《Building and Environment》：Nonlinear Relationship between Urban Form and Heat Resilience: An Empirical Study of Seoul
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摘要随着气候变化导致热浪加剧，研究重点已从识别城市热岛效应转向理解城市应对极端高温的能力，即城市热韧性。尽管先前研究表明城市形态会影响空间热模式，但尚不清楚哪些城市形态特征会增强或削弱热韧性，以及这些关系是线性、非线性还是受空间依赖性影响。本研究以首尔为案例，探讨城市形态与基
摘要
随着气候变化导致热浪加剧，研究重点已从识别城市热岛效应转向理解城市应对极端高温的能力，即城市热韧性。尽管先前研究表明城市形态会影响空间热模式，但尚不清楚哪些城市形态特征会增强或削弱热韧性，以及这些关系是线性、非线性还是受空间依赖性影响。本研究以首尔为案例，探讨城市形态与基于地表温度的热韧性代理变量之间的关系。我们将空间杜宾模型（可考虑空间依赖性并估计直接和溢出效应）与梯度提升决策树（可捕捉非线性关系）相结合。两种模型中一致的结果被解释为稳健的证据，而差异则被视为可能存在敏感性、非线性响应或空间复杂性的指标。植被和水体的存在在各模型中与热韧性持续呈正相关。GBDT结果进一步表明存在非线性关联，在NDVI约0.07附近存在过渡区域，在水体比例约60%时与水体的关联逐渐趋于平稳。由于首尔许多社区仍接近这些过渡区域，有针对性扩展绿色和蓝色基础设施可能是提高热韧性的一个有前景的假设。相比之下，建筑覆盖率在各模型中与热韧性持续呈负相关，强调了在首尔密集建成环境中增加城市开放度的重要性。本研究展示了模型三角验证的价值，并为探究复杂城市气候过程提供了一种分析方法。
引言
气候变化已使全球极端高温事件的频率、持续时间和强度加剧，对人类健康、基础设施和城市宜居性构成日益增长的威胁[9,18]。这些风险在城市地区尤为突出，密集的建筑环境、有限的植被和广泛的密封表面会放大热暴露。例如，在韩国首尔，2018年夏天是有记录以来的最热年份，持续时间超过35°C的高温期。到2025年，东亚夏季极端高温事件变得更加强烈，且这一升温趋势在随后几年持续[13,32]。随着全球变暖持续，城市地区日益被认为是理解和应对热相关脆弱性的关键场所。
城市热岛（UHI）效应是城市气候学中研究最广泛的现象之一。UHI指城市区域由于土地覆盖差异、人为热排放和建成环境的物理特性而倾向于经历比周边农村地区更高温度的现象[21,24,34]。因此，大量UHI研究主要关注城市形态与基于温度的指标（如地表温度）之间的关系。这些研究考察了各种因素与城市温度模式之间的关联[6,12,37,39]。然而，UHI研究对建成环境如何应对极端高温事件关注有限。随着极端高温事件变得更加频繁和强烈，研究关注日益转向热韧性。与主要关注热量空间分布和集中度的UHI概念相比，热韧性强调抵抗极端高温事件的能力。因此，热韧性为城市热量提供了新视角，并日益引起对城市形态在塑造韧性中作用的关注。
最近，一些先驱研究开始探讨城市形态与热韧性之间的关系（[7,17,15,15,22,33]）。在这些研究中，热韧性通常被定义为正常和极端高温条件下地表温度的差值。然而，当前关于城市形态与热韧性关系的证据仍缺乏足够的严谨性和可解释性。许多基于机器学习的研究忽略了空间依赖性。一些研究使用局部空间模型，但这些模型可能产生许多局部系数，难以解释。此外，先前研究通常依赖单一的建模方法，如基于回归的建模或机器学习。每种方法都有其独特的优势和局限。仅依赖一种类型的模型可能限制实证发现的稳健性，因为没有单一模型能完美捕捉城市形态与热韧性关系的所有维度。这些局限性凸显了对城市形态与热韧性关系进行更严谨检验的必要性。
本研究从模型三角验证的视角探讨城市形态与热韧性之间的关系。我们结合空间计量模型和机器学习方法，比较和整合来自多种建模方法的证据，从而产生更严谨、稳健和可解释的发现。空间计量模型用于捕捉空间效应，而机器学习方法用于检验复杂的非线性模式。为确保稳健性并缓解可修改面积单元问题，我们在多尺度空间单元和不同年份重复了分析。总体而言，本研究通过模型三角验证对城市形态与热韧性之间的关联提供了全面评估。它提供了与极端高温条件相关的跨模型关联比较，并为气候响应性城市规划假设提供了定量证据。它还确立了未来研究复杂城市气候过程的新分析视角。
章节片段
热韧性
城市热韧性已成为一个多维概念，反映城市抵御或缓冲极端热事件的能力。一类文献强调社会经济韧性，考察人口脆弱性、不平等和应对极端高温事件的适应能力（[2,3,25]；[30,38]）。从工程角度看，韧性通常通过抵抗和恢复两方面来理解[5,19]。抵抗指系统在面对冲击时限制扰动的能力，
研究区域和网格尺寸选择
实证分析聚焦于韩国首都首尔，这里是东亚人口最稠密的大都市区之一。首尔面积约605平方公里，约占国土面积的0.61%，行政上划分为25个区和426个洞。尽管面积相对较小，但该市表现出高度异质性的城市形态，从密集的高层商业中心到多山森林区和河岸地带
空间杜宾模型结果
在比较了替代空间计量模型后，我们选择了空间杜宾模型作为检验城市形态对热韧性影响的最合适方法。估计的直接、间接和总效应见表3（参见附录表7了解相应的系数估计值）。直接效应表示解释变量变化对同一空间单元内结果的平均影响，而间接效应捕捉对其他空间单元的空间溢出效应。
理论贡献和政策启示
与主要考察不同城市形态条件下热量空间集中的先前城市热岛效应研究相比，本研究考察城市形态与热韧性之间的关联，特别是其在极端高温事件期间抵抗温度上升的能力。一些城市形态指标在两个视角下表现出相似的关联，而另一些则不同。较高的建筑覆盖率在先前研究中通常与较强的城市热岛效应相关
结论
气候变化导致热浪加剧，已将学术关注从一般城市热岛模式转向热韧性。先前的城市热岛研究主要考察不同城市形态条件下的热量空间集中，但这些条件如何塑造热韧性仍不清楚。本研究从模型三角验证的视角考察城市形态与热韧性之间的关系。热韧性被定义为韧性的抵抗维度，并测量为正常和极端地表温度的差值。
关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明
在准备本作品期间，作者使用ChatGPT协助语言编辑和提高可读性。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物内容承担全部责任。
CRediT作者贡献声明
李健奇：撰写–初稿，可视化，验证，方法论。林莉莉：撰写–初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理。金丹比：撰写–初稿，方法论，调查，数据整理，概念化。李超苏：撰写–审阅与编辑，方法论，概念化。王伟：撰写–审阅与编辑。Steven Jige Quan：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，验证，监督，
李健奇|林莉莉|金丹比|李超苏|王伟|Steven Jige Quan
首尔国立大学环境研究生院城市能源实验室，韩国首尔，08826
