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城市扩张导致绿地减少加剧复合热浪，但城市化可能通过间接生长效应（IGEs）促进植被生长以缓解热岛效应。基于499个城市的随机森林模型分析发现，IGEs平均降低累积热0.35°C，可抵消城市热浪增强的4.6%。全球北方城市冷却效果更显著（-0.48°C vs -0.25°C）。情景模拟表明，若IGEs达到90th百分位水平，冷却潜力可提升至1.16°C，占热浪增强的18.3%。该研究为基于自然的解决方案应对城市热浪提供科学依据。
高胜军|陈云豪|李康宁|陈汉伟|何斌
中国北京师范大学地理科学学院遥感与数字地球国家重点实验室，北京100875
摘要
城市建成区的扩张和城市绿地的丧失改变了地表能量平衡，加剧了热应激。虽然绿地的减少减少了生物物理冷却效果，但城市化可以间接促进植被生长，部分抵消了这一影响。在这里，我们利用1公里分辨率的空气温度数据、卫星观测结果以及基于城市的随机森林模型，量化了间接生长效应（IGEs）对全球499个城市复合热浪的冷却潜力。平均而言，IGEs使累积热量减少了0.35°C，抵消了4.6%由城市化加剧的复合热浪。在全球北方城市，冷却效果更为显著（-0.48°C），而在全球南方城市则较弱（-0.25°C）。情景模拟显示，如果所有城市的IGEs都能达到第90百分位值，其冷却潜力可以翻倍：IGEs最多可缓解1.16°C的热量，抵消18.3%由城市化加剧的复合热浪。这些发现突显了通过基于自然的解决方案来推进热风险管理和促进可持续城市发展的巨大潜力。
引言
城市化和人类活动改变了微气候，导致城市温度升高——这种现象被称为城市热岛（UHI）效应（Li等人，2023；Li等人，2020b；Oke，1982）。在全球变暖的背景下，热浪变得更加频繁、持续时间更长且强度更大（Meehl和Tebaldi，2004；Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020）。特别是城市热浪，受到气候变化和UHI的联合影响而加剧（Chen等人，2025c；Li等人，2024；Shi等人，2021），这加剧了城市居民的热暴露（Tuholske等人，2021；Zhang等人，2023），并增加了发病率和死亡率（Mora等人，2017；Xi等人，2024；Zhang等人，2022c）。
复合热浪是指连续几天内白天和夜晚都出现极端高温的情况，比仅在白天或仅在夜晚出现热浪更为危险（Fouillet等人，2006；Grumm，2011；Liu等人，2024）。在城市环境中，复合热浪已成为一个关键问题。Wang等人（2020）的研究表明，在中国的三大城市群中，复合热浪的增长速度远快于仅白天或仅夜晚的热浪事件。它们持续的高温阻碍了夜间降温和恢复，增加了脆弱群体的健康风险（Liu等人，2024）。因此，复合热浪对实现可持续发展目标（SDGs）构成了重大挑战，特别是SDG3（良好健康与福祉）和SDG11（可持续城市和社区）（Zhang等人，2023），这突显了迫切需要有效策略来缓解城市复合热浪（UCHWs）。
已经投入了大量努力来制定城市热风险适应和缓解策略，包括预警系统（Kotharkar和Ghosh，2022）、空调（Obringer等人，2022）、城市绿化（Wang等人，2019a；Ziter等人，2019）以及表面反照率修改（Jandaghian和Berardi，2020；Smith等人，2023）。城市绿化，即通过扩展和管理公园、行道树和绿色屋顶等城市植被，作为一种基于自然的解决方案，可以通过遮荫和蒸散作用提供有效的冷却效果（Priya和Senthil，2025；Wang等人，2019a；Wong等人，2021；Zhou等人，2021；Ziter等人，2019）。例如，绿地可以将地表温度峰值降低2-9°C（Wong等人，2021）。它们还有助于减轻热暴露并降低相关的健康风险（Chen等人，2025b；Massaro等人，2023）。Massaro等人（2023）证明，城市绿化能有效减少城市人口暴露于极端高温事件的风险。
城市化增加了不透水表面的面积，减少了城市绿地，限制了植被的降温能力（Li等人，2024；Schwaab等人，2021；Wang等人，2019a；Zhou等人，2021）。城市绿化在缓解极端高温方面的有效性不仅取决于植被覆盖率，还取决于其质量特征（He等人，2022；Wang等人，2019b）。有趣的是，最近的研究表明，城市化引发了城市植被的间接生长效应（IGEs），这归因于UHI、大气二氧化碳浓度的升高和氮沉降（Chen等人，2025a；Jia等人，2018；Li等人，2025；Zhang等人，2022a；Zhang等人，2021；Zhao等人，2016）。IGEs可以通过Zhao等人提出的概念框架进行量化（Zhao等人，2016），该框架描述了不透水表面面积与城市植被之间的关系。理论上，不透水表面的增加预计会导致绿化程度的线性下降。然而，在实践中，通常观察到的是非线性关系，反映了城市化效应的间接影响（Zhang等人，2022a；Zhao等人，2016）。IGE被定义为实际情景与理论情景之间城市绿化程度的差异。
总体而言，城市化加剧了复合热浪。然而，同时它也可以间接促进植被生长。这提出了一个重要问题：尽管城市化加剧了极端高温，但它也可能同时促进植被生长，从而有助于缓解高温。尽管最近的研究已经评估了城市绿化带来的冷却效果（Li等人，2024；Wong等人，2021），但城市化促进的植被生长在多大程度上能够缓解UCHWs仍不清楚。
在这里，我们全面评估了IGEs在抵消城市化加剧的UCHW方面的冷却效果，同时考虑了全球南方和北方城市在热浪（Gao等人，2024；Zhang等人，2023）、城市绿地（Chen等人，2022）和热缓解（Li等人，2024）方面的差异。我们为每个城市使用了随机森林模型（Breiman，2001），结合了像素级别的复合热浪、城市绿化（使用归一化植被指数NDVI作为代理）和城市化强度（UI，以1公里像素内的不透水表面面积百分比表示）。IGEs引起的冷却效果是根据随机森林模型和Zhao等人的概念框架（Zhao等人，2016）估算的。为了评估IGEs对UCHW的缓解效果，我们使用了两个指标：冷却效果（CE）和冷却能力（CC）。CE衡量了由城市化加剧的复合热浪在多大程度上被IGEs引起的冷却所抵消，负值表示冷却，正值表示升温。CC量化了IGEs驱动的冷却在抵消城市化加剧的复合热浪中的比例。本研究探讨了两个关键问题：1）当前的城市化引起的IGEs在缓解城市化加剧的复合热浪方面有多有效？2）在持续增强的IGEs下，还存在多少额外的缓解潜力？
章节摘录
城市边界的选取
我们根据2020年全球城市边界（GUB）数据集（Li等人，2020a）定义了城市。为了确保每个城市有足够的像素数量，我们选择了面积大于100平方公里的城市，共计超过1000个城市。考虑到UI的完整性（范围从0到1）和温度数据的准确性，以及随机森林模型的建模精度（R2 ≥ 0.4）和IGE概念模型的精度（R2 ≥ 0.6），我们最终选择了全球499个城市。此外，根据以往的研究（
城市化加剧了复合热浪
考虑到数据的质量和我们的随机森林模型的验证结果，我们选择了全球499个面积超过100平方公里的城市进行分析（见方法部分）。对于每个城市，我们根据1公里近地面空气温度数据集（Zhang等人，2022b）中的最高和最低温度，识别了2003年至2019年期间的像素级复合热浪（Chen和Li，2017；Gao等人，2024），并使用CH（Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020）进行了量化。UCHW被定义为
讨论
随着城市化的推进，自然土地覆盖越来越多地被建筑物和道路等不透水表面所取代，从根本上改变了城市表面的热属性。这反过来又加剧了城市温度，表现为UHI效应（Li等人，2023；Li等人，2020b；Oke，1982）。随着城市温度的持续上升，UHI效应与热浪之间的协同作用变得越来越明显，UHI效应加剧了热浪的频率和
作者贡献
Y. C.和S. G.设计了这项研究。S. G.分析了数据并撰写了论文。K. L.、H. W. C.和B. H.改进了研究。所有作者都对结果的解释做出了贡献。
CRediT作者贡献声明
高胜军：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，数据分析，概念化。陈云豪：写作——审稿与编辑，资金获取，概念化。李康宁：写作——审稿与编辑。陈汉伟：写作——审稿与编辑。何斌：写作——审稿与编辑。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所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（U23A2018）的支持。
