城市热岛的街区尺度热变异性：水平与垂直城市形态的不同作用

《Sustainable Cities and Society》：Neighborhood-Scale Thermal Variability of Urban Heat Islands: Distinct Roles of Horizontal and Vertical Urban Morphology

　　

基于规划的分区分区分类在城市热成像中优于NDVI。机器学习揭示了郊区-城市热岛动力学中不同的形态驱动因素。垂直体积（容积率）和人口密度驱动一般热负荷。水平硬化（建筑覆盖率）决定了局部极端热异常。城市热应激在过渡性的春季季节中持续存在。引言在全球气候变化的背景下，城市变暖趋势与城市结构特征之间的关系变得越来越重要。快速的城市化推动了土地覆盖变化，用建筑物、道路和停车场等建成区取代了自然环境（Chen等人，2021年；Hao等人，2023年）。混凝土、沥青、石材和砖块等不透水材料的广泛使用增加了硬化表面的比例，加剧了热量积累并改变了局部热环境。通过建筑覆盖和垂直集约化表达的结构密度减少了绿地的可用性并强化了UHI强度（Fuller和Gaston，2009年；Jonsson等人，2004年；Liang和Gong，2020年）。尽管UHI效应已被广泛记录，但塑造其强度的邻域尺度形态控制因素仍未得到充分量化（Yadav等人，2023年）。城市区域内透水（自然）和不透水（建成）表面的空间分布直接影响城市能量平衡（Qiu等人，2023年）。白天，传入的太阳辐射部分被反射，具体取决于表面反照率和大气条件，而被吸收的部分则以长波热辐射的形式重新辐射，形成本地表层能量平衡（Trenberth等人，2009年）。吸收和重新辐射的能量量取决于不透水表面的范围和材料特性（Arnold和Gibbons，1996年）。植被和水面通过蒸发和蒸散发将储存的相当一部分能量以潜热的形式释放到大气中，从而冷却表面（Li等人，2017年）。相比之下，不透水表面倾向于保留更多热量，因为它们限制了这些冷却过程（Chen等人，2023年）。因此，建成区的扩张导致城市内空气温度和表面温度总体上升。高比例不透水表面的城市区域比其特征为透水表面的郊区更温暖的现象被称为UHI效应（Howard，1833年）。其形成主要与表面组成和材料特性有关，其中不透水性材料如沥青、混凝土和屋顶表现出高热存储容量和降低的冷却潜力（Oke，1982年）。这些特性与有限的植被和改变的气流相结合，强化了持续的热负荷并加剧了UHI效应（Santamouris，2015年）。受城市表面通过热、污染和表面特性直接影响的最低大气层称为城市边界层（UBL）。在其中，最接近表面、由建筑物、街道和其他结构界定的层被称为城市冠层（Srivanit和Hokao，2012年）。该层对微气候过程至关重要，因为它管理着表面与大气之间的初始能量和物质交换。白天，人造表面吸收太阳辐射，增加表面温度并增强对流热传递，从而提高UBL，随着郊区和城市空气温度趋同，从而削弱UHI强度（Back等人，2024年）。然而，在夜间，太阳输入停止，白天储存的热量逐渐释放回大气中。由于城市区域呈现出狭窄街道和高耸建筑物的峡谷式形态，热量散发缓慢，导致能量积累。微弱的夜间风和减少的对流将热量困在近表面处，而具有透水表面的郊区则迅速冷却，加剧了城乡温差（García和Díaz，2023年）。因此，UHI效应在夜间变得更加明显（Kusaka和Kimura，2004年）。重要的是，城市冠层动力学受到当地形态构型的强烈影响，如街道宽度、建筑高度、密度和表面组成，将大气过程直接与邻域尺度的城市形态和生态系统功能联系起来（Guo等人，2016年；Tran等人，2017年）。尽管UHI形成的物理机制已经确立，但在邻域尺度上多维形态参数的相对影响仍未得到充分量化。UHI现象通常在城市组成的背景下进行研究，这指的是城市中土地覆盖和土地利用类型的多样性和比例，以及城市配置，它描述这些土地覆盖类型的空间排列和相互连接（Gustafson，1998年；Zhou等人，2011年）。基于表面的二维（2D）指标被广泛用于捕捉组成，而体积三维（3D）指标越来越多地被应用以代表配置。然而，尽管这些维度与社会经济和环境过程紧密交织，但它们往往被分开分析（Adulkongkaew等人，2020年）。它们在邻域尺度上的相对和比较影响仍不清楚。确定2D或3D形态属性对城市热环境施加的影响更大仍是一个持续的争论。已开发出多种方法来识别影响UHI强度的组成和配置变量。量化城市组成的方法包括建成区百分比、裸土比例、植被和水体比例、边缘密度、斑块密度、斑块数量和平均大小、建筑覆盖率（BCR）、开放空间比率、土地利用和覆盖分类、建成指数（如NDBI、UI、IBI）、植被和水指数（如归一化差异植被指数（NDVI）、NDWI、MNDWI）、光谱混合分析和基于对象的分类技术（Buyantuyev和Wu，2010年；Liang和Weng，2008年；Wu等人，2008年；Wei和Blaschke，2018年）。城市配置变量则包括建筑物高度、平均建筑物高度、层数、容积率（FAR）、建筑物紧凑度和密度、建筑物类型和用途、天空可视因子（SVF）、街道纵横比和风廊等指标（Jiang等人，2022年；Chen等人，2023年；Ni等人，2024年）。此外，最近在三维城市形态热研究中明确表明，这些体积和结构指标如何关键性地控制局部辐射预算、气流和热量储存，从而深刻影响基于表面的城市热岛强度（Guo等人，2021年；Lai等人，2021年；Zhang等人，2022年；Han，2023年；Liang等人，2024年；Zhang等人，2024年；Huang等人，2025年；Zeynali等人，2026年）。大多数研究仅关注表面组成指标或选定的垂直参数，很少有研究在统一的分析框架内系统比较它们的相对贡献。早期的UHI研究依赖气象观测来测量城乡之间的温差（Howard，1833年）。基于卫星的热遥感实现了对LST的空间明确估算，提供了更快更可靠的UHI评估（Rao，1972年）。Landsat提供了适当的空间分辨率用于邻域尺度分析，并且凭借其长期的时间档案和公开可访问性，仍然是考察UHI时空动态的可靠数据集（?alhan和?zelkan，2022年；Orlando和Berazategui，2024年；Roy等人，2020年；Türky?lmaz等人，2020年；Yasmin等人，2026年）。气候变化已从长期的全球关注演变为直接影响短期城市规划实践的紧迫问题。IPCC（2014年）关于“影响、适应和脆弱性”的报告强调了地方和近期解决方案日益增长的需求，特别是在城市背景下。同样，土耳其2022年气候委员会强调在城市气候行动主题下空间规划的重要性，突出了绿色基础设施、韧性城市设计、节能建筑、碳排放减少和可持续交通等策略（土耳其共和国，环境与城市化气候变化部，2022年）。尽管城市占全球温室气体排放的约60%和能源消耗的78%，但它们在气候减缓和适应方面也具有最大的潜力（UN-Habitat，2021年）。因此，各尺度上的空间规划，特别是中等规模城市，需要更强大地将气候韧性原则整合进来。地方气候变化行动计划通过使城市规划与气候预测和适应策略相一致，为此转型提供了重要工具。本研究的主要动机是阐明UHI效应与城市形态结构之间的多维关系。通过空间规划和气候政策的视角探索UHI现象，本研究调查了居住区的形态组成和配置如何塑造邻域尺度的热变异性。关于空间规划决策如何塑造中等规模城市气候脆弱性的重大研究空白依然存在。本研究旨在弥合这一空白，并为在空间政策框架中纳入UHI考虑提供科学和实践基础。因此，本研究的主要目标是量化2D表面形态、3D体积形态和人为指标对邻域尺度UHI强度的相对影响。由于西部土耳其恰纳卡莱省的城区因其多样的城市肌理、独特的微气候和快速的城市增长而被选为研究区域。使用2023年的Landsat Collection 2 Level 2（OLI/TIRS）图像派生每月LST值。从市政分区规划、CORINE城市图集（2018年）和人口统计数据中提取互补的2D（如不透水表面比例、BCR、NDVI）和3D（如层数、FAR）形态指标。此外，从气象站获取的现场空气温度数据被用于验证卫星派生的分析。所有数据集在一个多层分析框架内整合，结合双变量统计分析（参数和非参数相关）与双阶段多元机器学习框架（岭回归和随机森林），以揭示邻域尺度热环境中的相对形态贡献。章节摘要研究区域研究区域包括位于26°00′36"至27°56′57"东经和39°21′19"至40°50′34"北纬之间的恰纳卡莱省中心社区（图1）。本研究考察的居住区包括中心区的七个社区：巴巴罗斯（a）、切瓦特帕沙（b）、埃森勒（c）、费兹帕沙（d）、伊斯梅特帕沙（e）、凯末尔帕沙（f）和纳米克凯末尔（g）；以及凯佩兹镇的博加兹肯特（h）、共和（i）和哈米迪耶（j）社区，其位于结果按照图2中呈现的方法学框架，多种数据集被整合以检验结构、环境和人为变量之间的空间及统计关系。遥感数据（LST、NDVI和土地利用/土地覆盖）、结构指标（2D和3D）、人口指标（总人数和净人口密度）以及气象观测数据（每日和每小时空气温度）被联合分析。现场数据和实地观测也被讨论本研究的发现与恰纳卡莱沿海地中海气候及其独特的城市肌理的具体背景密切相关。以其炎热干燥的夏季和温和潮湿的冬季为特征，这些区域气候条件显著推动了城市中观察到的季节性UHI动力学。在此背景下，评估了城市形态指标对LST和UHI的季节性影响在邻域尺度上的情况。与基于本地气候区的分类不同对城市规划的意义本研究证明，LST在邻域尺度上存在显著差异，主要受城市形态特征驱动。然而，将这些定量发现转化为可操作的城市规划法规需要超越过于笼统的、全市范围的缓解策略。基于12个分析社区各自独特的形态和热特征，我们提出针对恰纳卡莱异质城市肌理的分区特定适应策略：局限性及未来研究本研究评估了城市形态变量对邻域尺度表面温度的影响；然而，在解释结果时应考虑若干与数据源、方法选择及空间分辨率相关的局限性。首先，使用行政社区作为分析单位带来了挑战，因为它们具有不规则的空间结构、不同的规模和多样的形状，这可能限制空间比较的精确性。该问题结论本研究确定了基于表面的UHI效应的主要邻域尺度形态和人口决定因素。通过实施探索性双阶段多元机器学习框架（岭回归和随机森林）来克服严重的多重共线性，本研究定量揭示了一个复杂的热动力学：一般热负荷由总垂直体积（FAR）和人口集中度（GPD）驱动，而局部极端热异常（最大UHI）则由资金本研究由土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）通过题为“使用遥感方法分析地表温度与城市密度类型之间关系”的项目支持，通过1002-A快速支持模块提供资金（项目编号224K477，项目周期：2024年9月26日至2025年9月26日）CRediT作者贡献声明Esra EREN：写作 - 原稿、可视化、验证、方法学、形式分析、数据整理、概念化。Emre ?ZELKAN：写作 - 审阅与编辑、验证、监督、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念化。Arzu BA?ARANUYSAL：写作 - 审阅与编辑、可视化、验证、方法学、概念化。

库尔沙德·德米尔雷尔：撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证，方法学，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究源自埃斯拉·埃伦的硕士学位论文，并得到土耳其科学和技术研究委员会（TüB?TAK）1002-A 快速支持模块的资助。作者还感谢美国地质调查局（USGS）提供 Landsat 8/9 OLI/TIRS 影像以及土耳其气象局提供气象数据，这些数据对于本研究的准备和分析至关重要。
埃斯拉·埃伦|恩梅尔·泽尔坎|阿茹·巴萨兰乌伊萨勒|库尔沙德·德米尔雷尔