1 研究背景
当前，全球气候异常与极端天气事件频发，其中热浪已对人类的生产生活造成了巨大的影响，越来越多学者对影响城市热环境的因素进行了研究。然而，目前大多数研究都是基于整个研究区尺度的分析，缺乏对城市局部功能区的细致探究。局地气候分区体系（local climate zones, LCZ）能够有效建立城市气候与空间形态间的定量关系，揭示城市内部热环境分异特征。因此，本研究以热岛效应显著的福州为例，在全域分析的基础上，通过LCZ体系进一步细分出各种城市建筑类型区，并采用随机森林（randomforest, RF）回归模型揭示城市热环境因子分别在夏、冬两季对地表温度（landsurface temperature, LST）的相对重要性与边际效益。
2.1 城市热环境因子的选取
本研究将城市热环境的潜在影响因子划分为4个类别，分别为：景观组分（landscape composition）、建筑形态（building morphology），社会经济发展指标（socioeconomic development parameters）和景观格局（landscape pattern），并涵盖13个因子（表1）。
表 1 城市热环境因子
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LCZ 体系由建筑类型（built types）和土地覆盖类型（land cover types）构成，在这2个类型下又细分出建筑LCZ 1–10 次级标准类和土地覆盖LCZ A–G次级标准类，各类别有着明确的定义和分类准则。本研究基于GIS方法获取了LCZ的分类结果（图1）。![]()
2.3 LST反演
使用Landsat-8 TIRS 10热红外波段，采用Jiménez-Muñoz等提出的单通道算法进行地表温度LST的反演，分别获得了代表夏季（September 27, 2021）和冬季（February 15, 2021）的LST数据（图2）。
LST在夏、冬两季的均值（标准差）分别为50.20 ℃（3.57 ℃）和26.55 ℃（2.64 ℃）。LST在两季的空间分布格局较为一致，LCZ各类在两个季节的相对温度变化趋势基本保持一致。较大面积的高温区主要集中在研究区南部与东部的三环区，水体与分布于城市内部的山地森林温度相对较低，并且夏季的LST空间变异程度要明显高于冬季。同时，还可以观察到城区内的山地森林与周围环境的温度差异在冷季有较大的减弱，这或许与植被在冬季落叶增多，呼吸与蒸腾作用放缓，以致降温作用减弱有关。在LCZ建筑类型中，LCZ 8与LCZ 3的地表温度最高，在夏季可达55.14 ℃与54.84 ℃，在冬季则为29.97 ℃和29.74 ℃。在LCZ土地覆盖类型中，LCZ A在夏季具有最低的LST，为43.07 ℃，而在冬季则为LCZ G的LST最低，为21.06 ℃（表2）。表 2 研究区LCZ分类结果的LST统计
福州盆地建成区范围呈圈层式的外扩特征。从上个世纪90年代后期，城市建设开始往二环外大面积扩张。现在，城市建成区已基本延伸至整个三环区域。在城市建成区不断外扩和老城区持续更新的过程中，塑造了复杂多样且在空间上相互交错的建筑类型，形成了当前的城市热环境分布特征。从图2 LST的整体空间分布可以看出，福州主城区内有几处明显的高温组团，其中连片度最大的是高盖山以南（图3a）和东三环以西的区域（图3b）。这两个区域致密分布了中层和低层的村民自建房和小体量金属棚顶厂房。在老城区内可以发现一处高温孤点（图3c），为三坊七巷历史街区，该区域主要由1–3层低矮致密的木构砖墙灰瓦传统历史建筑构成，周围被现代高层建筑所环绕而不通风。与图3a、b、c形成对比的是图3d、e的高层建筑区，它们不仅具有良好的绿化与滨水生态优势，高层建筑也能够有效阻挡阳光对地面的直接照射。同时高层建筑还受到“破风效应”的影响，在高层建筑周边区域形成的“风谷”会进一步造成局地LST的下降。![]()
将13个城市热环境因子作为自变量，将LST作为因变量，通过RF算法分别构建夏、冬两季RF回归模型，并获取不同因子对LST变化的相对重要性。从图4可以看出，在夏季，对LST变化影响重要性排名前三的因子为PISA、PV和BHSTD，而在季则为PW、PV和BHSTD，说明夏季时研究区的不透水面对地表温度的升温作用要强于植被覆盖对温度的缓解，而冬季时水体对研究区整体温度的调节作用最为显著，同时建筑高度起伏程度在夏季和冬季都对LST有着较大影响。
图4研究区热环境因子对LST变化影响的相对重要性
基于LCZ建筑类型区域，我们进一步使用相同的热环境因子自变量与LST因变量进行RF回归模型的构建，得到了区别于全域尺度下的因子相对重要性。从图5可以看出，BHSTD对LST的重要性相比于其他因子具有更为显著的相对重要性，然而BHSTD在研究区全域尺度下的重要性仅排名第三，说明建筑高度的起伏程度对LCZ建筑区域的LST变化具有显著影响。同时，排在BHSTD之后的5个因子在夏季分别为PB、PISA、PV、ED_BGS和BH，冬季则分别为PB、BH、PISA、ED_BGS和SVF。对比图4和图5可以发现，建筑形态类型因子对LST的影响程度在LCZ建筑类型区域显著提升，而景观组分类型因子对LST也仍有较强影响，其次为景观格局类型，而社会经济发展指标的影响则仍比较有限。
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图5 LCZ建筑类型区域的热环境因子对LST变化影响的相对重要性3.3 城市热环境因子的边际效益变化
使用累积局部效应（accumulated local effect, ALE）曲线对在LCZ建筑类型区域对LST变化起主要影响作用的因子的边际效益（marginal effects）进行刻画（图6）。我们发现BHSTD（standard deviation of building height）在2个季节都具有最高的相对重要性，约为34%。在先前的研究中，许多学者都以BH和SVF作为LST的重要影响指标，并获得了较为丰富的结论，然而针对BHSTD的研究还较为有限。本研究的结果表明，BHSTD与LST具有显著的负相关关系，其对LST均值的最大影响可达3.5 ℃。BHSTD的ALE曲线具体表现为3段不同的状态，在小于3 m时有少量下降，在3–22 m区间快速下降，而在22 m之后缓慢下降。BHSTD表征了区域范围内建筑高度的变化程度，BHSTD越高则区域内的地表粗糙度越大，这意味着在城市建筑区上方的高速冷气团能够被引导向下，并从垂直和水平维度增强热量交换，有效缓解局地高温。
我们还观察到ED_BGS（edge density of urban blue and green spaces）的ALE曲线呈现在0–500 m/ha间快速下降，并在500 m/ha之后缓慢上升的过程。已有许多学者论证了植被斑块ED与LST间的负相关关系，然而我们的研究进一步揭示了两者间存在的非线性转折关系。ED_BGS的增加意味着城市蓝绿空间越是狭长与破碎，而在城市建筑类型区域内植入一定面积与密度的植被与水体等自然要素，能够较好的缓解区域高温，然而随着自然要素的不断破碎化，即ED_BGS进一步增加，则其降温效果将有所下降。本研究的这一结果揭示了城市建筑类型区蓝绿空间斑块的降温效率最优阈值约在500 m/ha。![]()
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4 结论与规划启示
（1）福州主城区的建筑形态与分布对LST具有显著的影响，表现为开阔<密集，高层<中层<低层。可见，在规划中应特别注意密集建筑区，其较开阔型更易产生高温。因此，在顾及城区稀缺用地使用效率的前提下，在规划中应优先将植被、水体等自然要素资源配置给密集建筑区，在景观格局的空间布局上可以采用分散式的马赛克植入，将蓝绿空间的ED保持在500 m/ha或许能够最大限度的缓解建设区的LST。（2）对于城市中的低矮连片的高密度居住区，如城市老旧小区、城中村、棚户区，应进行有效的城市更新，如分布于福州南三环的高密度低矮居住区，可在未来的规划中将这一片区改造为中低密度的中高层现代小区。在高密度建筑区域内，采用高低错落的建筑高度空间布局，能够增强热量的交换，同时将蓝绿空间见缝插针式的分布，打断连片致密的建筑布局，起到缓解UHI的效果。（3）尽管高层建筑能够通过产生阴影和“风谷效应”，对局地区域具有一定的降温效果，但同时也必须认识到超高建筑结构的负面影响，如高层建筑对城市通风的阻碍不可忽视，在福州主城区具体表现为，沿闽江两岸整齐排列的高层建筑如同巨大的人工屏障阻断了海风进入福州盆地的通道，导致盆地内的湿热空气较难向外扩散，进一步加剧城市的热岛效应。
引用格式：
Lin, Z., Xu, H., Yao, X., Yang, C., & Yang, L. (2023). Exploring the relationship between thermal environmental factors and land surface temperature of a “furnace city” based on local climate zones. Building and Environment. Building and Environment, 243, 110732. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2023.110732
