熊素文|杨帆|范航远|姜亚东|舒凯|朱宁静
摘要
在快速城市化和气候变暖的背景下，湖泊环抱的城市聚居区的城市热岛（UHI）效应加剧。以往的研究往往侧重于单个区域或局部尺度，忽略了区域性的热冷连通性，从而限制了基于网络的韧性规划在未来的应用。本研究将形态空间模式分析（MSPA）与电路理论相结合，构建了一个包含热岛（HCI）源、走廊和节点的复合网络。在该框架中，机器学习用于表征非线性的热连通性阻力，而斑块生成的土地利用模拟（PLUS）模型则模拟了在多种2030年情景下的HCI网络重组。随后开发了一个基于地表温度（LST）的地表热结构韧性框架，以连接历史和未来的网络变化。来自太湖城市聚居区的证据表明，从2000年到2020年，热岛（HI）源在东部湖滨建成区迅速扩展，走廊和节点的数量显著增加。相比之下，冷岛（CI）网络变得越来越碎片化。HCI复合节点从太湖湖岸线向西部生态过渡带迁移。到2030年，在SSP585情景下形成了一个强大的热连通性网络，而冷却连通性路径几乎消失。在SSP119情景下，冷源连通性的障碍减少，CI走廊增加。地表热结构韧性改进指数（TR）显示出强烈的结构依赖性，在历史上保持负值，并在SSP245和SSP585情景下进一步下降。相比之下，SSP119通过冷却走廊的恢复和关键节点的重组将TR提高到-0.134，接近更平衡的网络结构。本研究从整个HCI网络的角度重新定义了基于LST的地表热结构韧性，为气候适应性空间规划提供了指导。
引言
气候变暖和快速城市化正在全球范围内加剧极端热事件，并重塑城市热环境（Amoatey等人，2025年）。不断扩大的不透水面、紧凑的建筑形式和能源消耗不断改变地表能量平衡，从而加剧了城市热岛（UHI）效应（Puttanapong等人，2025年；Tasan等人，2025年）。随着城市聚居区的扩张，热岛（HI）斑块从孤立的中心扩展到区域网络，城市间的热联系变得越来越明显（Sampaio等人，2025年）。这一趋势在湖泊环抱的城市聚居区尤为明显，因为湖泊原本提供了有效的地表冷却调节（Xiong等人，2026年）。这些地区可以作为更广泛的水影响和多中心系统的代表，如河流三角洲和沿海海湾。它们强烈的陆水热对比使得从中获得的见解可能适用于其他依赖水冷效应的快速城市化地区。然而，快速的城市扩张破坏了湖岸缓冲区，使冷岛（CI）斑块碎片化，加速了热岛（HCI）模式的空间重组。在本研究中，HCI被定义为由热积累区和冷却调节区共存和结构连接形成的空间耦合热模式。HCI框架不是表示直接的热传递过程，而是提供了HI和CI斑块如何排列、连接和重组的网络表示。这种结构视角有助于通过空间配置、潜在连通性和区域响应来解释热模式组织，而不是依赖于孤立的斑块分析。因此，现代城市热环境表现出多尺度的空间耦合，传统单城市框架可能无法完全捕捉到（Fernandez-Garza等人，2025年）。在气候风险上升的情况下，提高地表热结构韧性与更广泛的可持续性权衡密切相关。平衡经济密集化和生态保护，以及在发展压力下权衡热缓解措施，现在是可持续城市治理的核心。因此，明确HCI连通性路径和结构脆弱性对于应对这些复杂的权衡至关重要。
热源和冷源在城市景观中的分布不均，这是由复杂的空间模式驱动的。源-汇理论最初是为生态连通性分析开发的，为解释城市热模式的空间组织提供了一个有用的框架（Guan等人，2025年）。该框架保留了景观配置调节潜在连通性的核心思想，同时将焦点从物种移动转移到在阻力约束下的热冷空间耦合上。在这种背景下，CI区域作为冷却潜力的来源（Gao等人，2022年），而HI区域则作为可能加剧相邻热对比的热积累源（Zeng等人，2026年）。这种结构对比支持映射潜在热冷关系的连通性模型，并强调了网络视角的必要性。随着区域整合的加速，景观碎片化和人为活动进一步破坏了这些连通性关系，加剧了空间不平衡（Shen等人，2025年；Zhou和Liu，2026年）。因此，传统的基于像素的统计和单路径分析难以捕捉跨尺度耦合机制，例如热瓶颈发生的位置或结构冗余如何补偿被破坏的冷却路径。为了填补这些空白，关于湖泊环抱城市聚居区的研究应侧重于识别复合HCI结构、模拟基于情景的热模式重组，并开发一个可量化的框架来评估地表热结构韧性。
从源-汇系统的角度来看，HCI的空间组织为理解区域热模式重组提供了一个有用的切入点（Coseo和Larsen，2014年）。随着热模式在区域尺度上变得更加连通，研究从孤立斑块转向了更广泛的结构特征。早期的景观模式指数难以捕捉斑块间的连通性（Liu等人，2022年）。后来，包括MSPA和最低成本路径在内的景观连通性理论被用来绘制基于植被和水的冷却连通性（Li等人，2024b；Rezaei等人，2024年）。最近的研究强调了基于网络的热调节和冷却/通风走廊对于缓解UHI的作用。例如，多层次生态冷却网络已被用来优化蓝绿空间配置（Wang等人，2025a），而电路理论有助于划定城市通风走廊以改善风流并减少局部热积累（Huang等人，2025年）。这些发展将热研究从斑块识别转向了结构-功能分析。然而，现有模型仍然主要关注孤立的、单向的冷却网络，而不是结构耦合的热冷系统。静态阻力表面也严重依赖于主观专家评分，无法充分捕捉非线性的景观对潜在热连通性的影响。此外，源、走廊和节点很少被整合到一个统一的网络中，限制了复合HCI调节节点的识别。在湖泊环抱的城市聚居区，湖岸热集中和CI碎片化共同塑造了复杂的热结构。因此，需要一个整合的复合网络来连接HCI源、走廊和关键节点，以揭示热冷空间关系的结构组织。
情景模拟长期以来一直用于预测土地利用动态，主要关注建成区的扩张和城乡格局的调整（Chen等人，2023年；Bhusal等人，2025年）。像元胞自动机（CA）-马尔可夫、未来土地利用模拟（FLUS）和斑块生成的土地利用模拟（PLUS）模型提供了分析这些空间演变的强大工具（Liu等人，2017年；Liang等人，2021年）。然而，它们在城市热环境研究中的应用仍然有限。大多数现有研究通过土地利用变化间接解释了地表温度（LST）的升高，而很少有研究直接模拟未来的HCI模式。随着地表热应力的增加，一些研究开始将情景模拟引入热环境分析。例如，Zhao等人（2025年）通过模拟2027年的HI模式来验证PLUS模型在热研究中的可行性，以探索缓解途径。然而，现有研究对不同情景下HCI复合网络模式的基于情景的重组关注有限。特别是在未来城市发展对气候、经济和生态政策高度敏感的条件下，HCI模式的空间配置显示出明显的情景依赖性。总体而言，需要进行差异化的基于情景的HCI模式重组模拟，以提供评估地表热结构韧性网络的结构支持。
在城市热环境研究中，热韧性逐渐成为评估区域应对热风险能力的重要概念（Lin等人，2025年）。现有研究通常基于热暴露、敏感性和适应能力构建指标系统，以反映区域热脆弱性（Mohammed等人，2025年；Turner等人，2025年；Pakizeh等人，2026年）。这些方法通常依赖于汇总的指标结果，难以准确衡量由于调节措施而带来的热环境的实际改善。即使在关注绿地、水体或通风走廊冷却效应的研究中，分析也往往集中在单个元素的冷却幅度上（Liu等人，2024年）。不同HCI调节单元在整个热环境中的协同效应尚未得到充分量化。另一个主要问题是，大多数区域热韧性框架将温度相关指标视为静态结果。转向结构-连通性-响应框架可以解决这一限制。从复杂网络的角度来看，HCI模式不是孤立斑块，而是由源、走廊和节点的联合效应形成的网络系统（Shen等人，2025年）。在这种逻辑下，网络结构决定了潜在的热和冷连通性，进而影响对热调节干预的空间响应。因此，基于这种结构-连通性-响应逻辑开发一个可量化的地表热结构韧性评估框架对于捕捉综合的热冷网络重组效应至关重要。
为了应对上述空白，本研究开发了一个用于提高湖泊环抱城市聚居区基于LST的地表热结构韧性的综合框架。它不是将热模式视为孤立的结果，而是将HCI模式表示为由源、走廊和关键调节节点组织起来的结构化网络。除了现有的基于连通性的策略外，本研究的主要贡献体现在四个方面。首先，它通过构建一个捕捉耦合的源-走廊-节点关系的综合复合网络，超越了单独的热或冷却网络。其次，它通过更现实地表征非线性热阻力表面，克服了静态或经验性分配的阻力假设。第三，它将HCI研究从回顾性模式识别转变为对不同未来发展路径下复合网络结构重组的情景敏感分析。第四，它将地表热结构韧性评估从基于静态结果的观点转变为以连通性为导向的视角，通过评估HCI复合网络中源、走廊和节点的协调调节作用。
具体来说，以太湖城市聚居区作为研究区域，本研究的主要目标是理解和预测快速城市化湖泊环抱系统中的HCI网络和地表热结构韧性。为了实现这一主要目标，研究追求四个次要目标：
1. 识别塑造区域热基线的HCI结构和空间阻力特征；
2. 构建一个源-走廊-节点复合网络，以揭示热斑块的耦合组织、潜在连通性路径和关键调节位置；
3. 在不同的气候情景下预测未来的HCI模式和结构重组，以评估长期网络依赖性；
4. 通过量化复合网络中源、走廊和节点的协调性能来评估地表热结构韧性表现。
这些综合目标为热环境治理和气候适应性空间规划提供了坚实的方法论基础。
研究区域
本研究选择了太湖城市聚居区作为研究区域（图1）。作为中国经济发展最发达和城市化程度最高的地区之一，太湖城市聚居区涵盖了苏州、无锡、常州和杭州等代表性城市（Li等人，2024a）。平原主导了研究区域，而南部和西南部地区则表现出明显的地形变化，从低洼的湖岸地带过渡到丘陵地形。
方法论
图2展示了本研究的方法论框架。为了提高可读性，工作流程从热模式识别到网络构建、未来情景预测和韧性性能评估进行了组织。这一序列在一个一致的分析框架内链接了历史HCI模式、源-走廊-节点网络重组、2030年热级模拟和地表热结构韧性量化。工作流程包括以下内容：
太湖城市聚居区LST和HCI的时空演变
图3显示了2000年至2020年间太湖城市聚居区LST值的比例和HCI模式的变化。在此期间，夏季LST呈现出明显的上升趋势（图3a）。2000年，平均LST为32.48°C，标准差为2.14°C，整体分布相对集中。到2010年，平均LST增加到33.79°C。分布范围向更高温度扩展，极端值和分散度都增加了。2020年，
讨论
本研究构建了一个以源、走廊和节点为中心的HCI复合网络，从而将城市热研究从孤立斑块识别转变为基于连通性的结构分析。传统的斑块扩展和碎片化指标通常将热模式视为静态空间单元，无法捕捉连接热区和冷区的潜在路径（Burnett和Chen，2021年）。通过将表面热模式重构为基于连接性的网络，本研究整合了多源遥感数据、电路理论和机器学习方法，构建了2000年至2020年的HCI（人类-计算机交互）复合网络框架。PLUS模型模拟了在不同发展情景下2030年HCI热类别的空间重组情况。随后，该框架量化了与源头、走廊和关键节点相关的表面热结构韧性提升。研究结论如下：
（1）从2000年到2020年，CRediT范围内的HCI网络发生了变化。
作者贡献声明：
熊素文：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件开发、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
杨帆：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。
范航远：可视化、验证、软件开发、调查。
姜亚东：可视化、验证、数据管理。
舒凯：可视化、验证、调查。
朱宁静：可视化、调查。
利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素可能影响本文所述的工作。
致谢：
我们衷心感谢编辑和匿名审稿人的宝贵意见。
