探究由二维和三维城市景观变化驱动的昼夜极端高温的成因机制：以中国武汉为例

《Sustainable Cities and Society》：Discovering the causal mechanism of day-night extreme heat driven by 2D and 3D urban landscape changes: a case study of Wuhan, China

极端高温加剧背景下，研究提出多尺度分析框架，结合空间差分法和因果森林模型，揭示城市化对武汉极端高温的影响机制。结果表明：宏观层面城市化显著强化极端热强度，微观层面建筑、水体、农田等景观要素对昼夜热浪存在异质性驱动，需差异化热韧性策略。

　　

钟英强|李少春|周新梦|梁迅|关庆峰

中国地质大学地理与信息工程学院，武汉，430078，湖北省，中国

摘要

极端高温事件的频繁发生对公共卫生和城市可持续性构成了严重挑战。城市扩张是极端高温的主要驱动因素，然而昼夜温差背后的不同机制尚未得到充分研究。本研究提出了一个多尺度分析框架，利用宏观尺度（空间差异差异法）和更细粒度尺度（因果森林模型）来探讨二维和三维城市景观变化如何影响极端高温强度（EHI）。研究发现：1）在宏观尺度上，城市化显著加剧了极端高温强度，表明其对热环境有负面影响；2）在更细粒度尺度上，异质性分析显示建筑物、不透水面、农田和水体的景观变化以不同的方式影响极端高温强度。结果表明，需要采取差异化的昼夜降温策略，包括增强蓝绿基础设施、优化城市景观以及保持农田与水体的空间平衡，以提高城市的热适应性。

引言

极端高温通常被定义为一系列连续的高温事件，其发生频率和强度在全球范围内正在以惊人的速度增加，预计未来这一趋势还将恶化（Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020；Perkins和Alexander，2013）。在全球变暖的背景下，极端高温的加剧已成为一个既定事实（Arias等人，2021）。这些日益频繁和持续时间较长的极端高温事件对人类社会的可持续发展和自然环境构成了严重威胁（Zheng等人，2024），包括对公共卫生的风险（Ebi等人，2021；Forzieri等人，2017；Vicedo-Cabrera等人，2018；Hess等人，2023；Wang等人，2025）、能源消耗的增加（Parker等人，2025；Jiang等人，2024；Morakinyo等人，2019；Zhang等人，2022）、农业生产力下降（Bai等人，2024；Heilemann等人，2024；Aragón等人，2021；Mayorga等人，2025）以及野火风险增加（Mario等人，2024；Lubis等人，2024；Ha等人，2024；Parente等人，2018）。虽然全球气候变化是主要原因，但局部的人类活动——特别是城市化——也被证明会加剧极端天气事件的发生（Arias等人，2021；Luo和Lau，2018）。随着全球超过一半的人口居住在城市地区，且城市人口持续增长（联合国开发计划署，2018），城市中的极端高温影响预计将加剧。这一日益严重的问题促使研究人员更加关注城市环境在面对气候极端事件时的宜居性和韧性。

关于城市极端高温的现有研究大致可以分为三类。第一类研究依赖气象站观测数据，比较城市和农村地区的长期趋势，从而推断城市化对极端温度事件的影响（Ren和Zhou，2014；Wu等人，2021；Ji等人，2024；Luo等人，2024；Hu等人，2024）。尽管站点数据具有高准确性和时间连续性，但其稀疏且不均匀的空间分布限制了它们捕捉城市内部细微热异质性的能力（Wang等人，2024）。第二类研究利用遥感地表温度（LST）数据来表征极端高温的空间模式及其与城市景观特征的关系（Massaro等人，2023；Luo等人，2023；Kabisch等人，2023；Tian等人，2019；Han等人，2022；Ma等人，2023；Ouyang等人，2024；Li等人，2024）。基于LST的研究揭示了二维景观配置（例如斑块密度）和三维城市形态（例如建筑高度）在调节城市热环境中的重要性，通常得出结论认为优化空间布局可以降低热风险（Ren等人，2022；Gabbe等人，2024）。然而，这些研究主要关注静态快照，并依赖于基于相关性的分析，这限制了它们区分因果关系和关联性的能力。

最近，第三类研究开始采用因果推断方法来克服这些局限性。新兴研究表明，因果框架在观察数据无法进行控制实验的情况下，能够揭示城市形态、人类活动和气候相关结果之间的复杂相互作用（Gabbe等人，2024；Zhong等人，2024；Zhao等人，2024；Liu等人，2022；Zheng等人，2023）。然而，城市热过程本质上是多尺度的，涉及整个城市的土地利用变化、局部景观配置和昼夜循环。这种多尺度特性促使近期研究开发出分层和空间明确的模型，旨在捕捉从城市到局部的相互作用（Massaro等人，2023）。尽管在捕捉空间异质性和尺度依赖机制方面非常重要，但在现有文献中，将多尺度视角明确纳入因果分析仍较为有限。

尽管取得了这些进展，城市极端高温研究中仍存在两个关键空白。首先，很少有研究明确模拟城市化引起的景观变化的动态因果效应，而是将城市形态视为时间固定的。其次，缺乏能够同时捕捉城市化宏观尺度平均处理效应和微观尺度异质性的综合框架，以了解特定景观变化如何影响不同空间及昼夜条件下的极端高温。

具体而言，本研究旨在：

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通过应用考虑空间溢出效应和城市化过程时间动态的空间差异差异（SDiD）模型，量化城市化对极端高温强度（EHI）的因果影响。

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通过因果发现识别驱动极端高温动态的关键城市景观因素，从而减少对先验变量选择的依赖，并阐明景观变化与EHI之间的因果结构。

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使用因果森林模型描述城市景观变化对昼夜EHI的异质性因果效应，特别关注非线性响应和空间变化的处理效应。

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通过比较昼夜条件下的因果路径和主导因素，阐明极端高温机制的昼夜差异。

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通过将因果发现与快速城市化下的城市形态优化和蓝绿基础设施策略联系起来，为热缓解提供规划相关见解。

研究区域和数据集

本研究主要关注2000年至2018年夏季湖北省武汉市的城市化对极端高温强度（EHI）的影响。武汉市是中国的中心城市，人口为1373万。研究区域是武汉第五环内的核心城区（图1），该区域以高建筑密度和人口密度为特征。

研究的数据集总结在表1中，包括MODIS地表温度（LST）、土地覆盖和建筑物数据。

极端高温强度和城市环境的时空变化

从2000年到2018年，武汉夏季的昼夜EHI均显著恶化（图3）。具体而言，经历昼夜EHI的区域比例从21%上升到53%。相应地，平均昼夜EHI也显著增加，从1.13上升到1.88。这表明城市超过一半的区域（51%）的昼夜热条件有所恶化。

同样，夜间EHI也变得更加严重。

空间差异差异法和因果森林方法的适用性和互补性

本研究结合了宏观和更细粒度的分析方法，全面评估城市化对EHI的因果影响。在宏观尺度上，采用SDiD模型评估城市化的总体影响。通过考虑空间溢出效应和时间趋势来比较处理组和对照组，SDiD模型非常适合评估大规模的空间干预措施。尽管SDiD模型是一个评估因果关系的空间模型，

结论

本研究通过结合空间差异差异法和因果森林模型的多尺度框架，评估了武汉第五环内城市化对EHI的影响。首先，在宏观尺度上，城市化显著加剧了极端高温强度，突显了其对热环境的负面影响。其次，昼夜EHI主要受建筑环境和水体变化的影响，而夜间EHI则更受农田和水体相关变化的影响。

作者贡献声明

钟英强：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、资源准备、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。李少春：撰写——审稿与编辑、概念化。周新梦：撰写——审稿与编辑、可视化、正式分析。梁迅：监督、概念化。关庆峰：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、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财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。