《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Assessing the role of environmental factors in shaping human thermal stress within urban parks during the growing season
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城市公园的植被覆盖与建成环境特征通过不同空间尺度影响热应力指数（UTCI）的季节性变化，其中植被密度可降低UTCI最高达7℃，而建筑指标夏季可使UTCI升高2℃。研究揭示了昼夜与季节转换中热舒适度的动态规律，证实天空通透度是全年稳定的调节因子，而周边城市形态的影响随季节呈现非线性特征。
Kaja CZARNECKA|Magdalena KUCHCIK|Kacper DERWISZ|Anna JAROCI?SKA|Anna KOWALSKA|Katarzyna LINDNER-CENDROWSKA|Daniel RABCZENKO
波兰科学院地理与空间组织研究所气候研究部，Twarda 51/55，00-818 华沙，波兰
摘要
城市公园在缓解热应激和提升人类舒适度方面发挥着重要作用，但其生物气候性能会随季节变化，并取决于植被、建筑形态和空间配置之间的复杂相互作用。本研究调查了华沙（波兰）六个公园的通用热气候指数（UTCI）条件的季节性变化。生物气候状况是通过来自卫星图像、半球摄影、实地调查和开放获取的地理空间数据集的多源环境指标进行评估的。2022年至2024年期间，在春季、夏季和秋季对23个阳光充足和阴凉地点进行了实地测量，并将这些数据与ERA5-HEAT再分析得出的UTCI值进行了比较，以得出差异，作为广义加性模型中的响应变量。分析了描述植被、公园形态和周围城市结构的十四个环境指标，涵盖了微观（特定地点，10米）和局部（50米、100米）尺度。结果显示，公园内部和之间的差异显著，夏季阳光充足区域与阴凉区域的温差（高达10°C）比过渡季节更为明显。茂密的植被系统性地降低了UTCI值，最多降低了7°C。定量植被指标（ELAI、TCD、NDVI、EVI）在不同季节显著降低了UTCI值，范围从0.3到1.7。建筑指标（NDBI、BCR、BH_mean、BH_max）在夏季使UTCI值升高，最多升高了2°C。天空开放度在整个生长季节中对热应激具有决定性影响。不同空间尺度上的效应存在显著差异。研究结果突显了公园在调节热应激方面的季节性和尺度依赖性，强调了需要制定综合设计策略，以增强城市气候的韧性。
引言
作为城市绿色基础设施的重要组成部分，公园在生态、社会和健康方面发挥着关键作用，尤其是在建筑密集的环境中[1,2]。在城市绿色空间这一更广泛的类别中——包括嵌入城市结构中的植被或半自然区域，如行道树、社区花园、绿色走廊和小型林地残余[3]——公园是最具结构性和公众可及性的形式。除了娱乐和美学价值外，它们还是动态的微气候系统，在这些系统中，生物和非生物成分与大气过程相互作用的方式与周围建筑环境有根本不同[4]。这些独特条件使公园成为产生氧气、减少空气污染的关键场所，在本研究中还体现在调节局部能量平衡和缓解热应激方面[[5], [6], [7]]。然而，城市绿化带来的这些效益并非固定不变：它会随季节和一天中的时间而变化，取决于空间配置，并受到公园内外多种城市环境因素的影响[8]。因此，并非所有绿地都能产生相同的降温效果，在某些情况下，它们可能无法在空气温度、地表温度或热应激方面提供明显缓解[[9], [10], [11]]。理解这些动态对于优化城市公园及其周边区域的设计至关重要，这有助于提高气候韧性和人类福祉。
最近关于城市公园降温效果的研究主要集中在夏季观测上，通过实地测量证实了明显的降温效果[5,12]。其他季节的分析主要限于地表温度评估[9,13]，而对夏季以外时段的热条件研究较少，尤其是生物气候条件[11,14,15]。尽管有越来越多的证据，但热应激的季节性视角仍被忽视——在叶片生长阶段或已经衰老的过渡时期同样重要，特别是考虑到气候变化在非夏季月份引发的正向热异常（例如，2018年4-5月波兰[16]、2021年10月韩国[17]、2022年3-4月印度和巴基斯坦[18]、2023年9-10月奥地利[19]）。同时，在夏季，公园的降温效果可能会因过度热应激和水分不足而减弱，这种情况在近期气候趋势下越来越频繁[10]。关于公园形态对微气候条件的影响，已有大量研究探讨了公园规模和形状[20,21]、植被类型和结构[22]以及周围建筑环境特征[23,24]等特定方面的作用。其中一些公园和周围环境的特征全年保持不变（例如，绿地面积、不透水表面覆盖），而其他特征则会随季节变化（例如，视野限制、植被状况）。此外，它们对热环境的影响在不同天气条件下也可能发生变化[25]。综上所述，这些发现强调了需要综合理解不同城市环境因素在不同季节如何塑造局部气候，特别是在可能出现热应激的情况下。
以人为导向的方法在塑造城市空间（包括公园）以及制定适应计划方面尤为重要[[26], [27], [28]]。许多策略和建议基于广泛可用的具有广泛空间覆盖范围的地表温度数据集（但不一定代表行人层面的空气温度条件），或者基于相对稀疏的国家监测数据中的空气温度[29]。然而，考虑城市居民的热舒适度至关重要，这不仅取决于空气温度，还取决于湿度、风速和辐射热交换，以及与人类相关的因素。这些证据可以通过使用人类热平衡模型参数化的生物气象条件研究来提供。虽然标准有效温度（SET）、生理等效温度（PET）、感知温度（PT）和生理主观温度（PST）等指数常用于将气象输入与热舒适度评估相关联，但通用热气候指数（UTCI）更为有益，因为它提供了一个基于生理学的热应激尺度，有助于在不同热环境中进行比较[30,31]。鉴于公园中的独特微气候条件，有必要加深对公园生物气候的理解，并制定基于证据的绿色基础设施设计指南[12]。
为填补研究空白，本研究旨在确定最能捕捉与热应激相关的空间特征的城市环境指标，并量化它们在不同时间和空间尺度上的影响。因此，本研究提出了以下研究问题：
Q1. 在生长季节的不同阶段，公园内部和之间的UTCI条件如何变化？它们与基于再分析的估计值有何差异？
Q2. 哪些城市环境指标对局部UTCI偏差有显著影响？这些影响在不同空间尺度上如何变化？
Q3. 城市环境指标对局部UTCI的影响如何随季节变化？其在春季、夏季和秋季的幅度有何不同？
为回答这些问题，采用了多指标、多来源的方法，涵盖了微观（站点级别和10米半径缓冲区）和局部（50米和100米半径缓冲区）尺度，将实地气象测量数据与ERA5-HEAT（Human thErmAl comforT）再分析的UTCI数据相结合——这些数据是通过整合地面、卫星和模型观测生成的物理一致字段[32,33]，作为比较不同天气条件下进行的活动的一致背景参考。分析涵盖了华沙（波兰）六个城市公园及其周边地区的十个定量指标和三个定性指标，这些公园位于一个季节变化显著的地区。
研究区域
研究区域
华沙（北纬52°06′–52°22′；东经20°51′–21°16′；面积517.24平方公里）是欧洲最绿色的首都之一，拥有88个公园和242个市政绿地[1]。2025年，该市在欧洲城市绿化和环境可持续性评估中排名第五[2]。
热应激模式
研究期间的背景生物气象条件
研究年份的生物气象条件大致代表了波兰典型的季节性模式，如图ESM中的A.1所示。在华沙选定的测量日期间，ERA5-HEAT计算的24小时周期内的UTCI值范围从中度寒冷应激（?7.9°C）到强烈热应激（33.0°C），表明了广泛的热条件范围（表ESM中的A.4）。
讨论
本研究旨在确定对公园及其周边地区热应激有显著影响的城市环境空间指标。GAM框架被用来量化植被结构、建筑形态和场地几何形状如何影响局部UTCI偏差，使用了2022年至2024年生长季节在华沙六个公园的23个地点进行的实地生物气象测量数据，并以ERA5-HEAT作为参考。
结论
研究表明，城市公园中的热应激源于植被、公园空间结构和周围城市环境之间复杂的、季节性依赖的相互作用。主要结论如下：
•基于再分析的UTCI提供了一个可靠的比较基准，揭示了由公园形态和周围建筑环境驱动的持续局部偏差。实地测量显示的热应激程度高于ERA5-HEIT的结果，尤其是在阳光充足的情况下
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来提高可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
Kaja CZARNECKA：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Magdalena KUCHCIK：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。Kacper DERWISZ：调查、数据管理。Anna JAROCI?SKA：撰写——审阅与编辑、概念化。Anna KOWALSKA：撰写——审阅与编辑、调查、概念化。Katarzyna LINDNER-CENDROWSKA：
