北京城鎮規劃中綠地和水體增加對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.南京信息工程大學地理與遙感學院，江蘇南京 210044； 2.中國華云氣象科技集團公司，北京 100081；3.北京市氣候中心，北京 100089)

人們對經濟發展的一味追求，造成了城鎮規模迅速擴張，建筑物群密度變大，工業生產快速發展，同時帶來了許多環境問題[1-5]，例如加劇了北京地區夏季高溫及秋冬季節重霾污染問題[5-7]。隨著城鎮環境問題的突顯，尊重自然、順應自然的生態文明理念在規劃中被提到了前所未有的高度。學者們研究發現，在城鎮用地密集地區適當增加綠地和水體，對原本不良的城鎮氣象條件有明顯改善趨勢[8]，因此在北京地區調整城鎮用地布局，增加、恢復綠地和水體用地，改善北京城鎮環境問題迫在眉睫。國務院在2005年通過了2004—2020年北京城市總體規劃方案(下簡稱2020年北京總規)，總規中在主城區減少城鎮用地，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行恢復水體、擴寬河道，用綠地和水體分割原城區“攤大餅”式的城鎮用地空間布局。北京地區已由原來的增量規劃階段轉型進入存量規劃階段，要求提高城鎮發展質量和優化城鎮發展環境，達到人與生態的和諧發展，目標在2050年左右，北京將建設成為經濟、社會、生態全面協調的可持續發展城市。

許多學者在過去城市氣象的模擬中，利用數值模擬替換土地利用類型的方法對城鎮用地和非城鎮用地做敏感性試驗，對比城鎮用地改變帶來的氣象環境影響[9-11]，例如王詠薇等利用區域邊界層模式對小區、城市尺度的城市規劃方案進行數值模擬，為城市總體規劃提供依據[12]。在城鎮規劃定量指標方面，國家建設部自1992年開展“國家生態園林城市”創建，在標準處提出建成區道路廣場用地中透水面積的比重、城市熱島效應程度等基本指標，王曉云等提出一套包含熱島強度、小風區面積、人體舒適度等的城鎮規劃大氣環境影響定量評估指標[13-14]，得到較為廣泛應用。

目前在為規劃提供科學依據的研究中，結合實際規劃方案給出土地定量控制指標的研究仍然較少。因此，本研究在前期對2020年北京市城市總體規劃中城市土地利用變化對氣象環境影響研究的基礎上，選取夏季晴天典型個例，采用天氣研究與預測模型(weather research & forecasting model，WRF)中尺度數值模式，對北京市六環以內2010年現狀土地利用及2020年北京市城市總體規劃土地利用方案下的近地面氣象場進行模擬，進一步分析綠地、水體等城市生態用地規劃布局對城市地區近地面氣象條件的影響，為北京地區城鎮規劃提供初步定量控制指標依據，為北京地區合理規劃提供科學決策建議。

1 案例介紹及模擬設計

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，三面環山，具有典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候。2010年北京的城鎮用地存在“攤大餅”的空間分布形式(圖1-a)，而在2020年北京總規中提出“抑制城中心發展，發展周邊衛星城鎮”，強調大規模綠地建設和舊城改造(圖1-b)。對比2010年和2020年土地利用變化(圖1-c)，六環以內，土地利用類型無變化地區占58.0%，14.1%的用地變為城鎮，24.3%的用地變為綠地，3.6%的用地變為水體。

本研究選取北京時間2011年7月8日20：00至10日00：00作為典型模擬個例，該時間段北京地區受到高壓控制，天氣晴朗，背景天氣較為穩定，可以突出土地利用類型改變造成的局地氣象環境變化。利用WRF模式，為實現高分辨率模擬，采取同一中心經緯度下的4重嵌套進行模擬，各嵌套區域如圖2所示。試驗案例中心經緯度為116.371°E、39.916°N，4重網格數分別為100×100、172×172、205×205、97×88，水平格距分別為18、6、2 km和666 m，其中最內層模擬區域(第4重網格范圍)覆蓋北京六環以內的中心城區(圖2)。從2011年7月8日20：00(北京時)開始向后積分36 h，其中前 4 h 作為模式Spin-up時間，取積分后12～36 h作為典型個例模擬結果，積分時間步長為30 s，逐時輸出模擬結果。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)中北京地區土地利用類型數據和2020年北京總規30 m土地利用類型數據替換了USGS中原始下墊面，分3組模擬試驗，第4層嵌套下墊面數據選擇USGS 30″、2010年北京30 m土地利用類型數據、2020北京總規30 m土地利用類型數據，試驗名稱分別為case-USGS、case-2010和case-2020。

利用模擬時間段內區域自動氣象站觀測數據與模擬試驗結果進行統計檢驗(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，氣象站所在地區的模擬結果與觀測結果吻合度較高，2 m氣溫模擬結果與觀測結果間的平均偏差由0.74 ℃減小為0.69 ℃，10 m風速模擬結果平均偏差由1.22 m/s減小至0.68 m/s，城市下墊面現狀資料的更新可有效提高城市地區氣象環境模擬效果。

2 結果與分析

2.1 六環內氣象要素變化情況

對比case-USGS和case-2010模擬結果，近地面氣溫、風速、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，達到了較好的降溫增濕作用。在永定河和溫榆河地區的河道修復、水體增加，也對六環內地區有明顯的增溫增濕作用。綠地增加提升了主城區植被覆蓋率，從而達到降溫增濕的效果，下墊面粗糙度降低，造成風速增大，減小城市小風區面積[15-17]。

利用地理信息系統GIS工具分析WRF模式模擬結果，研究2020年北京總規中六環內土地利用變化與近地面氣溫、風速、比濕的變化關系，發現北京六環內實施2020年總規中的土地利用規劃后，近地面平均氣象要素均有改善趨勢，說明在城鎮化建設中，規劃中植入的大量綠地建設平衡了新城快速發展可能帶來的環境惡化現象，甚至有改善趨勢，堅持了經濟循環發展的理念。

表1 氣象要素模擬值與觀測數值驗證統計

2.2 綠地增加對城市近地面氣象條件的影響

2020年北京總規中城區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屏障，楔形綠地連接中心城與外圍地區，目標是建立與城市建設互補的生態廊道，美化城市景觀，暢通城市風場，降低熱島效應。

選取六環內土地利用類型變為綠地的地區(約占總面積25%)，統計綠地增加造成氣溫、風速和比濕變化，如表2所示。可見綠地增加使得六環內近地面日均氣溫降低0.81 ℃，日均風速增加0.43 m/s，日均比濕增加0.32 g/kg。對比 02：00—04：00與14：00—16：00時均值發現，2 m氣溫均值降幅在02：00—04：00較大，達0.61 ℃，10 m風速和2 m比濕恰好與氣溫相反，在14：00—16：00較大，風速增加 0.66 m/s，比濕增加0.55 g/kg。

對綠地增加區域各氣象要素不同變化幅度所占的面積百分比統計結果(表3)表明，在綠地增加地區近地面氣溫日均值降幅最大，六環內93%的綠地增加地區有降溫趨勢，其中大部分地區降幅在2.0 ℃以內，降幅在0.5～<2.0 ℃的地區占 67.90%。02：00—04：00綠地降溫更為明顯，降幅在 0.5～<1.5 ℃ 的地區占到56.22%。六環內綠地增加對近地面日均風速有所增加，平均增幅都在1.5 m/s內，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%。綠地增加對日均比濕有增加作用，至少69.42%的地區增幅在1 g/kg以內。 14：00—16：00的比濕增幅最大，增幅0.5～<1.5 g/kg的地區占58.34%。綠地增加地區近地面氣溫、風速、比濕都有明顯的改善趨勢，建議在規劃主城區時適當增加綠地用地，有效改善城鎮用地密集地區已形成的不良的局地城市環境。

表2 綠地用地增加地區2 m氣溫、10 m風速、2 m比濕的變化情況統計

注：ΔT為溫度的變化，ΔU為風速的變化，ΔQ為比濕的變化。下同。

表3 綠地增加區域氣象條件不同變化幅度面積百分比

注：面積百分比=ΔS/S變為草地×100%，ΔT=0 ℃處誤差取±0.2。下同。

2.3 水體增加對城市近地面氣象條件的影響

2020年北京總規六環附近水體中溫榆河、永定河等作為排水河道，計劃在現有基礎上改善水質，增加河道用水，同時河道兩側綠化帶寬達到100～200 m；對于中心城現有湖泊計劃擴大水面，調蓄汛期洪水，調節城市小氣候，改善城市景觀。

選取六環內土地利用類型變為水體用地的地區(約占總面積4%)，分析土地利用變化對近地面氣溫、風速、比濕的變化情況。統計水體用地增加造成氣溫、風速和比濕變化情況，如表4所示。可見六環內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 ℃，風速增加0.13 m/s，比濕增加1.32 g/kg。對比02：00—04：00與14：00—16：00平均值，發現氣溫降幅、風速和比濕的增幅都在14：00—16：00較大， 氣溫降低2.25 ℃，風速增加1.33 m/s，比濕增加1.45 g/kg。

表4 水體恢復地區2 m氣溫、10 m風速、2 m比濕的變化情況統計

根據表5統計結果，在恢復水體、擴寬河道地區近地面氣溫日均值降幅最大，六環內63.58%的水體增加地區有降溫趨勢，其中大部分地區降幅在2 ℃以內，降幅在0.5～<1.5 ℃的地區占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 ℃的地區占到44.76%。六環內水體恢復對近地面日均風速有所增加，平均增幅都在 1.5 m/s 內。水體增加對日均比濕有明顯增加作用，47.69%的地區增幅在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的地區占42.39%。2020年北京總規中主城區水體增加、河道恢復，有效改善城鎮用地密集的地區已形成的高溫、干燥、小風的城市氣象環境。

表5 水體恢復區域主要氣象條件不同變化幅度面積百分比

2.4 綠地增加地區典型案例分析

南六環內城鎮用地密集，在2020年北京總規中植入大片綠地，控制中心城向外擴張，所以選取南六環內的新增綠地作為典型案例進行分析。學者們通過敏感性試驗發現，城市中綠地覆蓋率越高，對局地氣象條件改變越大；在有關綠地空間分布的研究中發現，同面積大小分散式綠地布局較集中式綠地對城市局地環境改善效果更好，且綠地占有率達到60%時，城市中熱環境被打破[18]，但結合實際案例研究綠地對城市氣象條件影響的定量分析較少。因此，本研究結合南六環土地利用變化情況(圖3)，討論2020年北京總規中相同綠地增長率下集中式和分散式綠地布局對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域樣本(藍框)，分析綠地增長率與近地面氣溫、風速、比濕的變化間關系。

結合南六環土地利用變化情況，根據表6統計結果得出，2020年北京總規中相同面積分散式空間布局綠地較集中式綠地對氣象條件的改善效果更好。但相較不同綠地增長率對局地氣象條件的影響，綠地的空間分布影響較小。因此，本研究重點研究城區中綠地增長率對氣象條件影響，并提出規劃方案的定量建議。

檢測窗截取樣本分析結果如圖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，在綠地增長率達到20%～25%時，以及02：00—04：00在綠地增長率超過40%時，2 m氣溫降幅突然變大。圖4-b中，10 m風速總體呈平緩上升趨勢，在14：00—16：00均線增幅最為明顯，風速增幅達 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比濕出現急速增長，從日均線和02：00—04：00均線來看，趨勢較為一致。結合典型案例模擬結果，在南六環內城鎮用地密集地區植入分散式綠地，當綠地增長率超過40%，對近地面氣溫有明顯改善；綠地增加對風速的改善較為平緩；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域，綠地增長率超過45%，綠地對近地面氣溫、風速和濕度均有明顯改善。因此，建議在未來規劃新城建設時，注意植入分散式綠地，且綠地增長率盡量超過45%，預計綠地對局地氣象環境的改善效果將達到最優，提高城鎮發展質量、優化城鎮發展環境，達到人與生態的和諧發展。

表6 不同綠地空間布局對氣象條件的影響

3 總結與展望

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年北京總規方案土地利用實施后的晴天典型天氣近地面氣象場，對比2種土地利用類型變化所產生的氣象環境差異，重點評估了規劃中綠地和水體的增加對近地面氣象條件的影響。同時，選取南六環內典型綠地增加地區作為案例，分析了綠地增長與近地面氣象條件變化的定量關系。得到以下主要結論：2020年北京總規中新城的建設、綠地的增加和水體的恢復，對夏季六環內高溫、小風、低濕的氣象環境有改善趨勢，對氣象環境的影響控制較為合理。六環內2020年規劃方案中的綠地增長地區，將出現近地面氣溫降低、風速增加、比濕提升的改善趨勢，其中67.90%綠地增長區域氣溫降幅在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。在水體恢復地區，對近地面氣溫、風速、比濕改善尤為明顯。六環內63.58%的水體增加地區有降溫趨勢，其中大部分地區降幅在2 ℃以內，降幅在0.5～<1.5 ℃的地區占 45.21%。六環內水體恢復對近地面日均風速有所增加，平均增幅都在1.5 m/s內。水體增加對日均比濕有明顯增加作用，47.69%的地區增幅在1 g/kg及以上。以2020年北京總規中南六環內土地利用變化作為案例，統計結果表明綠地增長率與近地面氣溫降幅、風速和比濕增幅都呈線性正相關關系。當綠地增長率超過45%時，氣溫和比濕均會出現突破性改變，綠地增長對風速影響呈平緩上升趨勢。初步建議在未來規劃中城市用地密集地區，注意構建分散式綠地布局，綠地增長率盡量超過45%，將綠地對局地氣象環境的改善效果達到最優。

本研究在對2020年北京總規的近地面氣象要素進行模擬時，同時模擬了2015年7月7日、8月12日2個相似天氣背景的晴天個例，模擬結果趨勢與本研究結論一致。在未來的研究中，將做更長時間尺度的模擬(如冬夏季各3個月)，了解綠地和水體在不同季節對局地氣象條件的影響差異，分析不同綠地分布對氣象條件的影響差異，結合精細化的綠地、水體空間布局，進一步研究綠地和水體對局地氣象條件影響的定量分析，為未來北京城市規劃與生態環境改善提出更精細、合理、完善的可控指標。