街區空間緊湊度的氣候適應性評估
——以浙江長興縣為例

文／王艷云 福州大學建筑與城鄉規劃學院 碩士研究生

羅 濤 福州大學建筑與城鄉規劃學院 教 授

吳良龍 福州大學建筑與城鄉規劃學院 碩士研究生

許文豪 福州大學建筑與城鄉規劃學院 碩士研究生

洪昕晨 福州大學建筑與城鄉規劃學院 助理研究員 博 士（通訊作者）

引言

全球氣候變化與區域城鎮化影響的疊加使城鎮成為氣候變化風險的集中體現區域，時刻威脅著城鎮的安全與居民的生活[1]。在城鎮擴張的巨大壓力下，“緊湊城市”相關研究成為我國城市可持續發展的重要城市發展模式之一[2]。如何對現有的城鎮空間緊湊程度進行氣候適應性評價，以便通過城鎮空間要素布局優化并調整街區空間開發模式來應對氣候變化，成為規劃學科應對城鎮發展與氣候變化的重要著力點。

城鎮空間形態是指各種城鎮要素在城鎮空間上的分布及其組合形式，是自然、社會、經濟等各種因素綜合作用于城鎮所產生的空間結果[3]。面對極端氣候的不斷出現且其后果越來越嚴重的趨勢，學者們在區域、城市、街區、建筑等不同尺度下[4-6]，以及風、熱、濕等不同氣候條件下，對空間形態的氣候適應性展開了廣泛的研究和討論[7,8]。大量研究以構建韌性城鎮、可持續發展城鎮為目標，從山水格局、用地布局或城鎮空間形態體系對氣候背景的適應效果出發，嘗試以空間規劃設計手段增強城鎮空間形態對氣候的適應性[9-11]。總體而言，城鎮空間形態的氣候適應性研究中量化的適應性評價方法尚不多見，且對技術、設備要求較高，難以廣泛開展。

人文地理學的適應理論認為，人類社會與環境之間存在雙向調節的相互關系[12]。美國生物學家勞倫斯·亨德爾森（Lawrence Henderson）曾提出“適應就是指有機體和自然之間的相互協調關系”[13]。而所謂“協調”是指系統整體趨優的狀態，是系統或組成要素之間在發展過程中由無序走向有序的良性過程[14]。目前，協調度評價逐步成為評價適應性的常用方法[15]。相關學者已在廣東、江蘇、福州、大連等城市對人口、經濟、社會、資源、環境、空間等多個領域[16-18]進行系統協調度的相關分析研究。然而，系統協調度分析在應用于空間系統分析時，大多僅涉及少數空間要素指標，如公園綠地、道路、土地利用等[19,20]，不能完整反映研究對象的空間特征，且該方法針對氣候系統的應用研究較少。總體而言，協調度模型的構建與評價對研究由城鎮空間形態與其氣候背景所構成的雙系統模型具有深刻意義，但目前相關研究成果尚未見諸公開報道。

本研究以縣域城鎮為研究對象，選取研究區不同類型的街區樣本，分別構建空間形態和氣候背景雙系統評價指標體系，采用系統靜態協調度分析的方法，對街區空間緊湊度的氣候適應性進行研究。研究旨在為街區改造或新建規劃中改善城市氣候提供參考。

1 研究方法

1.1 案例區介紹

本研究案例區為長興縣，隸屬于浙江省湖州市，地處浙江北部低山丘陵向太湖西岸平原過渡的地區。案例區屬亞熱帶海洋性季風氣候，縣域面積1430 平方公里，中心城區建成區面積48 平方公里。改革開放以來，長興縣發展迅速，逐漸完成由農業縣向工業縣的轉型，城鎮空間形態發生本質變化。

1.2 數據基礎

本研究數據來源包括：2017 年版長興縣城鎮總體規劃（2017—2035）、長興縣1∶500地形圖、谷歌衛星航拍圖、2017 年長興中心城區總體現狀圖與規劃圖以及長興縣2005—2017 年氣象監測數據。在對長興縣中心城區所有街區單元的空間屬性（面積、周長、圓形率、臨水關系、新老城關系）與功能屬性（生產、生活、生態或混合）進行分類及關聯性分析的基礎上，挑選出12 個代表性街區作為分析案例（圖1）。

圖1 長興縣域12 個典型街區平面圖及概況（圖片來源：作者自繪）

1.3 子系統評價指標體系與系統協調度模型構建

1.3.1 子系統評價指標體系

本研究評價指標以城市氣候理論與緊湊城市模型為支撐，以長興縣溫和濕潤的氣候背景及街區空間緊湊程度為評價對象，構建兩子系統評價指標體系。

已有文獻研究表明，城鎮化對區域溫度、濕度、風速、日照、云量等氣候要素具有重要影響，易引起區域增溫和城市熱島效應[1]。本研究結合長興地區溫和濕潤氣候背景的主導因素、當地易發氣候災害類型及現有氣象監測數據，綜合制定氣候系統評價指標，包含氣溫、降水、日照、風四個類別[21]，共計8 個指標（表1）。

表1 氣候環境系統與空間形態系統指標體系構建（表格來源：作者自繪）

城鎮街區空間形態系統評價指標圍繞緊湊城市理論提出的城市功能緊湊、城市規模緊湊、城市結構緊湊的表現形式[22]，從土地集約利用、用地開發強度、平面形態集聚度和道路通達性四個緊湊空間特征入手[23]，共計14 個指標（表1）。

1.3.2 確定子系統各評價指標權重

首先，對原始數據進行無量綱化處理。計算公式為：

正向指標：

式中，i 表示評價指標，j 表示樣本，且i=1，2，…,n；j=1,2,…，m。Xij和χij分別為樣本j 的第i 個指標的原始值和標準化后值；max（xi）和min（xi）分別為第i 個指標在原始值中的最大值和最小值。正向指標表示指標數值越大，對子系統的貢獻越大；負向指標表示指標數值越小，對子系統的貢獻越大。

其次，計算熵權，計算公式為：

式中，ωi表示第i 個指標的熵權，hi表示第i個指標的熵，為樣本數量，（當fij=0 時，hi令=0）。

如表1 所示，在氣候環境系統評價指標體系中，降水、氣溫兩類指標所占權重比例最大，達到64%。從研究區氣候背景來看，長興縣屬亞熱帶海洋性季風氣候，溫和濕潤為該氣候區的主要特征。此外，長興為臺風災害頻發區，因此其風環境同樣對氣候具有較大影響。

在街區空間形態評價指標體系中，用地開發強度與土地集約利用兩類指標所占權重比例最大，達到60%。街區空間作為城鎮的重要組成部分，其空間開發模式是城鎮空間發展的重要延續。緊湊城市體現了高密度、功能混用和緊湊以及密集化[2]，更多地強調在現存的邊界內解決城市問題。經濟性和高效性是其最直觀的體現，且其舒適性不可忽視。

1.3.3 構建協調度模型

協調度是對2 個或2 個以上系統或系統內部要素之間相互適應、相互配合的狀態和程度的一種度量。本研究利用模糊數學中的隸屬度概念，對兩系統的協調度進行評價。計算步驟如下[24]。

首先，計算各子系統的綜合評價指數。其中，城鎮街區空間緊湊度，用于綜合評估街區空間開發模式的緊湊發展程度。氣候綜合評價指數用于評估長興縣氣候的溫和濕潤程度。計算公式如下：

其次，計算系統協調度。

式中，Ux/y 為X 系統相對于Y 系統的狀態協調度；Fx 為氣候綜合評價指數；Fx1為街區空間緊湊度對氣候系統要求的協調值；Sx2為氣候系統的實際方差。同理，為Y系統對X系統的狀態協調度。U 為X、Y 兩個系統的協調度指數，U ∈[0,1]，當U=1 時兩系統間完全協調。

結合已有研究成果，本研究采用均勻分布函數法擬定協調度等級劃分標準[25]（表2）。

表2 協調度等級劃分標準（表格來源：參考相關文獻繪制）

2 結果與討論

2.1 各子系統評價結果

氣候子系統綜合評價指數用于評價氣候的溫和濕潤程度，數值越高，氣候越溫和濕潤。如圖2 所示，2005—2017 年長興縣氣候綜合評價指數呈波動上升趨勢。其中，2006—2009 年間函數值較為穩定，2009—2010 年函數值驟降至0.239，隨后在2011—2016 年間函數值由最低值極速上升至最高值，且2015—2016 年上升速率最快，此外在2016—2017 年又大幅降低。

圖2 子系統綜合評價指數計算結果（圖片來源：作者自繪）

對比長興縣各氣候指標原數據可以發現，2009 年與2010 年相比，2010 年的氣溫及年降水量等多項指標值均低于2009 年，而日照、風速兩類負向指標均大于2010 年，且年平均風速達到研究年份中的最大值。因此，2009 年相對2010 年的氣候更加溫和濕潤。2015 年與2016年相比，2015 年氣溫和降水值均偏小，而年極大風速受當年臺風影響，遠大于2016 年。2017年則因降水大幅減少，當年氣候綜合評價指數驟然下降。2011 年與2016 年相比，2011 年的氣溫相對偏低，降水偏少且風速較大，導致該年氣候綜合評價指數偏低。2016 年正向指標中年平均最低氣溫、年降水量、年降雨日數三個指標均達到最大值，年平均氣溫與年平均最高氣溫接近于最大值。負向指標中，年日照時數與年極大風速均接近于最小值，因此，該年氣候溫和，雨水豐沛，氣候特征明顯。

街區空間形態子系統指數評價研究區街區空間的緊湊發展程度。數值越高，街區空間形態的緊湊程度越高。如圖3，長興縣12 個樣本街區空間緊湊度數值在（0.202～0.766）之間，且有67%的樣本街區空間緊湊度大于中值0.500，總體而言，長興縣樣本街區多符合緊湊發展模式。其中，陳塘村因其土地混合度、建筑密度、道路線密度及道路面密度均達到樣本中的最大值，其街區空間緊湊度最高。

圖3 子系統評價指數與系統協調度均值關系分析（圖片來源：作者自繪）

2.2 系統協調度評價結果

將兩系統評價指數帶入協調度模型，共測得該系統156 個靜態協調值。將計算結果參照表2中協調度等級劃分標準進行評估，共測得6 種協調度等級。其中，達到優質協調水平的結果共計83個，占比53%；位于初級協調至良好協調水平的結果共計58 個，占比37%；處于勉強協調及瀕臨失調水平的結果共計15 個，占比10%；不存在輕度失調及以下情況。總體來看，長興縣各街區空間模式對當地氣候背景的適應性處于較高水平。

2.3 各子系統綜合評價指數與協調度關系

如圖3 左圖所示，將街區空間緊湊度與系統協調度均值數據采用多項式函數進行擬合，結果顯示擬合優度值為99.89%，呈現“拋物線”型，關系式為：

擬合曲線中街區緊湊度達到一定閾值0.444（略高于樣本最大值0.435）時，研究區街區空間形態對氣候的適應性最強。該結果表示，在長興氣候背景下，該地區街區空間緊湊度最適宜水平存在閾值。街區空間緊湊度越接近于閾值，其與城市氣候的協調性越高，對城市氣候變化的響應程度越高。

如圖3 右圖所示，將氣候評價指數與系統協調度均值數據采用多項式函數進行擬合，結果顯示擬合優度值為99.88%，關系式為：

擬合曲線中，氣候評價指數達到閾值0.528（略低于樣本實際值0.529）時，兩系統的協調性最強。即就長興而言，氣候的溫和濕潤程度越接近于0.528，現有的空間形態對氣候的適應性越強。

從上述結果來看，地域氣候背景對地區城鎮空間發展模式具有直接的影響。不同的氣候背景對城市的空間形態提出不同的要求。就促進系統協調度而言，地域氣候的溫和濕潤程度與街區空間緊湊度均存在臨界值。緊湊城市是一種實現城市可持續發展的有效的空間策略[26]。而緊湊空間并非一味追求高密度，高混合。學者方創琳等針對我國城市發展的現狀提出，緊湊發展并非一味地提高建筑層數、建筑密度，而因根據實際用地情況，尋找“有效節約用地與合理城市功能”之間的平衡點[2,27]。本研究結果進一步證明，在街區空間規劃中，不能無限制地加強其開發強度，而因綜合考慮其舒適度與環境效益等，探索適宜當地發展的街區空間模式。

2.4 兩子系統綜合作用下的協調度特征分析

協調度展現了兩系統彼此適應的程度。協調度包括低水平協調與高水平協調。如表3 所示，將氣候子系統評價指數與街區空間緊湊度指數均按照從大到小的順序排列，街區空間緊湊度呈現低、中、高緊湊度三種不同緊湊程度的開發模式；氣候呈現低、中、高三種等級的溫和濕潤程度。將協調值位于（0.900～1.000）即達到“優質協調”水平的結果進行標記，在兩系統共同作用下，協調度呈現明顯的高水平協調區與低水平協調區。其中，高水平協調區中，“氣候系統—街區系統—協調度”呈現“高-高-高”“中-中-高”“低-低-高”，三種組合形式，即當氣候系統評價指數與街區空間緊湊度處于同一水平時，兩系統協調度處于較高水平。且當兩系統均處于過渡階段，即中等程度時，兩系統的匹配程度最高，協調度均值呈現最大值（0.915～0.924）。而當兩系統綜合水平差異較大時，兩系統協調度處于較低水平。

表3 協調度特征分析（表格來源：作者自繪）

此外，通過對街區樣本所處位置(新城/老城)進行分類識別，結果顯示，在“高-高-高”類別的6 個街區中，有1/2 位于老城區，1/2 位于新城區；在“中-中-高”類別的3 個街區中，多數位于新城區，少數位于老城區；而在“低-低-高”分類中，全部為新城區。總體來看，老城區的街區空間緊湊度普遍較高，且老城區街區空間相對新城區的街區空間對地域氣候變化的響應程度更高。

氣候問題與城市問題的關聯性一直是學者們關注的話題，城市如何應對氣候變化，如何緩減氣候變化，針對不同氣候區及不同尺度，應有針對性地研究響應氣候變化的規劃設計策略，提升城市環境的宜居性。研究表明，老城區在長期的聚居歷史中集成了人類聚落建設智慧，形成一系列有效的氣候適應性策略，通過對傳統設計策略的提取和優化，將有助于增強城市應對氣候變化的彈性[28]。

結語

通過空間規劃設計增強城鎮應對氣候變化的彈性，以此來減輕或規避氣候變化帶來的不利影響，不失為應對氣候變化的良策。本研究通過構建長興地區氣候系統與街區空間系統之間的協調度評價模型，得出以下結論：

（1）降水、氣溫兩類指標對長興縣溫和濕潤的氣候系統評價貢獻最大，達到64%；土地開發強度、土地集約利用兩類指標對街區空間緊湊度評價影響最大，達到60%。總體而言，長興縣氣候的溫和濕潤指數在2005—2017 年呈波動上升趨勢，其街區空間則多符合緊湊發展模式要求。

（2）就促進系統協調度而言，地域氣候的溫和濕潤程度與街區空間緊湊度均存在臨界值。本研究中，理想狀態下氣候溫和濕潤程度的系統臨界值為0.528，街區空間緊湊度的系統臨界值為0.444。

城鎮空間是人類居住、工作、游憩的場所。街區空間形態作為城市空間的縮影，更加直觀地表現了城市空間發展模式并影響著人類的生活狀態與舒適程度。受限于數據獲取，雖然無法精確完整地體現局地氣候構成要素與街區空間形態要素相互作用的深層內涵，但本研究對街區空間緊湊度對溫和濕潤氣候環境的適應性進行了探索性評價。通過在后續研究中增加人文要素及人類舒適程度相關指標，可以進一步分析適應性變化背后的原因，進而更加全面地找出系統適應性發展的規律，為以城鎮街區空間規劃設計改善城市氣候提供方向。