氣候適應性城市中生態系統響應性規劃研究進展及研究途徑

車生泉 李 鑫 梁安澤 CHE Shengquan, LI Xin, LIANG Anze

0 引言

氣候變化已經成為當今社會普遍關注的全球性問題，威脅到了人類社會的可持續發展。在過去的100年間，全球平均地表氣溫上升了0.74℃，未來100年全球平均地表溫度預計上升1.4—5.8℃。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）已分別于1990年、1994年、2001年、2007年和2013年相繼發布了5次評估報告，成為國際社會認識和了解氣候變化問題的主要科學依據。其中，第2次評估報告首次提出了自然和人類系統面對氣候變化的脆弱性；第3次評估報告進一步對脆弱性提出了較完整的定義，認為系統對氣候變化的脆弱性是氣候變化、系統敏感性與適應性的組合；第4次評估報告又深入闡述了系統的脆弱性及適應性能力方面的科學認識；在IPCC第5次評估報告中，第二工作組報告從科學、技術、環境、經濟和社會等方面對氣候變化脆弱性、敏感性和適應性進行全面評估，形成《氣候變化——影響、適應和脆弱性》研究報告，強調了氣候變化導致災害、社會經濟發展聯系暴露度的綜合風險與脆弱性和適應性的聯系。此外，如何采用更廣泛的適應性措施降低對氣候變化的脆弱性已成為該研究領域的重點問題。1997年，第一屆世界氣候大會宣言指出：“如果大氣中的二氧化碳含量仍像現在這樣不斷增加，氣溫上升到本世紀末將達到可觀測的程度，到下個世紀中葉將出現顯著的增溫現象。”聯合國氣候變化框架公約也明確指出，氣候變暖的主要原因是人類過度向大氣排放溫室氣體，增強了自然的溫室效應。

城市是人類活動的主要區域，也是人類財富的主要聚集地。20世紀初，城市人口約2.5億，僅僅占世界人口約15%，而20世紀末，全球人口有接近一半居住在城市，城市的快速擴張使得城市對能源利用的需求迅速加大。全球經濟迅速增長、城市擴張過程中能源利用增加的直接結果是全球溫室氣體的增加，調查也顯示溫室氣體中有70%以上來自城市地區。然而在快速城市化的背景下，城市的安全與抗風險能力卻在減弱，世界自然基金會（WWF）2009年發布的報告《巨型城市面對的巨大壓力》指出，“許多城市在暴雨和洪水的威脅面前極端脆弱，大量的人員和資產在危機關頭的社會經濟敏感性水平令人擔憂，這些城市在破壞性因素影響下缺乏自我保護能力”，在這樣的情況下，城市就成為全球應對氣候變化的核心區域。但是城市由于其系統自身的復雜性和氣候變化這一問題的復雜性，使得對城市系統應對氣候變化的研究難度加大，起步較晚。

1 國內外研究進展

由于城市系統的復雜性，對于應對氣候變化的現有研究主要有兩個方向。一個方向是研究單一因素與氣候變化的相互影響及適應對策，與生態系統相關的有水資源管理、自然生態、公共健康等；另一個方向則是從整體角度研究，主要研究城市應對氣候變化的適應對策。

水資源方面。Milly[1]等研究氣候變化影響下洪水的增多現象。Kathleen[2]等研究水資源與氣候變化的關系。Leopold L B、Jinkang Du和Okada N等[3-5]研究發現，從產流過程上看，城市高密度的硬化地面阻礙降雨下滲和滲透過程，提高地表的產流系數，加大了地表徑流量；從匯流過程上看，大部分地表徑流通過社會水循環由排水管網匯集到河道，增加了匯流的水力效率，導致河道洪峰流量增大，峰現時間提前。Nott Jonathan提出長時間的歷史洪水資料可以作為評估區域洪水災害風險的重要參考依據。Hans de Moel[6]利用荷蘭1900—2000年以及未來100年規劃的空間地理信息分析城市化對洪水產生的影響。Cutter、Mitchell、Clark G、Rygel L等[7-9]學者利用指標體系從國家、市級尺度對洪水災害風險進行區劃和評估。Farley等[10]探討了氣候變化對俄勒岡山脈地區水資源脆弱性的影響，初步分析了氣候變化引起的敏感性與用水部門的適應性和對策。Kelkar[11]等分析了印度Uttarakhand地區的氣候變化和水資源壓力的適應性和脆弱性。Wu[12]等通過建立模擬水資源供需過程的系統動力模型，對巴音郭楞水資源脆弱性進行了評價。Chang[13]等利用水資源供需關系和水質指標，對哥倫比亞河流域水資源脆弱性進行了評價。國內鄧慧平和趙明華[14]分析了氣候變化對山東省萊州灣地區水資源脆弱性的影響。唐國平等探討了氣候變化的水資源脆弱性及其評估方法。張建云和王國慶采用供需關系的指標體系，評估了水資源脆弱性問題。Xia[15]等于2012年提出水資源脆弱性與系統的敏感性成正比，而與水資源系統的抗壓性成反比，構建水資源脆弱性函數公式。

自然生態方面。研究發現氣候變化還會使得部分物種的適生面積縮小，生物多樣性下降；一些生態系統干旱頻率加大，荒漠化趨勢加重，脆弱性增加等。Jell[16]等在AIR-CLIM項目中，利用基于過程的平衡態陸地生物圈模型BIOME3對未來100年歐洲自然生態系統的脆弱性進行研究，結果表明到2100年歐洲有9%—13%的范圍內氣候變化對自然生態系統脆弱性有顯著影響，其中歐洲南部自然植被的脆弱性顯著增加，其主要原因是降水的減少。Simas[17]等采用生物地球化學模型與地形高程模型相結合，對歐洲西南部塔霍河流域自然生態系統的脆弱性的研究表明，海平面上升95 cm時，下游沼澤單位面積的個體數將最終減為0，這意味著下游濕地生態系統將會徹底崩潰消失；而上游沼澤的個體密度下降約500個/m2時，生物量和生產力分別下降35%和50%，氣候變化使得該流域西北部的絕大部分濕地生態系統的個體數量下降，物種死亡率上升，生態系統的脆弱性增加。而在對長江口濱海濕地生態系統的研究中，采用SPRC模型和IPCC脆弱性定義，構建了氣候變化影響下長江口濱海濕地脆弱性評價模式，分析了氣候變化所導致的海平面上升對長江口濱海濕地生態系統的主要影響。

公共健康方面。Haines、Walpole和張燕等[18-20]研究指出，氣候變化及其引起的生態環境變化會導致死亡、營養不良和意外傷害的增加，傳染病的流行強度、范圍和傳播種類發生變化從而導致人群患病風險和疾病負擔的加重，以及空氣污染等造成心肺系統疾病的增加等，對脆弱人群健康的影響則更為突出。張穎等通過在澳大利亞和中國的研究發現，溫度是對人體健康產生影響的主要因素，最高氣溫和最低氣溫對媒介傳播疾病、腸道傳染病等疾病都有明顯影響。也有研究顯示，平均氣溫的升高將增加傳染病、心腦血管疾病、呼吸系統疾病、營養不良、損傷、精神障礙等各類疾病的患病風險，造成疾病負擔的增加。熱浪天氣的出現，可能導致中暑等一系列疾病的發生，對老年人、兒童、患病人群、貧困人群、戶外工作者等構成嚴重威脅。通過比較2003年中國上海熱浪和非熱浪期間的總死亡率、心血管疾病和呼吸系統疾病的相對危險度來評價熱浪的影響，研究發現熱浪會明顯增加心血管疾病和呼吸系統疾病的發病風險，總死亡率也相應增加。在澳大利亞的南部城市阿德萊德，熱浪與4%的救護車呼叫增高率、7%的日住院增加率以及4%的醫院急診住院增高率有關聯。美國芝加哥持續5天的高氣溫導致的死亡率比上年同期增加85%。英國倫敦1995年夏季高溫引起的死亡率增加16%。Costello等[21]綜述了應對氣候變化應采取的策略，指出提高氣候變化對健康影響的認知水平是應對氣候變化的非常重要的措施。

適應性對策方面。Lara[22]等舉例闡述了城市氣候變化和適應對策的相互影響，對華盛頓州的研究較為詳細地闡述了適應的基本概念。彭仲仁[23]等認為適應氣候變化影響最為有效的方法是氣候變化的適應性規劃；同時他從理論方法、方案實施和法律規章等方面分析了適應性規劃遇到的問題和挑戰。孟婕等[24]總結了荷蘭在將城市適應氣候概念融入城市規劃過程中遇到的幾種困境以及這些困境涉及的相關問題，在荷蘭城市規劃發展的基礎上，經過試驗性的探討，最終得出將氣候適應性措施融入城市規劃進程中的“三步走”策略。Dieter Grau[25]等指出，在全球氣候變化程度加劇的情況下，已經出現具備氣候適應性的城市生態區域設計理念。它從宏觀著眼，進行多學科合作，超出了對風景園林定義的傳統理解。它將風景園林的藝術性、人文關懷與工程的科學性結合，以市政工程數據為基礎，采用建模的方法，結合環境成本評估，在城市地上可見及地下不可見的部分進行藍綠基礎設施設計。它在賦予城市生硬外表面以自然化、人性化、符合人與自然和諧共存標準的藍綠空間特征之余，切實地提出能夠幫助城市抵御氣候變化風險、保障城市可持續發展的環境開發策略。芝加哥的綠徑試點工程同樣大量應用屋頂綠化等增綠設計手法，結合自然系統的水體循環過程達到應有的氣候環境效益。德國巴登符騰堡州制定了屋頂綠化有關的法律標準和規定，保證基礎設施的可持續性設計，對城市應對氣候變化起到場地規劃層面的控制約束作用。隨著氣候變暖，建筑從原來主要考慮冬季日照和保暖到現在需要考慮夏季遮陽和自然通風，通過采用遮陽設施，創造居住小氣候。綠化對當地微氣候有著積極的影響，一方面植被可以在夜間吸收CO2產生新鮮冷空氣，另一方面高覆蓋植被還可以降低熱負荷，所以應盡可能地保護綠化空間，防止過度開發成建筑用地。通過發展高密度的居住區，提高能源供給效率和市政設施服務強度，并減少交通量，從而有效地降低CO2排放。降低房屋供暖能耗也有利于緩解空氣污染，因此供暖能耗與地形的關系也在規劃中給予充分考慮。

2 國際城市氣候適應性規劃、政策等經驗及其對我國城市的借鑒

全球約有1/5的城市制定了不同形式的適應戰略，但很少制定具體詳實的行動計劃。目前最有代表性的城市適應規劃有美國紐約的適應計 劃（Cities: New York City: Climate Change Adaptation）、英國倫敦的適應計劃（Climate Change Adaptation Strategy for London）、 美國芝加哥的氣候行動計劃（Chicago Climate Action Plan）、荷蘭鹿特丹的氣候防護計劃（The Rotterdam Climate Initiative，RCI）、厄 瓜 多爾基多市的氣候變化戰略（Quito's Climate Change Strategy）和南非德班的城市氣候保護計 劃（Climate Change Adaptation Planning）等。紐約市在2013年發布《一個更強大、更具韌性的紐約》，指出紐約的適應計劃以建設韌性城市為理念，以提高城市抗擊未來氣象災害風險的能力為目標，以提升城市未來競爭力為核心，以基礎設施和城市重建為切入點，以大規模資金投入為保障，全面構建城市氣候防護體系，并根據氣候監測結果及其他因素制定了符合自身情況的適應目標，將這些目標植入總體規劃工作中以指導城市規劃具體行動。倫敦市在2011年推出了適應氣候變化戰略《管理風險和增強韌性》，以應對長期以來困擾倫敦的持續洪澇、干旱和極端高溫等。而荷蘭鹿特丹的氣候防護計劃已于2006年啟動，通過在鹿特丹港口建立的碳存儲中心，將碳收集和儲存技術應用于經濟市場，在保證鹿特丹經濟發展的同時，減少CO2排放，預計截至2025年將減少12 t的CO2排放量。

針對氣候變化帶來的風險所制定的城市適應計劃，覆蓋的范圍和領域廣泛，設計不同的適應目標和重點領域，但其中一個顯著的共性就是強調城市對未來氣候風險的綜合防護能力，以打造安全、韌性、宜居的城市為目標。如改善住房、建設具有恢復能力的基礎設施系統等措施，可以顯著減少城市地區的脆弱性和暴露度。加強有效的多層次城市風險管理，將政策和激勵措施相結合，加強地方政府和社區適應能力，與私營部門的協同作用以及適當的融資和體制發展，有利于城市適應措施的實施。提高低收入人群和脆弱群體的能力、權利和影響及其與地方政府的合作關系，也有利于城市適應氣候變化能力的提高。

我國注重開展極端天氣氣候事件和氣候適應的相關工作，2013年發布了《國家適應氣候變化戰略》，強調了災害風險管理工作，并將基礎設施、人體健康作為重點任務，在區域格局中強調了氣候變化對城市化地區的影響。2014年發布的《國家應對氣候變化規劃》（2014—2020年）強調了提高城鄉基礎設施適應能力、提高人群健康領域適應能力，以及加強防災減災體系建設的重要性。

我國的這些政策以強調宏觀管理為主，針對性、可操作性不夠；系統性、整體性較差，難以做到統籌城市規劃、建設與管理的各個環節。國外紐約、倫敦等城市的氣候適應性策略可以為我國城市提供借鑒，但由于地理氣候經濟差異大，需要研究制定與我國城市的制度性、規范性、實施性相符的有效治理方案。

3 研究對策

通過利用第5次耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）等模型對城市不同時期的氣候進行模擬，基于自然極端天氣進行分類和統計學方法，建立氣候變化適應性城市極端氣候的風險評估體系。在此基礎上，分析目前城市管理制度和政策，并從生態、自然、經濟、社會4個方面，解析城市應對自然災害的能力，建立適用于城市的短、中、長期氣候變化適應性城市極端氣候的風險評估體系，提出一套預警、預判、長短期評估、綜合管理以及監督監管策略（圖1）。

（1）短、中、長期氣候變化適應性城市極端氣候的模擬和風險預判

圖1 氣候適應性城市可持續發展體系構建

研究具有小尺度特定災害預測功能和可視性強的城市氣候的預警策略。提升氣候觀察系統的效率，優化計算機和數據模型，更好地理解地區氣候變化趨勢，結合計算機數學模型和氣象預警系統，利用大數據和GIS等模型手段，對短、中、長期的風險評判預估進行有效補充并提升其準確度和實用性。同時針對短期天氣預警不確定性，以及特定小尺度區域極端氣候難以預測的普遍情況，研究建立完善的小尺度、短時間的氣候變化預判體系。在CMIP5模型結果的基礎上，研究極端天氣對特定區域和周邊公共空間，如社區、公共交通、公共場所的影響和解決措施。

（2）氣候變化適應性城市極端氣候脆弱性評價體系構建

分析現有城市應對氣候變化的短板和缺陷，建立適用于不同類型城市的氣候適應性城市脆弱性評價體系。

以全球視角評估短期城市氣候變化的威脅，同時關注長期威脅。評估未來氣候變化趨勢、確定發生時間和受影響空間的大致范圍和程度，評估4個方面：社會層面，氣候變化對現有城市公共健康的影響，極端天氣下弱勢群體的安置；生態系統，城市自然水系和綠色基礎設施的穩定性和恢復力，城市綠地、濕地和森林系統的保護和發展，城市水網系統的廣泛連通；經濟配置，城市交通系統的安全和穩定性、運輸海岸資源的渠道安全性；自然層面，水資源管理的全面和可持續性，農業結構和布局的調整合理性。

就管理層面而言，檢驗和評估氣象部門的預警能力、政府應對能力、城建機構的管理能力、城市生態系統的恢復力、基礎設施的空間布局前瞻性，以及評估現有城市規劃草案以及相關機構，如交通規劃、建筑設計、生態建設等的能力和任務匹配程度。評估極端天氣預警系統觀測頻度與覆蓋范圍、城市規劃設計規范以及城市生態空間布局合理性，如保護易受影響和重要區域，對受影響的區域進行適當調節后仍然使用，以及避免開發和建設未來可能會受影響的區域，用于檢驗和找出城市面對極端天氣和突發情況下缺乏快速預判、有效響應、韌性缺失等的原因和內在機制，構建上海市氣候適應性城市脆弱性評價體系。

（3）有效應對短、中、長期氣候變化的上海市城市治理對策探索

針對現有應對極端氣候能力不足和缺乏長期有效應對策略的現狀，從社會、自然、經濟、生態4個方面出發，研究建立和實行彈性城市的發展策略，包括如何統籌短期目標收益和長期目標收益，從效益、成本、可實施性、高效、低能耗、社會公平等方面統籌兼顧。在社會層面，提升公共健康標準、城市交通能源布局和災害天氣的及時響應等；在自然層面，保護森林和自然群落環境，農業產業布局合理；在經濟層面，結合社會、自然和生態等其他要素優化資源配置以及能源供給，探索如何以經濟手段刺激和鼓勵市民、企業和公司參與建設氣候適應性城市，如綠色屋頂和建設海綿型城市等；在生態層面，研究如何在中、長期提升城市面對災害管理策略中的主導地位，合理布局城市生態環境結構、協同水系、綠色基礎設施與灰色基礎設施，保護城市濕地和森林并建設城市自然防災生態廊道等。另外，需要思考如何制定氣候適應性的城市規劃規范，對氣候變化影響下的地區和濱海區域的當地市政規劃和法案進行更新。

4 討論

本文從生態、自然、社會、經濟4個方面，探索并制定了一套具有全面協同合作機制、以快速垂直且扁平化傳達災害響應為特點的，集氣候預警、災害識別、脆弱評估為一體的，全面細致的管理對策。

小尺度、短時間范圍內的氣候變化風險具有較強的不確定性和隨機性，其預測有較大難度。基于全球氣候變化風險預測模型和本地氣候變化歷史數據，建立市域范圍內不同時期氣候變化風險的預測模型是本課題擬解決的關鍵問題之一。

同時，氣候變化對生態、自然、社會、經濟有著不同特點和時間跨度的影響，而衡量不同方面脆弱性的方法亦不相同，綜合生態、自然、社會、經濟的影響評估技術，建立城市綜合脆弱性的評估模型和方法是研究和實踐的關鍵環節。