炎热天气下城市水冷却效应不均的城乡梯度

《Sustainable Cities and Society》：Urban-rural gradients in unequal urban water cooling under hot weather

　　

摘要

在全球变暖的背景下，热天气的频率和强度不断增加，加剧了城市热应力，突显了提高城市热缓解措施有效性和公平性的迫切需求。然而，与城市绿地相比，城市水体在提供降温服务方面的作用仍知之甚少，特别是在热天气条件下，其降温效果是否以及如何惠及附近人口、以及沿城乡梯度变化的情况尚未得到充分研究。本研究以中国广州为例，评估了城市水体的降温性能，并分析了其降温服务在城乡梯度上的空间公平性。我们发现，在热天气条件下，490个水体中有303个（61.84%）表现出显著的降温效果（平均降温2.48 ± 0.10°C）。郊区地区的降温效果最强（2.58 ± 0.15°C），其次是核心城区（2.54 ± 0.29°C）和内城区域（2.30 ± 0.29°C）。我们进一步揭示，在降温服务的不公平性方面存在明显的城乡梯度：郊区地区虽然降温能力更强，但空间差异更大，而核心城区虽然降温服务较低，但空间差异较弱。这些发现为城市规划与景观设计提供了重要启示，通过优化水体配置，支持建设更加公平和宜居的城市环境。

引言

全球变暖导致热天气的频率和强度显著增加，对人口密集的城市地区构成严重挑战（IPCC, 2021; Luo et al., 2024; Zhang et al., 2024）。这一趋势加剧了城市热岛效应（UHI），并加重了与高温相关的公共健康、能源系统和城市韧性的负担（Gao et al., 2024; Guo et al., 2023; Matthews et al., 2025）。与此同时，快速城市化将自然景观转变为不透水的人工表面，进一步加剧了城市的热积聚和热应力（Ren et al., 2024; Wang et al., 2024; Wu et al., 2025）。因此，缓解城市热环境已成为城市气候适应和可持续发展的关键问题。作为最重要的基于自然的解决方案之一，城市水体可以通过蒸发冷却和热容量调节降低周围地表温度（LST），从而提供显著的降温服务（Deng et al., 2026; Lu et al., 2024）。尽管以往的研究已记录了城市绿地的缓解高温效果（Galalizadeh et al., 2024; Li et al., 2024b），但城市水体的降温效果，特别是在热天气条件下，仍缺乏充分的量化研究。城市水体的降温作用受固有景观特征（如面积、形状和周长）以及周围城市环境和景观格局的影响（Kang et al., 2023; Wu et al., 2020）。例如，面积大且形状不规则的水体往往提供更大的降温幅度，但可能降低降温效率（Kang et al., 2023）。靠近绿地的水体往往表现出更强的降温强度，而靠近建筑物的水体则倾向于实现更高的降温效率（Lu et al., 2024; Sun et al., 2020）。然而，这些因素与降温性能之间的关系复杂，且可能呈非线性，难以用传统方法量化（He et al., 2024）。极端梯度提升（XGBoost）因其强大的复杂非线性关系建模能力，在城市热环境研究中得到了广泛应用（Yi et al., 2024; Zhang et al., 2025）。为了提升模型可解释性，SHapley加性解释（SHAP）方法被广泛用于量化不同变量的贡献（Lundberg and Lee, 2017）。全面了解这些影响因素对于优化空间受限条件下的水体规划以及提高热缓解的有效性至关重要。随着快速城市化的持续进行，对热舒适度和降温基础设施的需求不断增加。然而，城市基础设施很少在空间上均匀分布（Li et al., 2020b）。大多数城市设施沿城乡梯度呈现从城市中心向外围递减的趋势，导致明显的空间异质性（Xu et al., 2022b）。增加蓝色和绿色基础设施的数量可能无法有效解决空间不公平问题，因为其空间分布不一定与人口模式相对应，可能导致降温效益的不平等（Cai et al., 2025; You, 2016）。量化城市降温服务中的空间不公平性至关重要。常用的不公平性指数包括基于可及性的度量指标和基尼系数（Shi et al., 2023b; Tahmasbi et al., 2019; Xu et al., 2022a）。基尼系数最初在经济研究中开发，用于衡量收入不平等（Gastwirth, 1972; Gini, 1921），并已被广泛应用于环境和城市研究（Martin and Conway, 2025; Xu et al., 2018）。然而，城市降温服务沿城乡梯度的潜在不公平性仍知之甚少。很少有研究从人口加权角度评估水体降温服务，将水体降温效果与城市居民的空间分布联系起来（Deng et al., 2026; Lu et al., 2024）。研究城市水体的降温服务及其在热天气条件下的空间不公平性具有重要意义。从人口加权角度应用基尼系数可以帮助揭示这些差异，并支持更加公平的城市规划。本研究旨在（1）量化热天气条件下城市水体的降温性能；（2）识别可能影响降温性能的关键景观变量；以及（3）评估城乡梯度上这些降温服务的不公平性和步行可及性。我们的评估预计将为优化城市水体配置提供定量依据，并支持在变暖世界中建设更加公平和气候韧性的城市规划。

章节片段

材料与方法

本研究以中国南部的广州为例，评估城乡梯度上城市水体降温服务的空间公平性。我们的评估框架如图1所示。首先，基于气象站观测数据识别广州的热天气日，并选择相应的Landsat 8-9 OLI/TIRS图像。然后提取水体样本，并构建其降温曲线，使用六种……来量化降温性能。

不同城市区域水体的降温效果

在所选热天气期间，广州的地表温度（LST）最高达到51.05°C，平均为39.90°C（图4a）。从空间上看，水体主要分布在低温冷点区域（图S2）。490个水体中有303个（61.84%）表现出比周围区域更低的温度。水体使周围地表温度降低2.48 ± 0.10°C（±表示1个标准误）。郊区地区的ΔLST最高（2.58 ± 0.15°C），其次是核心城区（2.54 ±……）。

城市水体的热缓解及启示

在本研究中，我们量化了广州水体的热缓解效果。在城市490个水体中，303个表现出显著的降温效果，平均ΔLST为2.48 ± 0.10°C。与气候相似的湿热夏季城市的公园（柳州2.85°C）（Shi et al., 2023a）相比，水体的降温性能较低，但仍优于城市绿地（长沙0.67°C）（Li et al., 2024b）。这些结果表明，虽然公园作为……

结论

在本研究中，我们以中国广州为例，评估了热天气条件下城市水体的降温效果，并使用XGBoost和SHAP量化了二维和三维景观因素的影响。我们发现，城市水体表现出显著的降温效果，61.84%的水体温度低于周围环境。平均降温强度达到2.48 ± 0.10°C，郊区地区的降温性能强于城市地区。

CRediT作者贡献声明

**石满青：** 撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。**林立杰：** 撰写—审稿与编辑，调查。**吴思佳：** 撰写—审稿与编辑，数据整理。**王秋婷：** 撰写—审稿与编辑，数据整理。**罗明：** 撰写—审稿与编辑，验证，监督，方法论，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性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金资助（No. 42371028）。石满青|林立杰|吴思佳|王秋婷|罗明中山大学地理科学与规划学院，广东省城市化与地理环境模拟重点实验室，广州510006，中国