将城市脆弱性与复合热污染风险进行关联分析：一种用于解决权衡问题的机制框架

《Sustainable Cities and Society》：Mapping Urban Vulnerability to Compound Heat-Pollution Risks: A Mechanistic Framework for Resolving Trade-offs

城市热与污染复合暴露的脆弱性评估及空间规划策略研究，基于Crichton风险三角模型，通过134个城市2015-2023年多源数据，构建包含绿地蓝地、医疗交通、社会经济维度的结构敏感评估框架，结合ridge回归和SHAP分析揭示空间要素对复合风险的协同或拮抗效应，提出需统筹考虑热污染交互作用的综合规划路径。

　　

王爱佳|刘赛|张瑞军|曹世杰

东南大学建筑学院（ARCH），中国南京四牌楼2号，21009

摘要

城市地区日益面临极端高温和空气污染的复合威胁，这两种因素共同对环境质量和公共卫生构成了更高风险。尽管人们越来越意识到这些相互关联的危害，但大多数现有的脆弱性评估框架仍然将它们孤立对待，并且严重依赖经验性选择的指标。因此，像扩大绿地以减少污染这样的策略可能会通过阻碍空气流通和增加热量积聚而不经意间加剧高温暴露，从而限制了在复合风险下的干预措施的有效性。为了解决这一挑战，我们提出了一个基于Crichton风险三角模型的创新性、结构敏感的框架，用于评估城市对热-污染共同暴露的脆弱性。利用2015年至2023年间134个中国城市的多源数据集，我们系统地选择并验证了涵盖绿色和蓝色基础设施、医疗保健可及性、交通连通性以及社会经济条件的指标。通过结合岭回归和SHAP分析，我们量化了空间特征对双重环境风险的独立和交互效应。研究结果揭示了复杂的权衡：草地连通性增加50%可减少约15%的污染暴露，但会增加约12%的高温暴露；森林斑块密度减少50%可使两种风险均降低约8%；水体边缘密度增加50%则能带来适度的协同效益。这些结果表明，空间结构可能对环境危害产生相反或协同的影响——这突显了需要超越单一风险优化的综合规划方法的重要性。这些发现强调了量化城市脆弱性的重要性，这是理解决热-污染权衡问题并为协调的空间策略提供信息的关键途径。

引言

快速的城市化（Wang等人，2020年）和产业结构调整（Liu等人，2021年）导致城市功能密度增加，形成了紧凑的城市形态（Chen等人，2008年）和高人口密度（Sato和Yamamoto，2005年）。这些空间和人口变化与城市地区环境健康威胁的增加有关：极端高温（Mishra等人，2015年；Luber和McGeehin，2008年）和空气污染（Yang等人，2020年；Van Der Zee等人，1998年）。值得注意的是，这些危害并非孤立存在；它们在环境过程和健康结果中是内在耦合的（Li等人，2018年；Zheng等人，2018年）。例如，污染物的积累会通过限制热量散发而加剧城市热岛效应（Shahmohamadi等人，2011年；Gago等人，2013年），而温度升高可能会加速光化学反应（Wang等人，2018年），从而导致地面臭氧浓度增加（Song等人，2024年）。这些空间上同时发生的暴露不仅增加了总体环境负担，还与综合健康效应相关（Chen等人，2023年；Analitis等人，2018年），在老年人（Dai等人，2024年）、儿童（Fu等人，2026年）以及有既往心肺疾病的人（Grigorieva和Lukyanets，2021年）等脆弱人群中观察到相对较高的风险。在本研究中，“热-污染风险”指的是热和空气污染的空间共现和耦合暴露，而不是由时间上的极端事件定义的复合事件。

尽管人们对这两种风险的认识日益增加，但大多数现有的城市风险评估框架仍然分别处理热和污染问题（Shan等人，2021年；Dong等人，2020年；Anenberg等人，2016年）。一个常用的模型是风险三角框架（Li等人，2022年；Wang等人，2024年），该框架将风险概念化为危害（环境威胁的强度（Guan等人，2024年）、暴露（人口或资产与威胁接触的程度（Zhang等人，2024年））和脆弱性（城市系统对不利影响的敏感性，受结构和背景约束的影响（Wolf，2012年）的函数。在这些组成部分中，脆弱性既最容易受到干预，也是概念上最复杂的。它反映了城市系统对环境压力的韧性，这种韧性由基础设施（Wang等人，2024年）、生态系统（Aboulnaga和Mostafa，2020年）和社会资源（Seemuangngam和Lin，2024年）的动态相互作用决定，这与社会-生态-技术系统（SETS）视角一致（Chang等人，2021年；Sharifi，2023年）。因此，减少脆弱性通常被认为是有效风险缓解的重要途径，也是气候适应性城市规划的主要关注点。

然而，在实践中，脆弱性评估仍面临一系列方法论挑战。当前的方法采用了广泛的指标——从绿色（Gunawardena等人，2017年）和蓝色基础设施（Füssel和Klein，2006年）到医疗保健（Diaz-Sarachaga和Jato-Espino，2020年）、交通可及性（Apreda等人，2019年）和社会经济条件（Tapia等人，2017年）——但往往缺乏统一的、理论明确的指标选择框架。例如，用于描述绿色基础设施的景观指标差异很大：同一个属性（例如，斑块大小）可能用其平均值、中位数、标准差或变异系数来表示（Jia等人，2019年；Li等人，2005年；He等人，2000年）。指标选择通常基于经验实践或文献先例，而不是数据驱动的验证，这可能会限制研究结果的可比性和稳健性。此外，大多数模型依赖于简单的加法或乘法公式，这可能会掩盖变量之间的非线性效应和交互模式（Pastoor等人，2014年；Ho等人，2015年）。关键的是，脆弱性的空间决定因素往往对热和污染产生相反或协同的影响。例如，增加草地斑块的空间浓度可能会降低温度（Zhang等人，2009年），但会损害通风并可能导致污染物积累（Ouyang等人，2010年）。同样，某些水体或森林斑块的配置可能会缓解一种风险，同时可能加剧另一种风险（Tan等人，2021年；Bytnerowicz等人，2007年）。这些权衡使得识别普遍有益的干预措施变得复杂，并为制定协调的规划策略带来了挑战。如果没有一个透明且可解释的框架来区分这些效应，评估复合脆弱性的机制或为双重风险环境设计综合解决方案仍然具有挑战性。

为了解决这些挑战，本研究提出了一个创新的、结构敏感的、基于实证的框架，用于评估城市在热和污染共同暴露下的脆弱性。利用2015年至2023年间134个中国城市的多源数据，我们首先进行了基于证据的指标审查，系统地识别了绿色和蓝色基础设施、医疗保健可及性、交通连通性以及社会经济条件方面的脆弱性指标。通过相关性和共线性诊断，我们构建了一组简洁的变量，并应用岭回归模型来估计它们与环境风险的关系。为了进一步提高可解释性，我们采用了SHAP（Shapley Additive Explanations）分析来揭示每个指标的相对重要性和交互效应（Lundberg和Lee，2017年；Bordt和von Luxburg，2023年）。通过以可解释和数据驱动的方式量化脆弱性，本研究为解决热和污染缓解之间的权衡提供了实用工具（Roder等人，2021年）。所提出的框架使城市规划者和政策制定者能够设计出更绿色、更智能、更健康且更具气候适应性的空间策略——帮助城市应对日益严重的复合环境压力。（表1）

部分摘录

材料与方法

本研究采用的风险评估框架基于IPCC（AR5气候变化2014）和经典的Crichton风险三角模型（Crichton，2007），其中风险被概念化为危害、暴露和脆弱性的相互作用。本研究采用Crichton风险三角框架来评估城市热-污染健康风险。该框架源于政府间气候变化专门委员会（IPCC）（AR5气候变化2014）和Crichton提出的模型

脆弱性指数与热和污染之间的相关性分析

为了全面评估不同土地覆盖类型下的景观结构如何影响热和污染暴露，本研究选择了三种代表性的生态土地类型——草地、森林和水体。使用Fragstats 4.2，计算了每种土地类型的相关景观格局指数，并通过Spearman相关性分析评估了它们与134个城市年平均温度和PM?.?浓度的关联。如图4所示，颜色

使用SHAP值解释脆弱性指标的影响

SHAP分析提供了关于不同绿色和蓝色基础设施配置如何调节城市热暴露的见解，揭示了空间组织通过哪些结构途径影响热效应。虽然结果部分展示了最具影响力的组合和单个指标的统计贡献，但以下讨论将这些模式与潜在的景观机制及其对热的影响联系起来

结论

基于风险三角框架，本研究开发并完善了一种全面的方法论，用于在城市热-污染健康风险评估背景下构建脆弱性指数。所提出的系统包括涵盖蓝色和绿色基础设施、医疗保健和交通网络以及社会经济属性的指标，并建立了明确的指数选择和标准化工作流程。使用主成分分析和岭回归

CRediT作者贡献声明

王爱佳：撰写——原始草稿、可视化、方法论、概念化。刘赛：撰写——审稿与编辑、验证、正式分析、概念化。张瑞军：验证、方法论、正式分析、数据管理。曹世杰：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。