从要素到关系：一种用于地表温度日间响应的灰-绿空间耦合分区框架

《Sustainable Cities and Society》：From elements to relations: A Grey–Green Space Coupling Zoning framework for diurnal Land Surface Temperature responses

　　

摘要
城市空间分区对于理解生态过程至关重要，而这些生态过程更多地受到灰色空间与绿色空间之间相互作用的影响，而非孤立要素的作用。然而，系统量化这些耦合关系并将其转化为空间分区框架仍然是一项科学挑战。我们开发了一个灰色–绿色空间耦合分区（GSCZ）框架，用于表征灰色–绿色空间之间的耦合协调关系。通过整合二维与三维形态、景观格局、结构组成和生态质量构建了一个多维指标体系，利用耦合协调度模型计算灰色–绿色耦合协调度（GB_CCD）。随后应用XGBoost–SHAP和PDP分析，以考察不同GSCZ类别下GB_CCD及灰色–绿色指标与白天地表温度（DLST）、夜间地表温度（NLST）和昼夜复合地表温度差（ΔLST）之间的非线性关联。在武汉市，GB_CCD介于0.120至0.805之间，低协调区和中等协调区占研究区的71.59%。SHAP归因结果显示，在中等协调区和高协调区，GB_CCD对NLST的模型归因更强，分别占归一化平均(|SHAP|)的18.4%和17.9%。城市绿色空间（UGS）相关指标在各情景中占总模型归因的47.8%–61.6%，而城市建成空间形态（UBM）在高协调区对DLST和ΔLST仍然重要。PDP结果进一步揭示了依赖阈值的关联，包括中等协调区和高协调区NLST的GB_CCD断点分别为0.625和0.728。总体而言，GSCZ提供了一个关系导向的空间诊断框架，用于解释城市热异质性，表明降温缓解措施应强调灰色的与绿色的空间协同优化，而非孤立要素的增强。

引言
到2050年，全球近70%的人口将居住在城市地区（Li等，2021）。快速城市化重塑了土地利用结构，增加了人为热排放，并加剧了能源消耗，从而对城市环境质量和人类福祉造成日益加大的压力（Wang等，2025a）。在这些挑战中，城市热环境的恶化尤为关键，因为它与能源需求、与热相关的健康风险以及城市适应能力下降密切相关（Wang等，2025b）。为此，国际议程强调了可持续空间规划和生态韧性的重要性。2030年可持续发展议程在可持续发展目标11（SDG 11）下强调了“包容、安全、有韧性和可持续城市”的必要性（Sorooshian，2024），而新的城市议程则呼吁综合空间规划和绿色基础设施发展，以增强城市韧性（Takano等，2023）。因此，理解城市空间组织如何与热异质性相关，已成为可持续城市治理的一个重要议题。

遥感、GIS和机器学习技术的整合，大大推进了城市生态研究的发展（Kong等，2020；Casali等，2022）。以往研究逐渐从传统统计方法和空间回归模型（如Pearson相关、GWR和MGWR），转向非线性集成学习和可解释建模方法（如RF、XGBoost和SHAP）（Masoudi等，2019；Cheng等，2025b）。这些方法提高了捕捉城市形态与环境结果（如地表温度LST和空气污染）之间非线性关联的能力（Lin等，2025；Zhu等，2024）。然而，现有证据大多仍以要素为导向，关注城市建成空间（UBS）或城市绿色空间（UGS）的独立特征，如建成密度、绿化覆盖率或景观破碎化（Masoudi等，2019；Yuan等，2021）。实际上，城市空间并非孤立组分的简单集合，而是由相互作用的子系统构成的复杂系统（Wang等，2024）。因此，超越单要素分析，转向UBS与UGS之间的协调状态，可以为诊断城市热异质性提供更系统的依据。

空间分区是将城市空间复杂性转化为分析和规划单位的关键步骤（Yang等，2025b）。现有分区方法大致可分为三类。第一，基于行政单位、街道或网格单元的固定边界分区，具有操作便利性和空间可比性，但可能无法充分捕捉土地利用和土地覆盖的异质性（Bai等，2025；Wan等，2025）。第二，基于居住、商业或工业土地利用类别的功能分区，捕捉了社会经济差异，但往往对生态和形态变化的表征有限（Liu等，2024c；Zhao等，2024）。第三，以特征为基础的类型化方案，以局部气候区（LCZ）框架为代表，根据地表覆盖和建筑高度、不透水面比例、植被指标等结构属性对城市空间进行分类（Peng等，2024；Liu等，2024b）。这些方案对于标准化的城市气候比较和地表类型诊断具有很高的价值。然而，它们主要识别一个地点在物理或功能属性方面的特征，而对同一空间单元内部灰色与绿色子系统如何协调关注较少。当UBS与UGS之间的平衡与协调不同时，具有相似地表类型特征的区域仍可能表现出不同的热响应（Guo等，2020；Zhou等，2022）。因此，需要一种基于耦合的分区视角，以补充现有的基于属性和类型的方案。

城市系统理论和空间自组织理论为该视角提供了概念基础（Desouza等，2024；Shi等，2021）。城市可被理解为开放系统，其中生态响应源自相互耦合的子系统之间的相互作用，而非孤立要素的作用（Hillier，1996；Portugali，1997）。在此理论背景下，关系导向视角有助于将关注点从单独的灰色或绿色属性转向UBS与UGS之间的协调状态。由建筑物、道路和不透水面等人造要素组成的UBS，以及由植被、公园和其他绿色要素组成的UGS，通过地表能量交换、遮荫、蒸散发、蓄热和辐射过程共同塑造城市热格局（Potter等，2023；Chen等，2024；Wang等，2025d）。因此，量化这两个子系统之间的协调对于理解为何热响应在城市空间中有所不同具有重要意义。

以往研究开发了多种指标来描述灰色与绿色空间特征。包括二维景观指标，如覆盖率、边缘密度和形状复杂性；源自形态空间模式分析（MSPA）的结构指标，如核心、桥接和边缘（Lin等，2023；Liu等，2025a）；三维指标，如建筑高度、冠层高度和天空视角因子（Yang等，2025a）；以及生态质量指标，如NDVI和冠层完整性（Shah等，2025；Pande等，2024）。尽管这些指标提供了丰富信息，但其数量众多且分散也给综合评估带来了挑战。此外，大多数研究量化了单个属性，而UBS与UGS之间的系统级协调状态较少被明确操作化。因此，需要一个整合多维指标并将其转化为基于耦合的分区方案的框架，以用于关系导向的空间诊断。

耦合协调度（CCD）模型为解决这一挑战提供了有用的工具。作为一种系统科学方法，CCD被广泛应用于量化城市–环境与资源–社会研究中子系统之间的耦合强度和协调状态（Wang等，2023；Tu等，2023）。将CCD引入灰色–绿色空间分析，可将UBS与UGS之间的耦合协调表达为连续指数，并进一步转化为空间分区。为构建UBS和UGS可辩护的综合表征，还需要客观赋权方法（Xu等，2021）。与层次分析法等主观赋权方法（Kurek等，2022；Fan等，2025）相比，熵权法从观测数据之间的信息变异中导出权重，从而减少研究者偏差并提高综合评估的透明度（Liu等，2021b）。将基于熵的综合指标与CCD结合，为构建灰色–绿色空间耦合分区框架提供了可行途径。

基于上述逻辑，本研究提出灰色–绿色空间耦合分区（GSCZ）框架，以量化UBS与UGS之间的耦合协调，并考察其与白天地表温度（DLST）、夜间地表温度（NLST）和昼夜复合地表温度差（ΔLST）的关联。选择武汉市作为实证案例，武汉是一座高密度超大城市，热暴露显著且灰色–绿色空间交织复杂（Shen等，2016）。研究构建了多维指标体系，以表征灰色空间格局与形态、绿色空间景观格局、结构组成和生态质量。随后使用CCD模型计算灰色–绿色耦合协调度（GB_CCD），并据此将研究区分分为不同的GSCZ类别。最后，应用XGBoost–SHAP和PDP分析，考察不同GSCZ类别下的非线性模型归因、边际关联和依赖阈值的模式。

具体而言，本研究回答三个问题：（1）如何操作化一个多维指标体系，以共同表征UBS与UGS？（2）如何量化UBS与UGS之间的耦合协调状态，并将其转化为基于耦合的分区框架？（3）灰色–绿色指标与LST的关联如何随不同GSCZ类别和昼夜热情景而变化？通过回答这些问题，本研究旨在将城市热分析从基于要素的描述转向关系导向的空间诊断，为灰色的与绿色的空间协同优化和可持续城市降温缓解提供方法支持。

研究区域
武汉位于中国中部（29°58′–31°22′ N，113°41′–115°05′ E），是湖北省省会，也是中国国家级中心城市之一。城市总面积约8569.15平方公里，2024年常住人口约1381万（Li等，2025）。地形以低平为主，具有典型的亚热带季风湿润气候，历史最高温度为44.5°C。武汉经历漫长而强烈的……

研究框架
本研究提出灰色–绿色空间耦合分区（GSCZ），以量化UBS与UGS之间的耦合协调，并考察其与昼夜LST响应的关联。该框架包含三个主要步骤（图2）：首先，数据采集与预处理，如2.2节所述。其次，构建UBS–UGS指标体系并评估耦合协调度。具体而言，初步选择了48项指标来表征UBS和UGS……

灰色–绿色空间耦合分区及其特征
图5揭示了武汉灰色–绿色空间耦合协调（GB_CCD）的空间格局与分布。总体而言，GB_CCD介于0.120至0.805之间，呈现出明显的中心协调–外围失调格局（图5a）。低协调区和中等协调区在研究区占主导地位。具体而言，Lcz（0.50–0.59）和Mcz（0.60–0.69）分别占所有网格单元的37.84%和33.75%，两者合计占研究区的71.59%（图5c）。这些区域主要分布于……

一种新的灰色–绿色空间耦合分区（GSCZ）框架
城市可被理解为由多个相互作用的子系统构成的复杂适应系统，其中宏观生态响应不仅由单个空间要素决定，还取决于这些要素如何组织和协调（Portugali，1997）。UBS和UGS是城市环境的两个基本子系统。它们共同支撑生态、居住和生产功能，同时也通过建成环境塑造城市热过程……

结论
本研究开发了GSCZ框架，以量化UBS与UGS之间的耦合协调，并考察其与DLST、NLST和ΔLST的关联。通过整合灰色空间格局与形态以及绿色空间景观格局、结构组成和生态质量，GSCZ提供了一个关系导向的诊断框架，补充了传统的行政、土地利用和类型化分区方法。

以武汉为案例研究，GB_CCD介于0.120至0.805之间……

致谢/资助
本工作得到中央高校基本科研业务费专项资金（基金号30924011004）；中央高校基本科研业务费，华中科技大学（基金号2024JYCXJJ47）资助。

CRediT作者贡献声明
毕世博：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念化。田正：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，方法论，形式化分析，数据管理，概念化。姜佩怡：撰写–审阅与编辑，验证，监督，项目管理，

毕世博 | 田正 | 姜佩怡
南京理工大学设计艺术与传媒学院，南京 210094，中华人民共和国