超越本地气候区：跨 66 个城市用于缓解高温的连续形态原型

《Sustainable Cities and Society》：Beyond local climate zones: Continuous morphology archetypes for heat mitigation across 66 cities

　　

摘要
城市街区形态在总体规划阶段即被固定，锁定人行道层面的热性能达 50 至 100 年，然而气候智能型形态的设计阶段指导仍缺乏普适性。大多数已发表的分析局限于单城市，而跨城市文献主要依赖于局地气候区（LCZ）分类类别，这抹平了类别内的形态方差。我们采用一种测量优先的多城市框架来解决这一差距（优先考虑协调一致的实证测量而非分类假设），该框架建立在一个严谨、完全开放的数据堆栈之上：33,715 个经云掩膜处理的一平方公里图斑，协调自 66 个城市和 15 个主要柯本气候区（在针对地表 UHI 目标的物理合理性质量筛查后保留 33,498 个），将 3 个夏季滚动平均的陆地卫星 8/9 号地表温度异常值与从最新的全球开放建筑物足迹高度产品（微软全球机器学习、谷歌开放建筑物 v3、GlobalBuildingAtlas、GLAMOUR）中提取的连续形态特征配对，并结合 ESA WorldCover 土地覆盖掩膜、ERA5-Land 夏季气温、WUDAPT LCZ 以及 SRTM 高程。具有城市随机截距的线性混合效应模型在针对城市内中心化的 UHI 目标上达到了边际 R2=0.25，条件 R2=0.39（ICC = 0.18）；所有 8 个形态特征在 95% 水平上均具有统计显著性，尽管形态仍然只解释了地表 UHI 总变异性的有限部分，气候和天气背景占主导地位。树冠覆盖率是主要的降温杠杆（β=-0.64，p<10?122）；水体占比（β=-0.58）、80 分位数 NDVI（β=-0.31）、建筑物高度变异系数（β=-0.18）和平均建筑物高度（β=-0.09）也具有降温作用，而裸土（β=+0.42）和建成区（β=+0.31）占比是主要的升温因素。按区域划分的混合效应模型将图斑加权合并的边际 R2提升至 0.38，在 Dwa 区达到 0.55，在 Dfb 和 Cwb 区达到 0.51。树冠覆盖率是唯一通用杠杆，在全部 14 个区域中系数为负，并在 13 个区域中具有显著性。我们在（UHI，密度）空间中提取了 144 个经验上帕累托最优的图斑，并将其聚类为三个探索性气候智能型原型（轮廓系数 =0.38）。协调一致的图斑级表格、从摄取到原型的流水线以及原型卡片库均以开放许可发布。

引言
城市核心区面临加剧的热应力。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）预测，到本世纪中叶，城市升温幅度将额外增加 1.5 至 2 摄氏度，这种升温在人行道层面被地表和冠层城市热岛效应（UHI）放大（最初由 Oke (1982) 表征），在密集街区夜间可达 +7 摄氏度。近年来，热浪的频率、强度和持续时间单调增加（Perkins-Kirkpatrick & Lewis, 2020），且与热相关的死亡率和发病率现已影响全球相当比例的城市人口（Harlan et al., 2006, Mallen et al., 2019, Mora et al., 2017）记录了城市内社区形态、植被与热脆弱性之间的强关联性，而 Zhu 和 Yuan (2023) 展示了如何明确映射这种城市内热健康风险梯度以支持韧性规划。城市街区的形态——建筑物的密度、高度分布、峡谷纵横比、植被覆盖率和表面反照率——是城市规划中最早且寿命最长的设计决策之一。一旦总体规划建成，形态在 50 至 100 年内实际上是不可逆的；改造仅限于表面（Akbari et al., 2009, Santamouris, 2014）。这使得设计阶段的形态指导成为面向可持续发展目标 11（SDG 11）和 C40 清凉城市议程的高杠杆气候变化适应工具，并促使我们需要关于哪些形态特征重要以及重要程度的定量跨城市证据（Kotharkar et al., 2020）。此类证据在个体干预规模上的规划价值已确立——Masoudi 和 Tan (2019) 表明，城市绿地的空间格局而非仅仅是其数量，决定了所实现的降温效果——但由此产生的指导迄今为止仍是逐城市推导的。

将形态与 UHI 联系起来的实证和建模证据丰富，但存在三个结构性局限。首先，大多数研究基于模拟（ENVI-met, PALM-4U），因此局限于单城市，因为每个经过验证的模拟都计算密集；多城市比较很少见。其次，观测文献本身也主要由使用卫星地表温度（LST）和可解释机器学习的单城市案例研究主导；只有少数论文跨城市进行比较，而且那些跨城市的研究倾向于按局地气候区（LCZ）分类类别（Stewart & Oke, 2012）进行分层，这抹平了类别内的形态方差，无法区分例如一个植被丰富的密集紧凑中层建筑与一个没有植被的建筑。第三，设计师实际能用的输出——具有明确性能包络线的紧凑参数化形态原型——几乎普遍缺失于文献中，文献更倾向于归因图和 LCZ 热图。

过去 12 个月内发生了实质性变化。微软全球机器学习建筑物足迹（Microsoft, 2026）截至 2026 年 1 月带有每栋建筑物高度属性，谷歌开放建筑物 v3，VIDA 的 source.coop 发行上的 25.8 亿条记录的谷歌 - 微软合并数据集（VIDA, 2025），GlobalBuildingAtlas 开放全球数据集包含多边形和 LoD-1 3D 模型（Zhu et al., 2025），3D-GloBFP 带有高度属性的全球足迹数据集（Che et al., 2024），以及 GLAMOUR 全球建筑形态数据集（Li et al., 2024），集体上首次以开放许可的形式提供了全球尺度的连续形态。早期的全球建成区扩张产品（He et al., 2023）提供了轨迹，但没有提供形态推断所需的每栋建筑物细节。结合成熟的地表温度档案（陆地卫星 8/9 号和 MODIS）、成熟的天气再分析（ERA5-Land）、全球 10 米土地覆盖（ESA WorldCover）以及柯本分类法（Demuzere et al., 2022），现在已存在输入条件，可以在可复现的、笔记本电脑规模的流水线中构建协调一致的多城市形态 -UHI 数据集。

我们利用这一机会。我们的贡献是：
1. 柯本分层混合效应归因。我们在夏季地表 UHI 异常值上拟合了一个具有城市随机截距的城市内中心化线性混合效应模型，既在全球范围内也在 66 城市全球样本中按主要柯本气候区进行分层，并使用互补的城市内 XGBoost 回归器和 TreeExplainer SHAP 证实了所得系数排名。据我们所知，这种特定组合——最新的全球开放带高度建筑物产品、协调一致的跨气候分层归因以及实证帕累托原型提取——此前尚未在此规模上组装过；我们将贡献框架化为这种整合，而非声称在对全球 UHI 模式、跨城市 LCZ 分析和连续城市形式指标的大量现有文献上拥有优先权。
2. 连续形态补充 LCZ。我们基于从开放建筑物足迹高度层中按每个 1 公里图斑提取的连续形态参数对 UHI 进行建模，并测量相对于 LCZ 分类基线的预测提升。LCZ 仍然是不可或缺的分类法；我们的目标是恢复它必然抹平的类别内形态方差，而非取代它。
3. 经验帕累托前沿。在每个柯本区内，我们提取在（UHI 异常值，建筑物密度）空间中帕累托优于其他图斑的图斑。这些是现实城市已经实现的形态模式；它们为密度 - 热权衡建立了基于证据的下包络线。
4. 气候智能型原型。我们聚类参数空间中每个区域帕累托效率图斑的并集，并产生一套紧凑的设计师可用原型卡片——每张卡片指定参数中位数和四分位距、代表性图斑位置以及简短的政策说明。
5. 开放流水线。完整的从摄取到原型的流水线连同协调一致的图斑级表格一起以开放许可发布，弥补了多城市 UHI–形态工作中的可复现性差距。

本文其余部分组织如下。第 2 节回顾了单城市 LST–SHAP 工作、WUDAPT/LCZ 跨城市范式以及全球形态数据集的近期成熟。第 3 节描述了数据堆栈、特征构建、城市内中心化步骤、混合效应和互补的 XGBoost–SHAP 模型、经验帕累托提取以及原型聚类。第 4 节呈现结果。第 5 节相对于先前工作解释发现，讨论局限性（全球南方地区的建筑物高度覆盖率；LST 与冠层 UHI 的框架；归因而非因果），并推导政策含义。第 6 节得出结论。

章节片段
相关工作
表 1 将我们要建立其上的先前文献分为四个主题集群，并附有代表性参考文献以及本研究解决的结构性局限。我们在下方展开每个集群。

方法
图 1 总结了流水线：从数据摄取到原型聚类和未来气候预测的六个顺序阶段。所有输入均为开放公共数据集，所有计算均在单个工作站上运行。

数据集组成
在建成区过滤（ESA WorldCover 建成区分数 ≥0.5）和物理合理性质量筛查（|ΔT_UHI| ≤ 40 摄氏度；第 3.4 节）之后，协调一致的建模数据集包含 66 个城市和 15 个主要柯本区中的 33,498 个一平方公里图斑（该筛查从原始 33,715 个中移除了 217 个受云污染的 Af 图斑）。表 4 报告了筛查样本按区域划分的描述性统计。图 3 显示了按区域划分的夏季地表 UHI 异常值的完整分布：中位数是

形态效应是真实的且具有气候区特异性
城市内中心化分析果断分离了气候机制偏移（由城市随机截距捕获）与形态级信号。全球混合效应模型的边际 R2=0.252 证实，形态解释了 66 城市样本中城市内 UHI 方差的可测量但有限的部分——更大份额由形态无法捕获的中尺度和天气尺度过程支配。这是预期结果而非不足

结论
城市形态在总体规划阶段固定，并塑造街区整个生命周期内的人行道层面热性能，然而关于哪些形态特征重要、重要程度如何以及在何处重要的定量跨城市证据一直稀缺且方法上碎片化。我们通过一个完全开放、协调一致的数据流水线解决了这一差距，该流水线将 3 个夏季滚动平均的云掩膜陆地卫星 8/9 号和 MODIS 地表温度异常值与连续形态逐图斑配对

CRediT 作者贡献声明
Seyda Emekci: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，验证，监督，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Hakan Emekci: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理。

致谢
作者感谢 Google Earth Engine、WUDAPT 和 LCZ4r 社区、微软全球机器学习建筑物足迹、谷歌开放建筑物、VIDA Source-Coop 发行团队、GlobalBuildingAtlas 和 GLAMOUR 团队、ESA WorldCover、USGS、NASA 以及 ECMWF Copernicus 的开发者和维护者，他们的开放数据集和工具支撑了本研究。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本研究的竞争性财务利益或个人关系

Seyda Emekci|Hakan Emekci
安卡拉伊尔迪姆贝亚济特大学建筑系，安卡拉，土耳其