量化人与建成环境对城市公园降温效果的交互影响——以上海为例

《Sustainable Cities and Society》：Quantifying interactive effects of people and built-environment on urban park cooling benefits, a case study of Shanghai

　　**摘要**
在日益加剧的城市热岛效应背景下，公园作为重要的降温基础设施受到了广泛关注。然而，现有研究往往忽视了人与建成环境之间的互动机制。为了填补这一空白，本研究以上海市中心区域的472个公园为案例，将动态人口数据与多源地理信息相结合。构建了一个可解释的极端梯度提升（XGBoost）模型，并使用部分依赖图（PDP）来揭示人与建成环境之间的互动机制。研究结果表明：（1）公园的降温强度和效率受到规模、内部植被和周围建成环境的共同影响，存在显著的权衡；（2）人口规模与植被覆盖率和建筑密度等因素之间存在非线性互动，表现出明显的情境依赖性；（3）降温效益存在空间差异，表现为“内环区域较高，外环区域较低”。这些发现可以为以人为中心的绿地系统规划提供科学依据，并提升高密度城市区域的热韧性。

**引言**
城市热岛效应表现为城市建成区比周边农村地区温度更高（Oke, 1982）。这一现象已成为现代城市最突出的环境问题之一（O’Malley et al., 2015）。快速的城市化深刻改变了地球表面，促进了经济和社会发展。大量的自然植被和透水表面被不透水建筑物、道路和广场等人造材料所取代（Grimm et al., 2008），这严重扰乱了该地区的能量平衡和水循环，直接加剧了典型的“城市热岛”现象（Dibaba, 2023; Estoque et al., 2017）。这种现象加剧了与高温相关的健康风险和环境污染问题，对城市的可持续发展构成了严重威胁（Gui et al., 2019）。
在中国快速城市化的背景下，上海等特大城市的热岛效应尤为显著，这些城市以高密度、高强度的发展模式为主。相关研究表明，在夏季最热的日子里，市中心与周边郊区的最高温差可达4°C，形成了明显的热岛核心（J. Yang et al., 2017）。面对这一挑战，通过规划和优化城市蓝绿基础设施来调节城市微气候被视为最具前景的“基于自然的解决方案”之一（Cortinovis & Geneletti, 2018）。作为城市生态系统中的核心绿地，城市公园可以通过植被蒸腾、树冠遮荫和改变表面反照率等生态过程产生“冷岛效应”，在缓解城市高温和改善人类热舒适度方面发挥着关键作用（Aram et al., 2019; Bowler et al., 2010）。因此，准确量化城市公园的降温效果并深入分析其内部机制对于科学指导城市绿地规划和精确改善城市热环境至关重要。

**研究方法**
为了系统且可比地测量城市公园的降温能力，研究人员开发了一套基于表面温度数据的多维定量指标体系。早期研究主要从“最大效应”的角度定义了核心指标，如公园降温强度（PCI）、公园降温距离（PCD）和公园降温面积（PCA）（C. Yang et al., 2017; Yu et al., 2017）。随后，为了更全面地评估公园的资源利用效率，研究人员提出了公园降温效率（PCE，即单位面积公园的降温面积）等概念（Feyisa et al., 2014; Yu et al., 2020）。在揭示公园降温效应的机制方面，众多研究表明，这是公园内部属性与周围环境共同作用的结果。公园的面积、形状指数、植被组成以及水体的存在和大小是其降温能力的主要决定因素（Kong et al., 2014; Park et al., 2017）。同时，公园周围的建成环境通过改变风场循环和辐射交换等物理过程影响周围表面温度，从而深刻影响公园冷岛效应的强度和维持（Yang et al., 2021; Zheng et al., 2019）。间接反映人类活动强度的社会经济因素，如夜间光照指数和兴趣点密度，也逐渐被纳入分析框架（Li et al., 2025）。在研究方法层面，机器学习算法，尤其是随机森林和梯度提升决策树等集成方法，具有高度灵活性和适应性，可用于解决非线性回归问题（Han et al., 2022），近年来被广泛用于研究城市公园的降温效果。

**最新研究进展**
近年来，越来越多的研究开始关注“人”在公园降温效应中的作用。这些研究将降温效应与可及性和吸引力联系起来，利用静态人口数据来考察公园降温服务的分布不均问题。其他研究从环境正义的角度探讨了不同社会群体在获取公园降温服务方面的差异，揭示了降温资源分配的空间不平等（Shi et al., 2023; Tieskens et al., 2022; Yang et al., 2024）。这些研究标志着城市降温效应研究的重大转变，从纯粹的生物物理视角转向了综合的“社会生态”视角。正如社会生态系统理论所强调的，城市环境问题源于自然过程和人类活动在多个尺度上的相互作用，而非单个因素的线性叠加（Fisher et al., 2008）。基于这一理论，“人”和“建成环境”应被视为一个动态耦合系统的组成部分。更重要的是，高密度的人口聚集本身可能通过人为热排放和地表物理性质的改变对当地微气候产生影响，从而形成一个复杂的人与建成环境反馈系统。

**研究局限性与改进**
尽管现有研究取得了显著进展，但仍存在两个关键局限：首先，也是最核心的问题是，在研究降温效应时，“人”这一要素被系统性地忽视或边缘化。大多数研究将公园降温视为纯粹的生物物理或景观生态过程，主要关注静态环境属性（Kong et al., 2014; Yang et al., 2021）。然而，城市公园中的降温服务本质上是一种潜在的社会公共资源，能够被人们感知并从中受益（Xiao, Piao, Wei et al., 2023）。城市居民并非被动的服务接受者，他们的日常通勤和娱乐行为导致人口在空间和时间尺度上的动态分布，构成了对降温服务的实时动态需求（Han et al., 2025）。此外，尽管机器学习方法善于识别各个变量的相对重要性，但它们无法捕捉变量之间的复杂相互作用（Xiao, Piao, Pan et al., 2023; Yao et al., 2022）。大多数研究仅停留在识别关键影响因素上，缺乏对这些因素如何协同作用、增强或相互削弱的深入探讨和可视化展示。因此，本研究引入了双向部分依赖模型，该方法通过计算和绘制模型预测输出的平均边际效应（当两个特征的值变化时）来直观展示两者之间的协同或拮抗效应（Molnar, 2020）。

**研究目标**
本研究聚焦于面临严重热岛效应的上海市中心区域，探讨“人与建成环境”之间的互动，并借助动态人口数据和机器学习模型深入理解“人-热-公园”之间的互动机制。研究旨在实现以下核心目标：（1）系统揭示影响公园降温强度和效率的关键环境和社会经济因素，并评估其相对重要性；（2）关注人口数据与其他核心环境特征对公园降温效率的交互模式，揭示“人与建成环境”耦合的内在机制；（3）基于上述机制分析，提出差异化的城市公园规划和治理策略，以促进“人与建成环境”的协同作用。研究结果有望推动城市绿地规划从“以物为中心”的静态、功能性布局向“以人为中心”的动态、精准服务转变，为提升高密度大城市的韧性和居民福祉提供新的科学依据。

**研究区域**
上海位于中国东海岸（120°52′E-122°12′E, 30°40′N-31°53N），是长江三角洲城市聚集区的中心城市，是中国重要的经济、金融和贸易中心，具有亚热带季风气候。本研究选择上海市中心区域作为研究对象。作为中国最大的城市之一，上海在过去几十年经历了快速的城市化进程。特别是在市中心，人口快速增长，公园的降温效益空间分布也在发生变化。

**数据与方法**
为了研究不同空间梯度下公园降温效益的分布特征，本研究首先分析了基于城市环带（内环、中环和外环）和公园规模（小、中、大）的公园降温强度（PCI）和公园降温效率（PCE）的空间分布（图4）。以PCI和PCE的中位数作为划分标准，将公园分为四种类型：星形公园（高PCI-高PCE）、高效公园……

**结论**
通过整合多源地理数据、动态人口数据和可解释的XGBoost模型，本研究系统揭示了上海城市公园降温效益中“人”与“建成环境”因素之间的复杂互动机制。研究发现，公园的降温效益不仅由环境特征决定，还受到人与环境动态耦合的影响：当公园内的人口规模……

**致谢**
参考文献略。

**作者贡献声明**
Bohua Jin：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、方法论设计、数据整理、概念化；
Wangchongyu Peng：撰写——审稿与编辑、资源获取、概念化；
Fei Chen：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取；
Wei Zhuang：监督、项目管理；
Xinyu Zhang：撰写——审稿与编辑；
Haolun Tian：……
Hongwei Shi：……
Yuhao Wu：……

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。