城市化过程中局地气候区邻接性的空间热溢出效应：以中国长沙为例

《Sustainable Cities and Society》：Spatial Thermal Spillover Effects of Local Climate Zone Adjacency during Urbanization: A Case Study of Changsha, China

　　

摘要

城市空间形态对热环境具有关键调控作用，然而复杂空间构型与邻接关系共同影响局地城市热岛强度（LUHII）的交互机制仍有待深入探究。本文以2005至2020年长沙主城区为案例，研究异质局地气候区（LCZ）邻接关系——尤其是建成区与自然类型的组合——是否能产生条件性冷却溢出效应。研究采用空间杜宾模型（SDM）和滑动窗口框架下的局部多项式回归，分析季节性LCZ与LUHII的关系。滑动窗口分析确定500米为最适宜邻域尺度，同时基于构型的比较分析对相同邻接LCZ组成下不同空间排列方式的LCZ 5进行对比。结果表明，快速城市化加剧了建成区LCZ的主导地位并边缘化自然类型，强化了空间同质性并加剧了热岛强度。同质建成-建成邻接关系，尤其是LCZ 8与LCZ 8的组合，表现出最高的LUHII，而建成-自然组合总体上可降低热强度。然而，当小面积或碎片化自然斑块邻接强热源时，冷却效应会减弱。在相同的邻接LCZ组成下，方向性重排仅产生极小且不一致的差异，表明邻域组成与形态连续性比方向性构型发挥着更为稳定的作用。SDM结果显示了显著的季节性溢出效应。紧凑型和开放型LCZ在夏季产生强烈的增温溢出效应，而LCZ G则提供最强的冷却效应。冬季时，相比基准类别LCZ A，LCZ 8表现出负向间接溢出效应，这归因于散热结构的差异。建筑表面占比（BSF）、天空视图因子（SVF）和不透水表面占比（ISF）总体上呈正向溢出效应，归一化植被指数（NDVI）提供冷却溢出效应，而反照率（AL）则表现出正向直接效应与负向间接效应的对立特征。因此，热缓解策略应打破大面积同质化建成斑块，引入规模充足且相互连通的蓝绿要素，而非仅依赖方向性重排或孤立的降温干预。

引言

经济的快速增长和人类活动的扩张加剧了环境退化，使气候变暖成为当今最紧迫的全球性挑战之一。IPCC第六次评估报告估计（P?rtner等，2022），人类活动已将全球平均气温提高了约1.0°C，在当前排放轨迹下，预计2030年至2052年间升温幅度将达到1.5°C。作为人类活动的主要中心，城市既高度易受气候风险影响，也是气候变化的重要贡献者（Oke等，2017）。一方面，城市热环境的恶化——表现为城市热岛效应——具有多方面的负面影响，包括能源消耗增加、空气质量下降、疾病发病率升高和热舒适度降低（Deng等，2023）。这些效应损害了城市功能并降低了居民的生活质量。另一方面，快速城市化是核心驱动因素，它重塑了城市形态和土地覆盖（Ren等，2022），从而改变了城市热条件（Wang等，2024）。

城市蔓延加剧了城市热岛效应。随着建成区向城郊和乡村地区延伸，铺装表面增加，植被和水体减少，建筑密度上升，人类活动产生的废热增长。这些变化共同放大了热量储存并抬升了近地表温度。来自遥感、实地测量和模型的充分证据表明，土地利用/土地覆盖类型、组分、空间格局和形态变化均显著影响热环境。互补的实地测量与模拟进一步表明，不同城市空间类型具有不同的热效应：住宅区、街道、街区、城市广场通常会加剧热效应，而公园及其他绿色或开放空间则能缓解热效应。

为系统分析不同城市空间类型热行为的共性与差异，Stewart和Oke（2012）提出了局地气候区（LCZ）分类体系。该标准化框架通过一组基于广泛实地调查的热敏感指标，将真实城市表面的复杂性进行了抽象。与早期的城市气候分类方案（Ellefsen, 1911; Joseph等, 2009; Ren等, 2010）相比，LCZ框架提供了更为全面和内部一致的城市空间形态表征。LCZ研究已逐步成熟（Huang等，2023），从早期的制图研究，发展到跨不同大洲的城市尺度广泛应用，再到融合先进技术进一步精细化LCZ制图与分析。大量研究证明了LCZ框架在研究城市热岛（Dian等，2020; Yin & Zhao, 2024）、地表温度（Shih等，2020; Xiang等，2023）和城市形态（W. Gao等，2025; Liu等，2025）方面的有效性。然而，现有工作主要集中于单个LCZ类型与热岛强度之间的关系（Dian等，2020; Lee等，2024），而相邻LCZ类型之间的热交互作用仍有待深入探索。尽管部分研究已考察了解释变量之间的交互作用，但这些分析通常局限于相关性方法，较少考虑空间依赖性或邻接驱动效应。从多维度理解城市空间形态与热环境之间的关系，不仅对于缓解城市热岛效应至关重要，也能为气候适应性城市规划与设计提供支持。例如，Yang等（2021）从区域复杂性视角出发，识别了LCZ与空间形态参数之间的关系，并提出了构建凉爽社区的策略。类似地，W. Gao等（2025）分析了不同城市化水平下城市形态动态变化对基于LCZ的热岛强度的影响，并认为城市规划应优先增强景观破碎度和连通性。然而，目前大多数研究仍聚焦于个别位置形态的热效应，未能充分考虑周围环境条件以及局部与相邻空间单元之间的交互作用如何塑造城市热格局。

尽管邻接单元之间的热力学交互作用可通过热辐射再分配和热量交换产生邻接效应的认识已得到广泛认可，但现有分析很少区分不同LCZ单元之间的热交互作用。以往研究主要集中于城乡LST梯度（J. Xie等，2022; Zhou等，2025; Zhou等，2024），通常采用LCZ框架来评估周围乡村环境对城市热条件的影响。在多数情况下，城市在比较城乡差异时被当作热同质实体处理。相比之下，一些研究揭示，LCZ内部的结构差异及其与直接周边环境的交互作用可导致同一LCZ类型内部出现显著的地表温度差异（Lin等，2025; Wu等，2026）。然而，这些分析主要关注蓝绿基础设施或植被配置对局部LCZ的冷却效应。实际上，连续的城市内部空间存在多种交互模式，包括建成-建成、建成-自然和自然-自然的LCZ组合。与这些交互相关的跨LCZ热调节过程常被忽视，导致对邻接驱动热调节机制的定量表征不足。同时，对相邻LCZ单元之间邻接驱动交互作用的显性研究极为有限。仍需要更精细的分析方法来量化局部环境背景和相邻LCZ构型如何调控单个LCZ单元的热性能。

基于上述问题，本研究提出以下核心问题：（1）城市空间形态与热环境之间的长期及多维关系是什么？（2）这些关联为何发生：不同类型LCZ的热学特征是什么，相邻LCZ之间的交互作用如何影响这些关系？（3）哪些LCZ组合在缓解城市热岛效应方面最为有效？

基于这些问题，本研究假设异质LCZ邻接关系，尤其是建成-自然组合，与同质建成区相比具有更强的冷却溢出效应和更低的LUHII；但这些效应是条件性的，取决于局部LCZ类型的主导地位、空间构型和季节变化。本研究考察了长沙在四个时间点（2005年、2010年、2016年和2020年）的空间形态。利用夏季和冬季地表温度（LST）反演数据与LCZ分类，计算局地尺度城市热岛强度（LUHII）。随后采用空间统计方法和定量分析筛选LCZ指标，识别相对重要性最高的变量以构建空间计量模型。这些模型用于量化不同LCZ类型之间的空间溢出效应。然后在滑动窗口框架下应用局部多项式回归，探讨不同LCZ组合如何在空间和时间背景下影响LUHII。通过整合多个时期的局部和相邻城市形态特征，本研究进一步通过量化LCZ类型之间的空间关系和交互效应来验证所提出的假设。研究结果不仅填补了城市形态与热环境动态关系认知的当前空白，也为气候适应性规划与设计提供了空间交互的量化见解。最终，本研究旨在支持促进高质量城市热环境发展的城市规划策略。

研究区域

长沙是中国中部一个典型的大型内陆城市，是快速城市化的代表性案例，具有独特的气候条件和多样的城市形态与水系统。作为湖南省省会，长沙位于中国中部（111°54′–114°15′E，27°51′–28°40′N）。受盆地状地形（中部地势低洼，东西两侧地势较高）和季风环流的影响，长沙的

LCZ指标与LUHII之间的相关性

采用空间统计和定量分析方法考察LCZ指标与LUHII之间的时空关系。传统统计方法，如Pearson和Spearman相关分析，主要量化线性关系，但通常忽略了城市热环境中固有的空间依赖性和自相关性（Yang等，2021; Zhang等，2022）。因此，本研究将Spearman相关分析与地理

与LCZ组合相关的热溢出效应

在广州、北京和上海等快速城市化城市中，已观察到紧凑型LCZ和LCZ 8具有相似的增温效应（Chen等，2024; Su等，2024），证实了致密且高不透水城市形态的广泛热敏感性。然而，这些效应的量级和空间格局在不同城市和LCZ类型之间存在显著差异。大多数现有研究聚焦于单个城市形态指标（Chen等，2025）对热效应的

结论

基于异质LCZ邻接关系产生条件性冷却溢出效应的假设，本研究考察了LCZ邻域组成、空间构型和城市形态指标在城市扩张过程中如何塑造局部和空间分布的热响应。通过整合LCZ框架与空间杜宾模型（SDM）及滑动窗口局部多项式回归，本研究评估了2005至2020年长沙的季节性热交互和空间溢出效应。该

CRediT作者贡献声明

束怡：原稿撰写、软件、形式分析。郑健：审阅与编辑、监督、数据整理。周旭：监督、资金获取。李振民：监督、概念化。王锋：可视化、数据整理。郑博鸿：监督、资金获取。项燕芬：审阅与编辑、可视化、方法论、资金获取、概念化。

束怡|郑健|周旭|李振民|王锋|郑博鸿|项燕芬

中南林业科技大学风景园林学院，中国长沙410004