城市扩张对热应激健康影响的结构方程模型：来自美国各县的实证证据

《Sustainable Cities and Society》：Structural equation models of urban sprawl impacts on heat-exacerbated health outcomes: Evidence from U.S. Counties

研究利用结构方程模型分析美国995个县城市蔓延对热相关健康结果的影响，发现紧凑型城市通过改善医疗设施可达性和促进健康生活方式降低COPD和心脏病住院率，但间接导致哮喘住院率上升，因空气污染更严重。需综合政策应对。

　　

Seyed Sajjad Abdollahpour|Shima Hamidi|Ebrahim Azimi|David Park

约翰霍普金斯大学彭博公共卫生学院环境健康与工程系，马里兰州巴尔的摩市，邮编21205。

摘要

依赖汽车且不断扩张的城市发展往往缺乏可行的替代出行方式，这导致了更严重的空气污染和更高的极端高温暴露风险。这是首批研究之一，旨在探讨城市扩张对美国995个县的热浪加剧健康问题的直接影响和间接影响，重点关注哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）和心脏病发作的住院率。通过结构方程建模，我们研究了县级紧凑度如何通过两个关键中介变量——空气污染和温度（炎热夏季天数）来影响这些健康结果。研究结果表明，紧凑型县的COPD和心脏病发作住院率显著较低，这得益于更便捷的医疗设施以及更多的体育活动和健康饮食机会。紧凑度指数每提高10%，COPD和心脏病发作住院率分别降低2%和1.5%。然而，紧凑度对哮喘住院率没有显著直接影响，尽管通过这两个中介变量产生的间接效应结果不一。具体而言，紧凑度虽然减少了高温暴露，但会导致空气质量恶化，从而增加哮喘住院的风险。因此，紧凑度在间接上加剧了哮喘住院的情况。这些发现突显了紧凑型城市形态在缓解高温健康后果方面的双重作用，同时也引发了关于潜在空气质量权衡的担忧，强调了需要综合土地使用、交通和环境政策来应对气候变暖带来的健康脆弱性问题。

引言

城市扩张及其对汽车的依赖在塑造当地气候动态和公共卫生结果方面起着重要作用。扩张的城市区域通常表现为低密度土地利用、大量的不透水表面、绿色基础设施减少以及高度依赖汽车，这些因素共同导致了局部热量积聚和空气污染浓度的增加（Ewing & Hamidi 2015）。这些条件增加了极端高温事件的暴露风险，并加剧了慢性健康问题。

交通系统也是这些动态的核心。城市扩张增加了车辆行驶里程（VMT）和与交通相关的空气污染物，进一步恶化了区域空气质量，并加剧了由气候引起的热应激（Abdollahpour et al., 2024; Stone Jr, 2008）。同时，对汽车的依赖促进了不利于步行和公共交通的用地模式（Van Eenoo et al., 2022）。这不仅加剧了环境暴露，还导致医疗服务可及性降低，尤其是对于低收入和弱势群体而言（Genovese et al., 2023）。因此，在扩张地区，人们在高温事件和污染高峰期间往往难以及时获得医疗服务，从而增加了健康问题的严重性和成本。

尽管越来越多的研究将地表温度变化与健康影响联系起来，但关于城市形态（无论是紧凑型还是扩张型）如何影响热浪加剧的健康脆弱性的实证证据却非常有限。以低密度土地利用和依赖汽车为特征的城市扩张通常会导致更多的不透水表面和绿地丧失，从而推高温度（Artmann et al., 2019）。相比之下，紧凑型城市可以减少对汽车的依赖并节约土地，但可能会通过“城市峡谷”效应加剧热浪（Stevenson et al., 2016）。现有的实证研究要么关注城市形态与极端高温事件之间的联系，要么单独研究热浪相关的健康结果，这限制了我们对它们相互关联路径的理解（Anderson et al., 2013; Milojevic et al., 2011）。这种孤立的研究方法存在几个关键缺陷：（i）忽视了这些因素之间的重要中介或调节关系；（ii）产生的证据碎片化或不完整，未能捕捉城市系统的复杂性；（iii）低估了对脆弱人群的累积影响；（iv）制定的政策干预措施针对性不强或效果不佳，未能解决气候和健康差异的根本原因。

因此，关于温度上升、城市形态和健康结果的综合研究存在重大空白。首先，需要进一步发展理论和实证证据来探讨城市形态与温度上升之间的联系。许多研究将温度上升视为外部环境因素，而非由土地利用和街道网络特征引起的空间动态的结果（Hoffman et al., 2020; Wilson, 2020）。尽管众所周知，更多的不透水表面和绿地丧失会导致城市温度升高（Jenerette et al., 2016），但很少有研究探讨紧凑度、连通性或分散化如何共同影响这些效应。这些空白限制了规划干预措施（如分区改革、混合用途开发或交通改善）的机会，从而难以提高气候适应性和改善相关健康结果。

最重要的是，无论是健康研究还是规划文献中的先前研究都缺乏一个综合框架，该框架能够同时考虑城市扩张对热浪加剧的健康结果的直接影响（由于医疗设施可及性差）及其通过空气污染和温度上升等中介因素的间接影响。文献指出了城市扩张对空气质量恶化（如空气污染）和温度上升等环境暴露的负面影响。然而，关于城市扩张如何通过其对热相关环境压力的影响来影响热相关健康结果的实证证据非常有限。缺乏综合和系统的分析，使得连接城市形态、热量和健康的路径仍不明确，从而削弱了针对性干预措施的证据基础。本研究采用结构方程建模（SEM），可以同时考虑直接效应和中介效应，提供了更全面的理解——这种方法在该领域应用较少。

此外，衡量城市形态的指标通常依赖于简单的指标，如人口密度或不透水表面覆盖率，这些指标无法捕捉城市扩张的复杂性和多维性。较新的方法包括不透水表面数据和扩散指数（Li, 2019），但这些方法仍未能完全反映城市扩张的复杂性。十年前，Ewing和Hamidi（2014）为所有县和都市区开发了一个全面的扩散指数。该指数考虑了包括土地利用混合、开发密度、街道连通性和活动中心在内的四个关键维度的21个建成环境变量（Hamidi et al., 2015）。本研究采用了该指数的更新和改进版本，涵盖了2020年的全国数据，是对城市形态如何影响热暴露及相关健康结果的最全面分析之一。

本研究旨在通过探讨城市扩张对夏季空气污染和极端高温天数的影响，进而研究其对热相关健康结果的影响。具体来说，它试图回答以下问题：（1）通过多维的2020年紧凑度-扩散指数衡量的城市形态如何影响城市内部的热暴露差异？（2）在城市形态（紧凑度-扩散指数）通过中间因素（如炎热天数、空气污染）对热相关健康结果（如哮喘、COPD和心脏病发作住院率）产生影响的直接和间接路径是什么？通过SEM，本研究同时模拟了这些复杂关系，以确定关键的中介机制，包括不透水表面覆盖率、植被（NDVI）、湿度和人口统计风险因素（如年龄、种族、收入、保险、吸烟）。这一综合框架捕捉了在气候变暖背景下城市形态、环境压力源和健康负担之间的相互关联性。

本研究在四个方面为规划和环境健康文献做出了贡献：（1）它建立了城市形态与城市内部温度上升之间的系统性实证联系，强调了建成环境在塑造当地气候条件和相关公共卫生结果中的作用；（2）它采用了一个多维的、更新的城市扩张衡量方法，提供了对复杂空间模式如何影响环境和健康结果的更细致评估；（3）它扩大了分析范围，包括了更多对热敏感的健康结果，捕捉了不同城市人口中热和空气污染暴露的累积负担；（4）它同时考察了直接和中介路径，使得对扩张、环境压力源和社会脆弱性指标如何相互作用以影响热浪加剧的健康有了更全面的理解。这些贡献为有针对性的城市规划和公共卫生策略奠定了基础，旨在减少热相关健康差异。

我们的研究结果呼吁在城市和交通规划中转向紧凑、连通且具有气候适应性的社区，但也指出，紧凑性必须与积极的环境和公共卫生政策相结合。如果没有采取措施解决空气质量、交通排放和热暴露问题——尤其是在密集地区——紧凑型发展的全部健康效益可能无法实现。基于跨部门合作的系统思维方法对于构建更健康、更具韧性的城市未来至关重要。

部分摘录

背景

本节总结了现有研究，这些研究探讨了城市扩张如何加剧热脆弱性和相关的健康风险。它强调了多维扩散度量以及将扩散、温度和健康结果联系起来的综合框架的必要性，这也是本研究的目标。

方法

本研究旨在通过两个中介因素，探讨城市扩张与三种热浪加剧的健康结果（包括COPD、哮喘和心脏病发作住院率）之间的关系，如我们的概念框架所示（图2）。我们认为，城市扩张通过两个主要中介途径直接影响和间接影响这些热浪加剧的健康结果：极端高温和空气污染。

结果与讨论

本研究考察了城市扩张对哮喘、COPD和心脏病发作住院率的直接影响和间接影响——这些疾病在高温条件下会恶化。如前所述，我们将空气污染、高温和吸烟率视为关键中介因素。我们的假设是，城市扩张通过促进对汽车的依赖和缺乏替代交通方式，提高了地表温度并降低了空气质量，从而增加了住院风险。

结论与政策建议

研究表明，城市形态（以扩散/紧凑度水平衡量）与热浪加剧的健康结果之间的关联是通过特定的环境暴露路径实现的，而不仅仅是紧凑度本身。通过将空气污染和热暴露作为中介变量进行建模，我们发现紧凑型县的COPD和心脏病发作住院率显著较低，但可能通过其他途径间接导致哮喘住院率升高。

作者贡献声明

Seyed Sajjad Abdollahpour：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、调查、数据整理、概念化。Shima Hamidi：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件使用、方法论、调查、正式分析、概念化。Ebrahim Azimi：撰写——审阅与编辑、验证、调查、正式分析。David Park：撰写——初稿、软件使用、数据整理。

利益冲突声明

我们声明，在提交题为“城市扩张对热浪加剧的健康结果的影响的结构方程模型：来自美国县的数据”的手稿时，不存在任何需要披露的利益冲突。

我们希望确认，没有任何财务、个人或职业利益可能影响手稿中呈现的研究。此外，不存在任何直接或间接的财务关系。