超大城市行政區氣候環境敏感性多尺度影響機制可視化與對策研究——以北京市豐臺區為例

楊 鑫 高雯雯 傅 凡 李 莎

1 研究背景

柳葉刀健康與氣候變化委員會認為，應對氣候變化是21世紀改善全球健康的最大機遇[1]。2015年的一項研究顯示，全球平均有7.7%的死亡歸因于高溫或低溫。2017年，中國65歲以上人群中更易受極端高溫影響的比例達到31.3%，這一數字相比1990年增長了25%[2-3]。研究表明，環境因素對人體健康有著不可忽視的影響。在《塑造鄰里：為了地方健康和全球可持續性》一書中，提出了“聚居地健康示意圖”，強調了物理環境因素對于社區健康和鄰里幸福的影響[4]。

城市尺度下的氣候環境研究在城市規劃領域已有很多理論與實踐成果。葉祖達等提出建立城市規劃方案熱島效應預測模型，在傳統控規指標中引入熱島效應控制指標[5]。由華南理工大學建筑節能研究中心主編的《城市居住區熱環境設計標準》(JGJ 286—2013)將熱島效應作為居住區評估標準，使城市熱環境有可能通過城市規劃與設計環節得到控制。20世紀50年代，德國應用氣象學者開始研發城市氣候地圖，用于在城市氣候學與城市規劃之間建立聯系，進而引導城市規劃有效緩解霧霾和熱島等城市氣候問題。中國學者針對北京、廈門、深圳等城市進行氣候地圖的研究成果也比較豐富。在城市氣候地圖研究與應用中，分層繪制的氣候地圖將綠地空間作為一個重要的綠色下墊面，對整個城市的氣候地圖具有非常重要的影響，包括空氣污染、通風、日照、熱環境等方面[6-8]。德國國家標準編號VDI3787的城市氣候環境條例中，城市環境氣候圖研究包括熱環境分析、風環境分析和空氣污染分析[9]。自2006年，香港中文大學吳恩融教授的團隊開始針對高密度城市進行城市氣候地圖的研究，將土地利用信息、地形地貌、植被及風環境納入考慮，還包括建筑、街道和室外開敞空間等信息。同時，香港城市環境地圖也采用人體生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)評估結果來定義其氣候空間單位，劃分“城市氣候敏感區域”[10]。

近幾年，基于不同尺度的精細化城市氣候環境研究逐漸成為熱點。萊瑟(Leser)首次提出精細氣候區劃(Klimatope)，是指某一地區范圍內氣候區劃的最小單位。目前，制作精細氣候區劃圖是描述與評價某一地區城市氣候狀況的有效方法，已經在很多德國城市中得到應用。其中，氣候地圖的基礎分辨率被設定在7.5m×7.5m尺度內，在微觀層面將風環境、熱環境納入城市規劃決策因子之中。另外，基于城市行政區的氣候環境研究主要針對超大城市展開。李春玲等針對北京海淀區研究了1975—2019年氣溫變化特征[11]；秦明凱針對北京豐臺區50年的年日照時數展開變化規律研究[12]；岳溪柳等以北京各個行政區為單位分析了氣候承載力與差異性[13]；李陽等針對北京昌平區開展了古氣候相關研究[14]；吉辰等利用上海嘉定區9個氣象站數據分析了該區氣溫與降水特征[15]。以上研究多選擇超大城市，以行政區為研究對象，進行城市尺度下更細致的氣候環境要素分析。

小尺度下的城市氣候環境研究主要針對小氣候展開實測分析與模擬。在全球氣候變化備受關注的大趨勢下，各國政府及聯合國環境規劃署等相關機構已經把城市局地的小氣候變化作為氣候環境研究的重點，而如何通過合理的城市改造和管理應對氣候變化也成了研究的前沿領域。劉濱誼、張德順等研究了城市廣場、濱水空間等城市開放空間小氣候環境與人體舒適度情況[16-17]；董蘆笛等針對西安地區城市戶外活動空間小氣候環境展開測量與分析模擬[18]；彭海峰等研究了校園活動空間的小氣候環境特征[19]；菲納瓦(Finaeva)針對意大利城市公共空間小氣候環境展開研究[20]；筆者針對北京城市街區空間開展實測與模擬，提出街區綠地空間格局的小氣候環境優化策略[21-22]。除此之外，關于小氣候環境定點研究也取得了大量成果。尼納(Nenah)等針對雅加達地區的公寓外圍綠地開展了小氣候實測研究[23]；杰森(Jason)等針對英國卡迪夫建筑過渡空間開展了小氣候熱舒適度研究[24]。

本文從氣候環境研究入手，以超大城市下轄行政區為研究范圍，基于多尺度視角深入分析氣候環境影響機制、敏感片區情況、典型片區小氣候環境特征。本文研究對象北京市豐臺區為首都服務保障功能定位的行政區，同時承載著中心城區通風廊道與生態融合發展區的功能，對于這一區域的氣候環境研究具有承上啟下的尺度意義。本文利用城市環境氣候地圖分析和網格化敏感等級分析，針對氣候環境展開綜合評價與分析，以期為未來這一片區的可持續健康發展提供參考。同時提出多尺度氣候環境研究在城市未來可持續發展及存量時代精細化改造設計中的重要意義。

2 研究內容概述

2.1 研究對象

本文選擇北京這一典型超大城市進行研究，氣候特點為夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，屬溫帶季風氣候。豐臺區是北京市主城六區之一，位于市區南部，總面積306km2。永定河從豐臺區穿流而過，將該區分為河東、河西兩大區域。該區西北靠山，地勢西北高、東南低，呈階梯下降，西部為山區，東部為平原，平原占區域面積的3/4。

作為北京市重要的行政區之一，豐臺區是首都和諧宜居高品質生活的服務供給重要保障，融合了商務新區、科技創新與金融服務等功能，同時也承載著對外綜合交通樞紐的重要功能。

2.2 研究方法

針對城市更新與環境改善的多尺度氣候適應性改造，在城市尺度下，可利用城市環境氣候地圖方法進行綜合分析。由于選擇的城市氣候環境要素不同，因此能夠反映城市不同方面的氣候環境敏感程度。本文以氣溫、風速、濕度和空氣污染4項氣候環境指標，結合土地利用、建筑要素、城市道路與植被覆蓋幾項建成環境要素，綜合分析北京市豐臺區氣候環境敏感性。通過明確影響城市氣候環境敏感性的二者權重比例，初步確定敏感性等級劃分依據。在此基礎上，利用ArcGIS平臺，以網格化分解方法將敏感性分析尺度降級為城市街區尺度層面，利用加權疊加分析各類細化要素，得到150m×150m敏感單元的氣候環境精細化尺度分析結果。以5個典型的高敏感片區為例，綜合分析街區尺度下的建成環境與氣候敏感性，并提出精細化改造策略。

3 城市環境氣候地圖的構建途徑

3.1 氣候要素與建成環境基礎數據分析

本文選取的氣候數據來自中國氣象數據網的中國地面氣候資料逐小時數據集，時間為2020年5—6月，重點研究夏季氣候環境，覆蓋全天逐小時實時監測，數據量較大，進行氣候環境特征分析能夠得到明顯規律變化。氣象指標包括最高氣溫、最大風速和最小相對濕度3項主要指標。另外，選用AQI即空氣質量指數評價空氣污染情況。

豐臺區建筑和道路數據來自網絡開放共享數據，植被覆蓋率數值通過2019年7月高精度遙感衛星獲取。土地利用類型通過自然資源部發布的2020年最新土地覆蓋數據進行整理歸納。根據北京城區的建設特點，將城市用地分為裸地耕地、建筑用地、綠地(林地、草地、公園)、人造地表(廣場道路)、河流湖泊5類(表1，圖1)。建筑要素方面，依據《住宅設計規范》(GB 50096—2011)、《民用建筑設計通則》(GB 50352—2005)，將建筑高度劃分為低層、多層、小高層、中高層、高層、超高層。城市道路要素方面，包含城市快速路、城市主干路、城市次干路、支路。植被覆蓋要素方面，包含耕地、林地、草地、灌木地、河流湖泊(圖2)。

圖1 豐臺區城市用地

圖2 豐臺區城市道路(2-1)、建筑(2-2)、植被(2-3)分布

表1 豐臺區城市用地分類統計

3.2 氣候敏感性權重與等級分析

城市氣候要素與建成環境要素共同作用于氣候環境敏感性結果，但權重有所不同。建成環境要素對城市氣候有較大程度的潛在影響。劉姝宇等總結了城市建成區對市區的氣候要素影響較鄉村環境而言更大，氣溫方面，建設用地面積每增加10%，氣溫就上升0.3K(熱島強度指標)，當50%的地表被混凝土或瀝青覆蓋時，氣溫則上升1.5K[25]；喬治等則選用主成分分析法比較了影響城市熱環境的主要因子，其中植被覆蓋率貢獻度最大[26]；鄭祚芳等在對北京夏季極端高溫影響的數值研究中，驗證了城市下墊面相比郊區下墊面具有更低的反射率(前者為10%，后者達18%)，具有更高的感熱吸收[27]。綜上所述，本文結合多位學者的研究結果，將影響城市氣候環境敏感性的兩方面因素權重界定為建成環境影響值80%和氣候環境要素20%。其中，建成環境要素方面，建筑密度、建筑高度、路網密度對建成環境敏感區的影響都是正向的，即密度越大，環境越差，敏感度等級越高；植被覆蓋率則是負向影響。氣候要素方面，4項指標權重設置為等效影響。

另外，針對氣候環境敏感性分類等級的劃分，不同學者提出了不同的劃分依據。奧克(OKe)提出了“局地氣候區”(LCZ)概念；米斯(Mills)通過建立大量的城市熱島分區后，優化了LCZ的分類等級，簡化為LCZ 1～6。周易在碩士論文中，結合研究區域的情況，綜合參考2位學者的分類等級，將深圳局地氣候區劃分為LCZ 1～6，并開展相關氣候環境的研究[28]。針對豐臺區高密度建成區和高度城市化的特點，采用米斯提出的6類等級劃分，評估等級為1～6，其中1為氣候敏感性最優區域，6為氣候敏感性最差區域。

4 基于網格化方法的氣候環境敏感性分析

4.1 網格化尺度選擇依據

基于城市環境氣候地圖分析，利用網格化方法精細化分析街區層面的氣候環境敏感性情況。德國學者將城市氣候研究尺度劃分為3類，即宏觀尺度(柵格尺寸1km)、中觀尺度(柵格尺度50m～1km)、微觀尺度(柵格尺度5～200m)；奧克認為城市氣候也分為3個尺度：中尺度、局地尺度和微尺度。本文網格化單元尺度選擇重點放在中觀尺度和微觀尺度上，其空間單元控制在80～200m，空間單元符合小氣候的研究尺度[9，29]。

網格化的分析方法是將城市片區尺度的氣候環境分析降級至街區尺度的小氣候環境分析的重要途徑。在街區尺度方面，適宜尺度的選擇應傾向于把街區的合理規模尺度控制在200m以內，其中50～100m的街區規模尺度是相對更適應于現實生活需求，且更為普遍存在的尺度范圍[30]。《綠色尺度》一書中同樣認為，70m×70m至100m×100m的建筑群可容納大多數街區功能，是一個滿足基本生活需求的尺度范圍[31]。

綜上所述，本文以150m×150m為基本網格單元，對城區氣候敏感性展開研究。

4.2 基于街區尺度網格單元的氣候環境敏感性分析

利用ArcGIS軟件平臺加權疊加分析豐臺區建成環境要素和氣候環境要素共同作用下的氣候環境敏感性分布情況，以150m×150m網格單元劃分像元大小，最終獲得豐臺區氣候環境敏感等級(1～6)分布圖(圖3)。

圖3 豐臺區氣候環境敏感區分布

從氣候敏感性分布圖能夠發現，豐臺區的中部整體處于氣候敏感性最高區域；東部區域氣候敏感性也比較高，多為城市建設用地和工廠等；西部山區最為明顯，整片區域都處在氣候敏感程度較好區域，說明大型城市綠地或公園對于城市片區氣候有較大影響。

對建成環境影響要素進行綜合分析，結果顯示，豐臺區中部氣候環境敏感性高的區域，其建筑密度大、建筑高度高、植被覆蓋率低、路網密度高，這5類影響因素導致了局部氣候敏感性程度增加(圖4)。落位氣候環境敏感區，中心部位為高密度高樓層的居住小區和密集的城市主要道路；西四環區域則是集中的鐵路軌道和交通樞紐站；中心偏南部分為低樓層，但密度高的批發市場區域。

圖4 豐臺區建成環境要素分析

5 街區尺度5個氣候環境高敏感片區分析

5.1 典型片區區位特征

5個高敏感片區均處在城市交通干道周邊，六里橋樞紐區、宏豐線纜批發市場和岳各莊批發市場位于京港澳高速和西四環中路周邊，宏豐線纜批發市場緊鄰城市鐵路軌道，花鄉花卉市場和新發地批發市場則位于京開高速和南四環西路兩側，城市鐵路軌道貫穿其中。從片區的屬性特征來看，4個為批發市場，1個為交通樞紐，氣候環境的敏感性與片區的用地性質有很大關聯(圖5)。

圖5 5個敏感區所在區位分布

首先，結合《北京城市總體規劃2016—2035年》的目標，5個高敏感片區的新發地批發市場位于二級通風廊道周邊，其環境的提升有助于通風廊道的構建，緩解城市環境問題；其次，根據《豐臺分區規劃(國土空間規劃)(2017—2035年)》的發展戰略，花鄉花卉市場是重要的花卉供給保障區，新發地批發市場是豐臺區內較為重要的生活保障類節點，以二者為代表的專業市場要向綠色化、集約化、智能化方向改造升級；同時規劃還提出，生態融合發展帶兩側城市空間的提升改善，新發地市場區域落位于豐臺區生態融合發展帶上，其空間環境的改造也是豐臺綠色生態空間發展的重點部分之一。

5.2 建成環境要素特征分析

針對5個典型片區建成環境要素進行街區尺度下的精細化研究，綜合分析影響豐臺區氣候環境敏感性的要素類別與主要原因(表2)。

表2 5個敏感片區建成環境要素統計

續表2

根據分析數據結果能夠看出，植被覆蓋率低、建筑密度較大、路網密集程度高這三大方面是主要影響因素。同時，地表覆蓋即下墊面對敏感性也有一定程度的作用。5個典型片區性質相似，廣場、道路較為集中，多為不透水路面和瀝青柏油材質道路，導致區域熱環境較差(圖6、7)。

圖6 5個典型片區敏感等級

圖7 5個典型片區衛星圖及網格單元

5.3 街區尺度精細化改造策略

5個氣候高敏感片區中，六里橋交通樞紐區集公交、長途、出租、地鐵于一體，是以省際客運為主的綜合換乘樞紐，周邊混有居住區和商業建筑。該片區敏感等級分布均勻，處于4、5級的高敏感等級。針對路網密度大、建筑密度高、植被覆蓋率低等建成環境特征，應優先考慮提升道路與立體交通的綠化，增加植被覆蓋度，其次增加交通基礎設施的綠色屋頂與垂直綠化改造，緩解交通樞紐區的熱島效應。

其他4個片區均為豐臺區批發市場區域，建筑環境具有相似性，其中岳各莊建筑密度和路網密度均為最高，其敏感等級也最高。批發市場這一特殊城市區域具有較高的人工熱源排放，相對其他功能區具有建筑高度較低、密度較大、集散廣場較多、綠地化覆蓋率低等特點。應合理規劃公共交通，提高物流集散效率；集散廣場采用生態環保材料以降低反射率；合理豐富植物種植層次，降低人工熱源排放量；利用綠色停車場、臨時盆栽植物、垂直綠化等方式增加植被覆蓋度。

總結街區尺度更新精細化改造策略與模式，包括規劃層面、建筑層面和景觀層面。這3個層面是城市人居環境的主要組成部分，彼此緊密相連，共同對人居環境改善產生作用。3個層面共提出10種改造方式，如表3所示。

表3 豐臺區氣候環境改善的街區尺度改造模式與策略

6 結論

1)多尺度氣候環境研究的指導意義。

對超大城市而言，各尺度層級下的研究成果不貫穿造成了城市建設中氣候應對措施的低效性。其中，小氣候環境影響因素復雜多變，在氣候環境的多尺度研究框架中，需要更大尺度的研究支撐引導。以北京豐臺區為例，5個氣候敏感片區中以批發市場功能為主，在北京市域尺度下，這一功能空間的氣候環境如果不能得到重視與改善，將直接影響豐臺區生態融合發展帶這一規劃定位，從而造成市域層面通風廊道建設、生態綠色環境建設等方面的不足。從城市片區尺度，不同功能定位的敏感區應采取不同的治理措施，結合現狀城市發展情況，進行差異化改造與管理。

2)氣候環境改善的精細化趨勢。

在城市規劃存量時代的大背景下，更新改造的“繡花功夫”是提升城市環境質量的有效手段，這對氣候環境改善提出了挑戰。近年來的城市氣候研究重點已轉為局部氣候環境，但仍有待進一步深入發展。數字化研究工具的發展提供了極大便利，動態模擬、仿真模擬與情景預測等手段為小氣候環境的精細化改善提供了基礎。

本文針對豐臺區氣候高敏感城市片區的分析，聚焦城市規劃與現狀發展2個層面。而針對街區尺度下的改善策略手段是基于存量更新基礎上的總結，通過“針灸式”的改善策略實現有的放矢、資源節約，能夠為中國其他超大城市行政區尺度下的氣候環境改善提供借鑒參考。

3)多尺度氣候環境改善的政策支持。

中國《國家適應氣候變化戰略》和《中國應對氣候變化國家方案》雖然都提及要促進多部門數據共享，但是沒有規定實現適應信息共享的機制和細則，落實起來較為困難[32]。國土空間規劃倡導多規合一下的全域全要素統籌協調[33]，其中，氣候應對策略既是生態優先指導思想層面的引領，也是具體規劃過程中的重要環節。氣候環境不應是規劃的考慮因素之一，而應是具體落實在藍圖中的一項內容，與土地利用規劃和建成環境優化環環相扣。尤其針對超大城市的各個行政區域而言，其氣候環境可能存在不同特征及區劃范圍。在具體的更新改造方案設計中，小氣候環境營造應是設計過程中重要一步，應納入落地方案的具體實施細節中。

決策者應該考慮根據城市發展的自身特點和規模來實施恰當的方案，重視“國土空間尺度-城市尺度-行政區尺度-街區尺度”的研究框架，制定能夠合理評估城市氣候的研究體系，有效發揮決策的作用。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝清華大學龍瀛老師對研究數據的支持。