喀斯特山地城市氣候圖的編制及應用
——以貴陽市為例

邵麗麗，孟慶林，高 培

(1.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510640; 2.貴州民族大學 建筑工程學院，貴陽 550025)

目前，全球正在經歷一次以變暖為主要特征的顯著變化，聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估報告認為，20世紀中期以來，全球變暖的主要原因是人類活動的影響[1]。人類活動最直接的結果就是快速且持續的城市化。城市化是不可避免且不可逆的。城市化進程中，人口聚集、城市用地增加、人為熱排放增多及城市下墊面的改變造成城市、氣候和環境之間的矛盾。城市氣候影響著人們的生活健康，空氣質量和建筑能耗。如果長期暴露在高溫天氣下，還會增加患心臟病和腦部疾病的風險，以及與熱有關的死亡率[2]。

城市氣候研究致力于通過城市規劃和設計等手段解決城市氣候問題，改善城市居住環境，已經成為城市發展研究的重要方向。城市內部氣候差異很大，不同的土地利用類型和城市形態顯示出不同的局地氣候。在局地尺度上，將氣候學與城市規劃學聯系起來的常用研究方法有2種：一是由Stewart等[3]提出的城市局地氣候分區(local climate zone，LCZ)，二是由德國研究者于20世紀50年代提出的城市氣候圖(urban climatic map，UCMap)。LCZ對不同的城市形態和下墊面組合進行氣候分區，并不反映城市實際的氣候狀況，且只能呈現城市熱環境，不包括城市風環境、濕環境等其他氣候環境。UCMap將氣候要素和規劃要素整合并在二維空間圖中展示出來，說明城市氣候在熱負荷、通風潛力甚至空氣質量等方面的現象和存在的問題，便于設計師理解[4]。UCMap法首先將城市劃分為幾個具有特定特征的城市氣候區，然后從城市氣候角度制定規劃導引和改進策略。

目前，世界上已有20多個國家相繼開展了城市氣候圖的相關研究[5]。本世紀初，中國香港學者將城市氣候圖的研究方法引入香港，并針對高密度的環境進行氣候問題評估，指導氣候問題改善的研究和實踐[6]。近年來，北京[7]、西安[8]、寧波[9]、深圳[10]、廣州[11]、大連[12]等城市也積極開展城市氣候圖的相關研究，對城市規劃實踐的指導應用頗有成效[13]。通過相關文獻研究發現，城市環境氣候圖的研究大多集中在發達城市，對復雜地理環境下的城市研究較少。我國幅員遼闊，各地的地理氣候條件差異較大，需要因地制宜編制城市氣候圖。如山地城市因地形影響，近地面粗糙度大，即作用于空氣的摩擦力大，導致風速較低，加之城市的建設在坡度相對平整且用地條件好的地方，使得平整地近地面粗糙度增加，加劇了山地城市的通風不暢，容易造成污染物聚集等問題。喀斯特城市因土層淺薄、植被稀疏和石漠化等地貌的影響，不僅在城市建設區存在高溫區域，而且在郊區也存在許多高溫區域。這使得復雜地理環境下，城市氣候圖的研究比平原城市更加復雜，需要考慮更多的影響因素。本文以喀斯特山地城市貴陽市為研究對象，通過UCMap方法，結合地形地貌特征及城市形態學相關指標，評估貴陽市城市局地環境氣候，編制城市氣候圖并對貴陽市城市氣候進行了分區。該圖能夠快速地確定對城市環境氣候有價值和亟待改善的區域。最后，提出改善城市氣候環境的策略和指引，指導城市建設。

1 研究區域概況

貴陽市是中國貴州省省會，位于中國西南部，云貴高原東部。貴陽市海拔540～1 740 m，平均海拔高度在1 100 m左右，總地勢西南高、東北低，屬于以山地、丘陵為主的丘原盆地地區。轄區內喀斯特地貌面積占全市總面積的85%。貴陽的森林覆蓋率為52.2%，城區被群山包圍，是享譽全國的森林城市。

貴陽市屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，夏無酷暑，冬無嚴寒，全年平均氣溫為15.3℃，全年各月平均氣溫在4.6～23.7 ℃，年平均相對濕度為77%，年平均降水量為1 129.5 mm。每年日照時數≥6 h的天數為63～166 d，屬于太陽能資源一般區。

貴陽具有得天獨厚的生態環境和涼爽的氣候條件。但是，近年來，貴陽城市化進程加速，城市規模迅速擴大，人口聚集速度大幅增加，中心城區人口和建設用地已大大超過現行總體規劃的預期[14]。貴陽地區年平均溫度呈波動上升趨勢，且增速略高于全國平均水平[15]。貴陽市極端氣溫溫暖系列指數呈上升趨勢，多次出現異常高溫天氣[16]。貴陽城市的發展在規模、密度和垂直化方面都有顯著的變化并影響著城市氣候。城市氣候圖評估的范圍在1～1 000 km2，它適用于評估整個城市或大城市中的面積較大的區域。本文以貴陽市中心區為研究對象，構建適用于喀斯特山地城市的城市氣候圖。研究區域(見圖1)包含整個老城區——南明區和云巖區，以及西北部觀山湖區、東北部烏當區和南部花溪區的部分區域。所選區域范圍在貴陽市環城高速以內，基本涵蓋了貴陽中心城區的建筑。

圖1 研究區域在城市中的位置示意圖

2 研究數據與研究方法

UCMap構建在對一系列氣候氣象數據、地形地貌信息和城市規劃要素等的綜合分析與疊加上[17]。城市形態主要影響城市熱氣候和空氣流動模式，在現有UCMap的研究中，城市熱島和城市通風是重點考慮的2個方面，評估因子的選取也圍繞這2個方面的作用大小進行選擇和分類賦值。評估因子能夠充分描述城市形態特征和城市所在地的地形地貌特征對城市氣候的潛在影響。本文利用GIS平臺構建貴陽市中心區的城市氣候圖，其編制流程如圖2所示。

圖2 喀斯特山地城市環境氣候圖編制流程框圖

2.1 評估因子篩選

評估因子的選擇不僅借鑒了中國香港[6]、北京[7]和深圳[10]等地城市氣候圖研究和編制中常規要考慮的影響因素，而且根據喀斯特山地城市地形地貌特征對城市熱環境和風環境的影響，增加了適用于喀斯特山地城市的評估因子，如巖石荒地分布和地表粗糙度。

2.1.1城市熱負荷評估因子

喀斯特山地城市貴陽市的熱負荷圖層評估因子包括建筑體積密度、海拔高程、綠化覆蓋、水體分布、巖石荒地分布5個因子。

1) 建筑體積密度。建筑阻擋了來自地面的長波輻射，使得向天空釋放能量的速度減慢，進而影響城市下墊面的儲熱和散熱能力，城市中心的冷卻速度比郊區慢，且儲熱大，產生更高的溫度。建筑體積密度表示一定用地面積上所有建筑的體積總和與該地塊面積的比值，單位為m3/m2。建筑體積密度與城市熱島強度有很強的相關性[18]。建筑體積密度越大，長波散熱被遮擋得越多，降溫效率越低，因此建筑體積密度是一個衡量建筑儲熱和散熱能力的參數。

2) 海拔高程。隨著海拔高程的增加，氣溫呈下降趨勢。在標準大氣壓下，海拔高程每升高100 m，氣溫下降約0.65 ℃。山地城市貴陽市海拔跨度較大，在540 ～1 740 m，而居住區大多分布在 1 100～1 200 m，因此，本文取貴陽中心老城區噴水池海拔高度1 070 m為基準點，進行分類賦值。

3) 綠化覆蓋。城市綠化空間具有調節城市氣候的作用，因為植物可以遮擋陽光并通過蒸騰作用降低空氣溫度。夏季，城市中有綠化區域人行高度處的溫度明顯低于無綠化地區。

4) 水體分布。貴陽中部南明河流經中心老城區，西部有阿哈湖水庫，南部有花溪水庫和松柏山水庫，這些自然水體占地面積大，有明顯的降溫、增濕作用，能夠緩解城市熱島效應。

5) 巖石荒地分布。貴陽是典型的喀斯特區域，其土層淺薄，植被稀疏且生長緩慢。喀斯特土壤一旦失去植被的保護后，地表水下滲，松散的土層被地表徑流所侵蝕，土壤流失，母巖出露，產生石漠化，出露的石灰巖熱容大。有研究表明[19-22]，貴陽不僅存在城中區高于郊區的“常規熱島”，郊區也存在著大面積高溫的“異常熱島”，而這些郊區高溫所在區域并不是建設用地，主要分布在低植被覆蓋的區域。這些區域植被稀疏，巖石出露，巖石的熱容比土壤大，所以就有郊區大面積出現高溫的“異常熱島”現象。因此，對于喀斯特城市，喀斯特地貌的分布對城市氣候也有較大的影響。需要將代表喀斯特地貌的分布的指標作為熱負荷的評估因子之一。

2.1.2城市通風潛力評估因子

貴陽市的通風潛力評估因子包括建筑密度、植被粗糙度、開闊空間、地表粗糙度4個因子。

1) 建筑密度。不同的空間形態呈現了不同的城市空氣動力學粗糙度，影響城市通風。建筑密度是反映城市不同空間形態的指標，與當地風速放大系數具有顯著相關性。研究表明：建筑密度與風速放大系數成反比，即建筑密度越高，風速放大系數越低。

2) 植被粗糙度。不同的綠地形態，也存在不同的粗糙度，在貴陽城市綠地組成中，荒地和草地的粗糙度最小，有利于城市通風。而森林和建筑對通風無促進作用。

3) 開闊空間。開闊空間指水體及其周邊 200 m內的空間。一方面，因為水體的粗糙度非常小，有利于通風。另一方面，因為水體和周邊下墊面受太陽輻射增溫程度不同，溫差形成局部的氣流循環，能夠促進城市的通風。

4) 地表粗糙度。從地形學角度，地表粗糙度指特定的區域內地球表面與其投影面積之比，是地面凹凸不平程度的定量表征。貴陽市坡地大于25°的用地面積約占總面積的18.45%，地形以起伏度大于30°的丘陵山地為主，城區內部坡道多，建筑依坡、依山而建，易形成山坡風[23]。因此，采用地表粗糙度來反映大氣候背景下山地動力作用對城市通風的影響。地表粗糙度通過DEM數據計算出坡度后，使用式(1)通過Arc GIS柵格計算器得出。

(1)

式中：K為地表粗糙度，S為坡度。

以上評估因子中，建筑數據來源于百度地圖且經過核對；海拔高程數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺的ASTER GDEM V2 DEM高程數據，其空間分辨率為30 m；土地利用數據來自清華大學發表的10 m分辨率的土地覆蓋圖[24]。

因篩選得到的各個評估因子具有不同的量綱和數量級，為了方便后續的圖層疊加，需要對各個數據進行分類賦值，利用GIS重分類功能對評估因子進行分類和賦值操作，劃分的等級及賦值見表1。

表1 評估因子等級劃分和分類值

2.2 確定評估因子的權重

不同的評估因子對城市熱負荷和通風潛力的影響程度不同，需要計算各因子的權重以表征其對城市氣候影響的水平差異。本文采用熵權法[25]確定各個因子的權重，該方法是一種客觀的綜合評價方法，可以避免主觀因素的影響。計算式見(2)～(6)，各個評估因子的計算結果見表2。

正向指標：

(2)

負向指標：

(3)

信息熵：

(4)

dj=1-Ej

(5)

權重：

(6)

式中：Xij表示第j個指標的第i項數據的數值(j=1，2，…，n，i=1，2，…，m)；Xmax為該數據最大值；Xmin為該數據最小值；Xij為各指標數據歸一化后的值；Ej為第j個指標的熵值；k為常數；n為分析單元數量；dj為第j個指標的差異性系數；Wj為第j個指標的權重。

表2 評估因子的權重

2.3 城市氣候圖分析單元

為便于后續的疊加運算，需要對研究區進行單元劃分，現有的研究中分析單元尺度在100～500 m之間。根據梁顥嚴[26]對廣州地區多尺度網格熱環境影響因素的分析表明，100 m網格的周邊環境指標對熱島影響大于網格內指標的影響，200 m網格的內指標對熱島影響大于網格外指標的影響。因此，氣候單元的尺度不是越小越適合，而是需要根據各個城市不同的城市形態決定，保證網格內的氣候環境相對獨立。因此，研究采用地理學中空間自相關理論，即距離較近的物體比距離較遠的物體表現出更多的相似性，判定合理的單元尺度。研究采用普通克里金法半方差函數模型確定單元尺度[27]。圖3顯示了建筑高度的半方差隨著2個建筑之間距離的增加而增加，并在225 m左右達到一個基臺，即225 m范圍內的建筑在高度上具有較強的自相關性和相對均勻性。為了便于研究，貴陽市城市氣候分析單元尺度為200 m。

圖3 建筑高度的半方差函數模型曲線

3 貴陽市城市氣候分區和評估

3.1 貴陽市熱負荷分析和評估

將建筑體積密度、海拔高程、綠化覆蓋、水體分布、巖石荒地分布按照表1的權重進行加權疊加，得到貴陽市熱負荷評估示意圖(圖4)。由于貴陽自然條件的限制，不能連片發展，因此貴陽的熱負荷最高的區域并沒有像其他城市一樣集中在一個中心區，而是分布在不同的區域，具有顯著的空間差異性。其中，熱負荷最高且面積最大的地區位于老城區：紫林庵、噴水池、中山西路和文昌閣片區，該片區以商業或商住用地為主，屬于貴陽市繁華商圈地帶。該區域建筑密度較大，由大型裙樓建筑及高層建筑組成。因老城區受喀斯特地貌為主的地形限制，山多坡陡，平川地少，20世紀僅在30 km2多的巖溶盆地內建設發展，建設用地稀缺，在20%的建設用地空間內聚集了貴陽市53%的人口，中心布局高度集中，導致中心區熱負荷大。其他熱負荷最大值分布在新建的花果園片區，經開區長城嘉苑和繽紛廣場周邊，觀山湖區會展中心附近及花溪大學城商住區。這些地段都具備建筑體量大且密集，布局雜亂的特征。

圖4 貴陽市熱負荷評估示意圖

3.2 貴陽市通風潛力分析和評估

將建筑密度、植被粗糙度、開闊空間、地表粗糙度分別按照10.9%、45.4%、34.4%和9.3%的權重進行加權疊加，得到貴陽市通風潛力評估示意圖(圖5)。通風潛力大小在空間分布上沒有明顯的規律。高通風潛力區域位于阿哈湖水庫以及流經老城區的南明河周邊。林地及坡度較大的地區對風的阻力較大。建成區受建筑密度和地形的影響，通風潛力最差。這與周雪帆等[28]采用中尺度氣象模擬模型WRF(weather & research forecasting model)對貴陽市城區范圍內風環境的模擬結果基本一致。貴陽市風環境受地形影響較大，中心城區逆溫天氣多，風力小，靜風頻率高。

圖5 貴陽市通風潛力評估示意圖

3.3 貴陽市城市氣候類型劃分

為了進一步了解貴陽市熱負荷和通風潛力共同作用下的城市環境氣候，將熱負荷圖和通風潛力圖等權疊加，參考不同城市的城市氣候圖研究成果和實踐經驗，結合貴陽市城市氣候圖的劃分效果，采用自然間斷法劃分為5類，得到貴陽市城市氣候示意圖(圖6)。每個氣候分析單元通過每個柵格的顏色展示該地塊的氣候類別，每個氣候類別的城市氣候狀況見表3。

圖6 貴陽市城市氣候示意圖

表3 城市氣候分區標準

4 基于UCMap的貴陽市規劃建議

從城市氣候圖的分區可以看出：貴陽市雖然區域氣候較好，但其城市氣候除了受城市開發強度和土地利用性質影響外，地形地貌對其影響也較大。貴陽城市氣候兩級分化比較嚴重且集中。1級區域是城市的重要冷源、風源和水源處，對城市氣候、生態環境影響巨大，需要嚴格保護，避免人為破壞和環境污染。而5級區大部分集中在老城區中心，已經形成建筑體量大、建筑密度高、綠地率低的格局，該區域是特別需要改善的地方。但是對此區域進行大尺度的改建相對困難，建議采取增加建筑間的綠地面積、水體景觀，拓寬樓間道路等方式改善通風環境，減少空氣污染。2級區域環境氣候適宜，需要在現有的基礎上進一步保護和改善。既要利用好環城林帶的降溫作用，也要改善部分山坡林地對風的阻礙作用。該區域靠近建成區，流經市中心的南明河是改善城市物理環境的重要基礎，應重視水系對城市的降溫作用，加強周邊綠地和水系之間空間上的互通性，形成暢通的城市通風廊道。3級區域屬于一般區，是城市氣候的過渡區，應加強其橋梁的作用，保持平衡性。對于城郊，需要修復裸露的碳酸巖，減少出露巖石的面積，增加植被的覆蓋率。對于城區，應在設計中規劃合理的建筑布局，并進行微氣候模擬設計，合理設置綠化區域。4級區域屬于中密度建設區，需要做好道路綠化，夏季為行人提供遮陽。挖掘區域中的開敞空間，進行松散的綠地種植，把道路綠化和公共綠地相結合，形成城市綠化網格，降溫的同時促進空氣流通，提高粉塵沉積效應。

5 結論

以喀斯特山地城市貴陽市為例，在傳統城市氣候圖繪制方法的基礎上，充分考慮地形、地貌對城市氣候的影響，加入考慮喀斯特地貌的巖石荒地圖層和考慮地形凹凸程度的地表粗糙度圖層。在劃分城市氣候分析單元中，根據貴陽市城市形態現狀，采用空間自相關理論中的半方差函數確定空間氣候分析單元。在確定熱負荷的5個圖層和通風潛力的4個圖層占比時，引入客觀的綜合評價方法——熵權法計算各個圖層的權重，比傳統城市氣候圖等權法的繪制，更加精準地反映城市真實的氣候狀況。UCMap方法使得從城市氣候的角度找出需要關注和改善的區域變得更加容易，能夠凸顯通風不良或熱負荷偏高的地區，也能夠發現本地的冷空氣發源地從而進行保護，便于城市規劃師、政府和社會公眾進行識別，能夠更好地協同各個專業和各方的力量，保持貴陽市的宜居性。

貴陽市由于自然條件的限制，雖然總面積較大，但是能用于城市建設的用地稀缺，城市空間危機嚴重，高密度城市是貴陽市的發展趨勢。如何在保證現有的氣候舒適度的條件下發展城市，即如何進行可持續的氣候空間規劃是貴陽市規劃者和決策者面臨的重要任務和挑戰之一。正確認識現代城市化與城市氣候條件的相互關系，將氣候和環境信息融入城市規劃實踐和生態城市建設，預測規劃方案對城市熱負荷和通風潛力的影響，制定科學的城市規劃決策過程，對于彌補規劃實踐中城市氣候因素的不足具有重要意義。