 (Peng et al., 2012)。现有的 LSTE 研究可大致分为三个方向：(Ⅰ) 土地利用/覆盖变化对 LSTE 的影响，关注不同地表覆盖类型及其空间模式的热效应 (Chen et al., 2022)；(Ⅱ) 城市空间扩张对 LSTE 的影响，强调扩张模式的空间时间特征及其热驱动机制 (Halder et al., 2025)；以及 (Ⅲ) 社会经济和人为因素与 LSTE 的耦合，探索 LSTE 形成和演化的驱动力 (Wang et al., 2021; Xiao et al., 2018)。尽管取得了这些进展，但大多数研究仍基于简化的二维分析，限制了它们捕捉日益复杂的三维城市结构热效应的能力。尽管一些努力引入了三维形态指标系统来检查它们与 LSTE 的关系 (Wang et al., 2025)，但这些方法往往强调建筑几何形状，而忽视了地表热属性和植被冠层结构的异质性。这种不平衡限制了对综合三维城市形态如何支配 LSTE 动态的全面理解。

为了有效表征三维城市形态及其相关的热环境异质性，Stewart 和 Oke (2012) 提出的局部气候区 (LCZ) 方案提供了一种标准化且具有物理意义的框架。通过定义 10 种建成环境类型和 7 种自然环境类型，该框架对包括土地利用/覆盖、建筑形态、地表材料和人类活动特征在内的多维属性提供了全面的表征 (Wang et al., 2017)。由于其清晰的物理解释和强烈的实际适用性，LCZ 方案已成为连接城市气候研究和规划实践的有效手段。尽管许多研究已采用 LCZ 框架来调查城市 LSTE 的空间分异并取得了显著进展 (Liu et al., 2026)，但现有研究大部分局限于空间形态与 LSTE 之间的静态关联，因此未能捕捉其演化过程背后的动态相互作用机制。从动态过程视角揭示城市形态时空演化与 LSTE 之间的内在联系，可以克服以往静态分析的局限性，从而促进对其相互作用机制的更深入理解。

城市扩张和结构转型对 LSTE 产生非线性和动态的影响 (Qiao & Fang, 2005)。量化它们演化速度的相位关系并识别它们的动态耦合协调，对于揭示其潜在的相互作用机制至关重要。系统耦合理论为分析这两个相关系统的共同演化提供了有效的理论支持 (Huang & Fang, 2003)。现有研究已采用各种理论框架，如地理系统视角 (Fan, 2014)、城市复合系统视角 (Zheng et al., 2014) 和复杂系统视角 (Li et al., 2010)。相应地，应用了一系列分析方法从静态视角检查系统间关系，包括环境库兹涅茨曲线 (Li et al., 2016)、灰色关联模型 (Huang et al., 2019)、耦合协调度模型 (Ran et al., 2025)、回归模型 (Equere et al., 2020) 和系统动力学 (Li et al., 2015)。这些方法在城市发展与生态环境之间的耦合协调分析方面取得了显著进展 (Zhou et al., 2017)。然而，从微观视角揭示三维城市形态扩张和 LSTE 演化的时空模式，并应用动态耦合和协调分析于它们的互动关系的研究仍然有限。这种动态分析视角为理解城市形态与 LSTE 之间的共同演化机制提供了一条新途径。

总之，本研究旨在探讨三个核心问题：(Ⅰ) 三维城市形态和 LSTE 的空间模式如何随时间演化；(Ⅱ) 如何从微观尺度量化表征三维城市形态和 LSTE 的扩张模式；以及 (Ⅲ) 三维城市形态和 LSTE 演化之间的非线性动态耦合协调有何特征。本研究旨在推进我们对城市空间形态与 LSTE 之间动态耦合的理解，并通过调控三维城市形态为基于证据的城市气候适应规划提供信息。

章节片段

研究区域

研究区域涵盖中国四川省成都市中心城区 (以下简称成都)，包括锦江、青羊和金牛等 12 个行政区，总面积约 4,007.07 平方公里 (图 1)。位于成都平原中心，西北为龙门山脉，东南为龙泉山脉，平均海拔约 500 米，是一座典型的平原城市。根据

方法

本研究的分析框架如图 2 所示。首先，生成 2000 年至 2025 年的 LCZ 和 LSTE 图，以揭示三维城市形态和 LSTE 的时空演化模式。其次，采用邻近扩张指数 (PEI) 和景观格局指数构建多维指标系统，分别量化三维城市形态和 LSTE 的微观扩张。最后，开发动态耦合协调模型以揭示相互作用

时空格局演化

本研究生成了 2000–2025 年间的六幅 LCZ 图。根据 WUDPT 标准，LCZ 制图需要至少 50% 的总体分类精度 (Bechtel et al., 2019)。在中国城市的相关研究中，LCZ 分类精度通常超过 60% (Cai et al., 2018; Ren et al., 2019)。在本研究中，2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年和 2025 年 LCZ 图的总体分类精度分别为 68%、78%、63%、62%、68% 和 63%。对于

LCZ 类型与 LSTE 之间耦合关系差异的原因

LCZ 类型与 LSTE 之间动态耦合的差异源于它们的固有物理性质、扩张模式以及在城市热环境中的位置背景 (Zhao et al., 2014)。在建成区类型中，LCZ 1 (紧凑高层)、LCZ 4 (开放高层)、LCZ 9 (稀疏建设) 和 LCZ 10 (重工业) 表现出与热岛系统和冷岛系统的耦合性增加，表明这些类型作为耦合系统同时起作用

结论

本研究整合了局部气候区和陆地表面温度的时空数据与动态耦合协调模型，调查了 2000 年至 2025 年成都三维城市形态和 LSTE 的时空演化模式，以及从微观角度看它们的非线性动态耦合协调关系。成都案例研究的结果表明：

• (1).
  三维城市形态发生了显著变化，并表现出明显的类型学

作者贡献

简凌：写作 - 原稿，可视化，方法，数据整理，概念化。谭关正：可视化，数据整理。仲兴：写作审查与编辑，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

数据可用性

应要求提供数据。

未引用参考文献

Guo et al., 2020

CRediT 作者贡献声明

简凌：写作 – 原稿，可视化，方法，数据整理，概念化。 谭关正：可视化，数据整理。 仲兴：写作 – 审查与编辑，资金获取，概念化。

简凌|谭关正|仲兴

中国重庆大学建筑城规学院，重庆 400045，中国