北京城鎮(zhèn)規(guī)劃中綠地和水體增加對(duì)氣象條件影響定量分析

王曉云， 王昕瑤， 李忠良， 程 宸， 曾憲寧

(1.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇南京 210044； 2.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100081；3.北京市氣候中心，北京 100089)

人們對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一味追求，造成了城鎮(zhèn)規(guī)模迅速擴(kuò)張，建筑物群密度變大，工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，同時(shí)帶來了許多環(huán)境問題[1-5]，例如加劇了北京地區(qū)夏季高溫及秋冬季節(jié)重霾污染問題[5-7]。隨著城鎮(zhèn)環(huán)境問題的突顯，尊重自然、順應(yīng)自然的生態(tài)文明理念在規(guī)劃中被提到了前所未有的高度。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，在城鎮(zhèn)用地密集地區(qū)適當(dāng)增加綠地和水體，對(duì)原本不良的城鎮(zhèn)氣象條件有明顯改善趨勢[8]，因此在北京地區(qū)調(diào)整城鎮(zhèn)用地布局，增加、恢復(fù)綠地和水體用地，改善北京城鎮(zhèn)環(huán)境問題迫在眉睫。國務(wù)院在2005年通過了2004—2020年北京城市總體規(guī)劃方案(下簡稱2020年北京總規(guī))，總規(guī)中在主城區(qū)減少城鎮(zhèn)用地，退耕還林、還草，并建立綠化隔離帶，完善多條楔形綠地，在永定河和溫榆河進(jìn)行恢復(fù)水體、擴(kuò)寬河道，用綠地和水體分割原城區(qū)“攤大餅”式的城鎮(zhèn)用地空間布局。北京地區(qū)已由原來的增量規(guī)劃階段轉(zhuǎn)型進(jìn)入存量規(guī)劃階段，要求提高城鎮(zhèn)發(fā)展質(zhì)量和優(yōu)化城鎮(zhèn)發(fā)展環(huán)境，達(dá)到人與生態(tài)的和諧發(fā)展，目標(biāo)在2050年左右，北京將建設(shè)成為經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)全面協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展城市。

許多學(xué)者在過去城市氣象的模擬中，利用數(shù)值模擬替換土地利用類型的方法對(duì)城鎮(zhèn)用地和非城鎮(zhèn)用地做敏感性試驗(yàn)，對(duì)比城鎮(zhèn)用地改變帶來的氣象環(huán)境影響[9-11]，例如王詠薇等利用區(qū)域邊界層模式對(duì)小區(qū)、城市尺度的城市規(guī)劃方案進(jìn)行數(shù)值模擬，為城市總體規(guī)劃提供依據(jù)[12]。在城鎮(zhèn)規(guī)劃定量指標(biāo)方面，國家建設(shè)部自1992年開展“國家生態(tài)園林城市”創(chuàng)建，在標(biāo)準(zhǔn)處提出建成區(qū)道路廣場用地中透水面積的比重、城市熱島效應(yīng)程度等基本指標(biāo)，王曉云等提出一套包含熱島強(qiáng)度、小風(fēng)區(qū)面積、人體舒適度等的城鎮(zhèn)規(guī)劃大氣環(huán)境影響定量評(píng)估指標(biāo)[13-14]，得到較為廣泛應(yīng)用。

目前在為規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)的研究中，結(jié)合實(shí)際規(guī)劃方案給出土地定量控制指標(biāo)的研究仍然較少。因此，本研究在前期對(duì)2020年北京市城市總體規(guī)劃中城市土地利用變化對(duì)氣象環(huán)境影響研究的基礎(chǔ)上，選取夏季晴天典型個(gè)例，采用天氣研究與預(yù)測模型(weather research & forecasting model，WRF)中尺度數(shù)值模式，對(duì)北京市六環(huán)以內(nèi)2010年現(xiàn)狀土地利用及2020年北京市城市總體規(guī)劃土地利用方案下的近地面氣象場進(jìn)行模擬，進(jìn)一步分析綠地、水體等城市生態(tài)用地規(guī)劃布局對(duì)城市地區(qū)近地面氣象條件的影響，為北京地區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃提供初步定量控制指標(biāo)依據(jù)，為北京地區(qū)合理規(guī)劃提供科學(xué)決策建議。

1 案例介紹及模擬設(shè)計(jì)

北京地處115.7°～117.4°E，39.4°～41.6°N之間，位于華北平原西北隅，三面環(huán)山，具有典型的北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。2010年北京的城鎮(zhèn)用地存在“攤大餅”的空間分布形式(圖1-a)，而在2020年北京總規(guī)中提出“抑制城中心發(fā)展，發(fā)展周邊衛(wèi)星城鎮(zhèn)”，強(qiáng)調(diào)大規(guī)模綠地建設(shè)和舊城改造(圖1-b)。對(duì)比2010年和2020年土地利用變化(圖1-c)，六環(huán)以內(nèi)，土地利用類型無變化地區(qū)占58.0%，14.1%的用地變?yōu)槌擎?zhèn)，24.3%的用地變?yōu)榫G地，3.6%的用地變?yōu)樗w。

本研究選取北京時(shí)間2011年7月8日20：00至10日00：00作為典型模擬個(gè)例，該時(shí)間段北京地區(qū)受到高壓控制，天氣晴朗，背景天氣較為穩(wěn)定，可以突出土地利用類型改變?cè)斐傻木值貧庀蟓h(huán)境變化。利用WRF模式，為實(shí)現(xiàn)高分辨率模擬，采取同一中心經(jīng)緯度下的4重嵌套進(jìn)行模擬，各嵌套區(qū)域如圖2所示。試驗(yàn)案例中心經(jīng)緯度為116.371°E、39.916°N，4重網(wǎng)格數(shù)分別為100×100、172×172、205×205、97×88，水平格距分別為18、6、2 km和666 m，其中最內(nèi)層模擬區(qū)域(第4重網(wǎng)格范圍)覆蓋北京六環(huán)以內(nèi)的中心城區(qū)(圖2)。從2011年7月8日20：00(北京時(shí))開始向后積分36 h，其中前 4 h 作為模式Spin-up時(shí)間，取積分后12～36 h作為典型個(gè)例模擬結(jié)果，積分時(shí)間步長為30 s，逐時(shí)輸出模擬結(jié)果。氣象初始場使用NCEP 1°×1°全球再分析資料，分別將2010年 30-meter Global Land Cover Dataset(http：//www.globallandcover.com/Chinese/GLC30Download/download.aspx)中北京地區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)和2020年北京總規(guī)30 m土地利用類型數(shù)據(jù)替換了USGS中原始下墊面，分3組模擬試驗(yàn)，第4層嵌套下墊面數(shù)據(jù)選擇USGS 30″、2010年北京30 m土地利用類型數(shù)據(jù)、2020北京總規(guī)30 m土地利用類型數(shù)據(jù)，試驗(yàn)名稱分別為case-USGS、case-2010和case-2020。

利用模擬時(shí)間段內(nèi)區(qū)域自動(dòng)氣象站觀測數(shù)據(jù)與模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(表1)，可見將WRF模式原始下墊面更新為2010年北京30 m土地利用資料后，氣象站所在地區(qū)的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果吻合度較高，2 m氣溫模擬結(jié)果與觀測結(jié)果間的平均偏差由0.74 ℃減小為0.69 ℃，10 m風(fēng)速模擬結(jié)果平均偏差由1.22 m/s減小至0.68 m/s，城市下墊面現(xiàn)狀資料的更新可有效提高城市地區(qū)氣象環(huán)境模擬效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 六環(huán)內(nèi)氣象要素變化情況

對(duì)比case-USGS和case-2010模擬結(jié)果，近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化分布與土地利用類型變化分布基本一致，增加的大面積綠地，達(dá)到了較好的降溫增濕作用。在永定河和溫榆河地區(qū)的河道修復(fù)、水體增加，也對(duì)六環(huán)內(nèi)地區(qū)有明顯的增溫增濕作用。綠地增加提升了主城區(qū)植被覆蓋率，從而達(dá)到降溫增濕的效果，下墊面粗糙度降低，造成風(fēng)速增大，減小城市小風(fēng)區(qū)面積[15-17]。

利用地理信息系統(tǒng)GIS工具分析WRF模式模擬結(jié)果，研究2020年北京總規(guī)中六環(huán)內(nèi)土地利用變化與近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)北京六環(huán)內(nèi)實(shí)施2020年總規(guī)中的土地利用規(guī)劃后，近地面平均氣象要素均有改善趨勢，說明在城鎮(zhèn)化建設(shè)中，規(guī)劃中植入的大量綠地建設(shè)平衡了新城快速發(fā)展可能帶來的環(huán)境惡化現(xiàn)象，甚至有改善趨勢，堅(jiān)持了經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展的理念。

表1 氣象要素模擬值與觀測數(shù)值驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)

2.2 綠地增加對(duì)城市近地面氣象條件的影響

2020年北京總規(guī)中城區(qū)綠化主要依托于綠化隔離帶和楔形綠地，綠化隔離帶控制中心城向外蔓延的生態(tài)屏障，楔形綠地連接中心城與外圍地區(qū)，目標(biāo)是建立與城市建設(shè)互補(bǔ)的生態(tài)廊道，美化城市景觀，暢通城市風(fēng)場，降低熱島效應(yīng)。

選取六環(huán)內(nèi)土地利用類型變?yōu)榫G地的地區(qū)(約占總面積25%)，統(tǒng)計(jì)綠地增加造成氣溫、風(fēng)速和比濕變化，如表2所示。可見綠地增加使得六環(huán)內(nèi)近地面日均氣溫降低0.81 ℃，日均風(fēng)速增加0.43 m/s，日均比濕增加0.32 g/kg。對(duì)比 02：00—04：00與14：00—16：00時(shí)均值發(fā)現(xiàn)，2 m氣溫均值降幅在02：00—04：00較大，達(dá)0.61 ℃，10 m風(fēng)速和2 m比濕恰好與氣溫相反，在14：00—16：00較大，風(fēng)速增加 0.66 m/s，比濕增加0.55 g/kg。

對(duì)綠地增加區(qū)域各氣象要素不同變化幅度所占的面積百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)表明，在綠地增加地區(qū)近地面氣溫日均值降幅最大，六環(huán)內(nèi)93%的綠地增加地區(qū)有降溫趨勢，其中大部分地區(qū)降幅在2.0 ℃以內(nèi)，降幅在0.5～<2.0 ℃的地區(qū)占 67.90%。02：00—04：00綠地降溫更為明顯，降幅在 0.5～<1.5 ℃ 的地區(qū)占到56.22%。六環(huán)內(nèi)綠地增加對(duì)近地面日均風(fēng)速有所增加，平均增幅都在1.5 m/s內(nèi)，14：00—16：00的增幅明顯，增幅在0.5～<1.5 m/s以上的面積占54.70%。綠地增加對(duì)日均比濕有增加作用，至少69.42%的地區(qū)增幅在1 g/kg以內(nèi)。 14：00—16：00的比濕增幅最大，增幅0.5～<1.5 g/kg的地區(qū)占58.34%。綠地增加地區(qū)近地面氣溫、風(fēng)速、比濕都有明顯的改善趨勢，建議在規(guī)劃主城區(qū)時(shí)適當(dāng)增加綠地用地，有效改善城鎮(zhèn)用地密集地區(qū)已形成的不良的局地城市環(huán)境。

表2 綠地用地增加地區(qū)2 m氣溫、10 m風(fēng)速、2 m比濕的變化情況統(tǒng)計(jì)

注：ΔT為溫度的變化，ΔU為風(fēng)速的變化，ΔQ為比濕的變化。下同。

表3 綠地增加區(qū)域氣象條件不同變化幅度面積百分比

注：面積百分比=ΔS/S變?yōu)椴莸亍?00%，ΔT=0 ℃處誤差取±0.2。下同。

2.3 水體增加對(duì)城市近地面氣象條件的影響

2020年北京總規(guī)六環(huán)附近水體中溫榆河、永定河等作為排水河道，計(jì)劃在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改善水質(zhì)，增加河道用水，同時(shí)河道兩側(cè)綠化帶寬達(dá)到100～200 m；對(duì)于中心城現(xiàn)有湖泊計(jì)劃擴(kuò)大水面，調(diào)蓄汛期洪水，調(diào)節(jié)城市小氣候，改善城市景觀。

選取六環(huán)內(nèi)土地利用類型變?yōu)樗w用地的地區(qū)(約占總面積4%)，分析土地利用變化對(duì)近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化情況。統(tǒng)計(jì)水體用地增加造成氣溫、風(fēng)速和比濕變化情況，如表4所示。可見六環(huán)內(nèi)水體增加引起了近地面氣象要素日變化，日平均氣溫降低0.49 ℃，風(fēng)速增加0.13 m/s，比濕增加1.32 g/kg。對(duì)比02：00—04：00與14：00—16：00平均值，發(fā)現(xiàn)氣溫降幅、風(fēng)速和比濕的增幅都在14：00—16：00較大， 氣溫降低2.25 ℃，風(fēng)速增加1.33 m/s，比濕增加1.45 g/kg。

表4 水體恢復(fù)地區(qū)2 m氣溫、10 m風(fēng)速、2 m比濕的變化情況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在恢復(fù)水體、擴(kuò)寬河道地區(qū)近地面氣溫日均值降幅最大，六環(huán)內(nèi)63.58%的水體增加地區(qū)有降溫趨勢，其中大部分地區(qū)降幅在2 ℃以內(nèi)，降幅在0.5～<1.5 ℃的地區(qū)占45.21%。14：00—16：00較02：00—04：00水體降溫更為明顯，降幅在1.5～<2.5 ℃的地區(qū)占到44.76%。六環(huán)內(nèi)水體恢復(fù)對(duì)近地面日均風(fēng)速有所增加，平均增幅都在 1.5 m/s 內(nèi)。水體增加對(duì)日均比濕有明顯增加作用，47.69%的地區(qū)增幅在1 g/kg及以上。14：00—16：00的比濕增幅最大，增幅大于等于1.5 g/kg的地區(qū)占42.39%。2020年北京總規(guī)中主城區(qū)水體增加、河道恢復(fù)，有效改善城鎮(zhèn)用地密集的地區(qū)已形成的高溫、干燥、小風(fēng)的城市氣象環(huán)境。

表5 水體恢復(fù)區(qū)域主要?dú)庀髼l件不同變化幅度面積百分比

2.4 綠地增加地區(qū)典型案例分析

南六環(huán)內(nèi)城鎮(zhèn)用地密集，在2020年北京總規(guī)中植入大片綠地，控制中心城向外擴(kuò)張，所以選取南六環(huán)內(nèi)的新增綠地作為典型案例進(jìn)行分析。學(xué)者們通過敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，城市中綠地覆蓋率越高，對(duì)局地氣象條件改變?cè)酱螅辉谟嘘P(guān)綠地空間分布的研究中發(fā)現(xiàn)，同面積大小分散式綠地布局較集中式綠地對(duì)城市局地環(huán)境改善效果更好，且綠地占有率達(dá)到60%時(shí)，城市中熱環(huán)境被打破[18]，但結(jié)合實(shí)際案例研究綠地對(duì)城市氣象條件影響的定量分析較少。因此，本研究結(jié)合南六環(huán)土地利用變化情況(圖3)，討論2020年北京總規(guī)中相同綠地增長率下集中式和分散式綠地布局對(duì)氣象條件的影響差異，及選擇3.5 km×3.5 km檢測窗口截取綠地增幅不同區(qū)域樣本(藍(lán)框)，分析綠地增長率與近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化間關(guān)系。

結(jié)合南六環(huán)土地利用變化情況，根據(jù)表6統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，2020年北京總規(guī)中相同面積分散式空間布局綠地較集中式綠地對(duì)氣象條件的改善效果更好。但相較不同綠地增長率對(duì)局地氣象條件的影響，綠地的空間分布影響較小。因此，本研究重點(diǎn)研究城區(qū)中綠地增長率對(duì)氣象條件影響，并提出規(guī)劃方案的定量建議。

檢測窗截取樣本分析結(jié)果如圖4所示。圖4-a中，2 m氣溫降幅隨綠地增長率變大，降幅最明顯的在19：00—21：00，從日均線和19：00—21：00均線都可以看出，在綠地增長率達(dá)到20%～25%時(shí)，以及02：00—04：00在綠地增長率超過40%時(shí)，2 m氣溫降幅突然變大。圖4-b中，10 m風(fēng)速總體呈平緩上升趨勢，在14：00—16：00均線增幅最為明顯，風(fēng)速增幅達(dá) 1.0 m/s。圖4-c中， 2 m比濕增幅在14：00—16：00 均線最為明顯，在綠地增長率超過45%，2 m比濕出現(xiàn)急速增長，從日均線和02：00—04：00均線來看，趨勢較為一致。結(jié)合典型案例模擬結(jié)果，在南六環(huán)內(nèi)城鎮(zhèn)用地密集地區(qū)植入分散式綠地，當(dāng)綠地增長率超過40%，對(duì)近地面氣溫有明顯改善；綠地增加對(duì)風(fēng)速的改善較為平緩；綠地增長率超過45%，比濕有明顯提升。綜上，在城市覆蓋率高的區(qū)域，綠地增長率超過45%，綠地對(duì)近地面氣溫、風(fēng)速和濕度均有明顯改善。因此，建議在未來規(guī)劃新城建設(shè)時(shí)，注意植入分散式綠地，且綠地增長率盡量超過45%，預(yù)計(jì)綠地對(duì)局地氣象環(huán)境的改善效果將達(dá)到最優(yōu)，提高城鎮(zhèn)發(fā)展質(zhì)量、優(yōu)化城鎮(zhèn)發(fā)展環(huán)境，達(dá)到人與生態(tài)的和諧發(fā)展。

表6 不同綠地空間布局對(duì)氣象條件的影響

3 總結(jié)與展望

本研究利用WRF模式，分別模擬了2010年北京30 m土地利用狀況下和2020年北京總規(guī)方案土地利用實(shí)施后的晴天典型天氣近地面氣象場，對(duì)比2種土地利用類型變化所產(chǎn)生的氣象環(huán)境差異，重點(diǎn)評(píng)估了規(guī)劃中綠地和水體的增加對(duì)近地面氣象條件的影響。同時(shí)，選取南六環(huán)內(nèi)典型綠地增加地區(qū)作為案例，分析了綠地增長與近地面氣象條件變化的定量關(guān)系。得到以下主要結(jié)論：2020年北京總規(guī)中新城的建設(shè)、綠地的增加和水體的恢復(fù)，對(duì)夏季六環(huán)內(nèi)高溫、小風(fēng)、低濕的氣象環(huán)境有改善趨勢，對(duì)氣象環(huán)境的影響控制較為合理。六環(huán)內(nèi)2020年規(guī)劃方案中的綠地增長地區(qū)，將出現(xiàn)近地面氣溫降低、風(fēng)速增加、比濕提升的改善趨勢，其中67.90%綠地增長區(qū)域氣溫降幅在0.5～<2.0 ℃之間，夜間(02：00—04：00)降幅較日間大，風(fēng)速增幅主要在0.2～1.0 m/s之間，日間(14：00—16：00)增幅較大，可達(dá)0.5～1.5 m/s，比濕降幅為0.2～1.0 g/kg，日間增幅明顯，最大增幅超過2 g/kg。在水體恢復(fù)地區(qū)，對(duì)近地面氣溫、風(fēng)速、比濕改善尤為明顯。六環(huán)內(nèi)63.58%的水體增加地區(qū)有降溫趨勢，其中大部分地區(qū)降幅在2 ℃以內(nèi)，降幅在0.5～<1.5 ℃的地區(qū)占 45.21%。六環(huán)內(nèi)水體恢復(fù)對(duì)近地面日均風(fēng)速有所增加，平均增幅都在1.5 m/s內(nèi)。水體增加對(duì)日均比濕有明顯增加作用，47.69%的地區(qū)增幅在1 g/kg及以上。以2020年北京總規(guī)中南六環(huán)內(nèi)土地利用變化作為案例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明綠地增長率與近地面氣溫降幅、風(fēng)速和比濕增幅都呈線性正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)綠地增長率超過45%時(shí)，氣溫和比濕均會(huì)出現(xiàn)突破性改變，綠地增長對(duì)風(fēng)速影響呈平緩上升趨勢。初步建議在未來規(guī)劃中城市用地密集地區(qū)，注意構(gòu)建分散式綠地布局，綠地增長率盡量超過45%，將綠地對(duì)局地氣象環(huán)境的改善效果達(dá)到最優(yōu)。

本研究在對(duì)2020年北京總規(guī)的近地面氣象要素進(jìn)行模擬時(shí)，同時(shí)模擬了2015年7月7日、8月12日2個(gè)相似天氣背景的晴天個(gè)例，模擬結(jié)果趨勢與本研究結(jié)論一致。在未來的研究中，將做更長時(shí)間尺度的模擬(如冬夏季各3個(gè)月)，了解綠地和水體在不同季節(jié)對(duì)局地氣象條件的影響差異，分析不同綠地分布對(duì)氣象條件的影響差異，結(jié)合精細(xì)化的綠地、水體空間布局，進(jìn)一步研究綠地和水體對(duì)局地氣象條件影響的定量分析，為未來北京城市規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境改善提出更精細(xì)、合理、完善的可控指標(biāo)。