粵港澳大灣區高溫災害韌性評估與提升策略

陳天 劉君男

關鍵詞：高溫災害；WRF；韌性評估；粵港澳大灣區

0 引言

隨著全球氣候變暖、城市化以及人類活動強度和范圍的不斷擴大，暴雨洪澇、高溫熱浪、干旱、風暴潮等極端氣候事件頻發，嚴重威脅人類社會的健康安全與可持續發展。近年來， “韌性”逐漸成為應對極端氣候災害的重要理論。一方面，韌性理論強調城市社會、經濟、物理、生態、制度等系統在災害中的綜合應對能力，突破了傳統工程防災的單一思維。另一方面，韌性理論重視災害管理的動態性和長期性，既關注傳統防災的短期應急計劃和中期緩解策略，也關注長期的災害預測和動態管理[1]，更適應突發性和不確定性兼具的極端氣候災害。自2005年第二屆世界減災會議將“韌性”納入災害領域以來[2]6，世界多地制定了“韌性城市”的規劃戰略和實踐行動，如2013年洛克菲勒基金會啟動的“全球100個韌性城市”項目[3]64，鹿特丹的《韌性鹿特丹策略2022—2027》[4]，紐約的《一個紐約2050——建立一個強大且公平的城市》[5]等。2020年，“韌性城市”寫入我國“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，成為我國城市治理與建設的重要戰略導向。

當前災害韌性研究多聚焦于洪澇、地震、颶風等對社會經濟產生重大直接影響的災害[6-7]，而高溫災害因其影響具有滯后性和間接性，研究相對匱乏。根據IPCC的AR6，當全球升溫2℃，極端高溫事件的發生概率和置信度顯著高于極端降水、熱帶氣旋、干旱等災害[8]，亟需構建應對高溫災害的韌性體系與策略，以警惕高溫“灰犀牛”事件對人類社會的沖擊。其中，城市群或巨型城市尤其應重視高溫災害韌性建設。一方面，人口、資產與經濟活動高度集中的城市群或巨型城市災害脆弱性較高。根據聯合國《2018年世界城市化前景修訂報告》[9]，世界約55.3%的人口居住在城市，其中約13%居住在城市群或特大城市中，到2030年，城市人口比例預計增至60%。人口數量持續增長將給城市群或巨型城市的可持續發展帶來更大挑戰。另一方面，較強的城市熱島效應加劇了城市群或巨型城市的高溫危險性，如歐洲和北美近年來高溫熱浪和山火頻發[10]，2022年我國華南、中南、西南及華東地區的超大與特大型城市深受高溫災害影響，極端高溫災害及其引發的次生災害給世界多地的社會經濟和人類生命財產安全帶來了重大不利影響。

據此，本文首先構建了適用于高溫災害的韌性概念框架，為高溫韌性評估與優化行動提供理論依據；其次，基于多源數據集探討高溫韌性評估模型與技術方法；最后，以粵港澳大灣區為例，評估并分析大灣區高溫韌性的時空分異特征，并基于概念框架與評估結果提出高溫韌性的提升策略。本文的研究成果將為其他存在高溫災害風險的城市群或巨型城市風險應對提供理論、技術方法與應用借鑒。

1 高溫災害韌性概念框架與評估體系構建

1.1 高溫災害韌性概念框架

1973年，生態學家Holling[11]首次提出“韌性”概念，將其定義為“系統吸收變化和擾動，并持久性保持種群和狀態變量之間穩定關系的能力”。20世紀90年代以來，韌性研究逐漸從生態學拓展到工程、社會、經濟、城市安全、氣候變化等領域[12]，其概念與內涵得以不斷豐富與發展。在災害領域，韌性通常被定義為以最小的影響和損失應對災害的能力，側重于通過提高工程系統和社會系統韌性減少或避免損失、控制災害影響和以最小的社會干預進行恢復的能力[13]600， [14]735。如聯合國國際減災戰略將其定義為“暴露于災害中的系統、社區或社會及時有效地抵御、吸收、容納、適應、轉變和從災害的影響中恢復的能力，包括通過風險管理來保護和恢復其基本結構和功能的能力”[15]。Meerow等[16]將其定義為“城市系統及其構成的社會生態和社會技術網絡在面對干擾時保持或快速恢復預期功能、適應變化以及快速改造限制當前或未來適應能力的系統的能力”。此外，也有學者對單一災種韌性進行了定義，如Bruneau等[14]735將社區地震韌性定義為“組織、社區等社會單元在地震發生時減少災害影響，并在災后開展恢復行動的能力”。為推動韌性理論向實踐應用轉化，有關學者構建了涵蓋韌性特征、維度和過程的概念模型，為韌性城市建設提供可操作性的實用工具[17]（見表1）。

依據既有研究成果和高溫災害特征，本文將高溫災害韌性定義為城市系統（物理、自然、經濟、制度、社會）[21]101628能夠吸收并減緩高溫災害干擾，維持或快速恢復系統正常功能，并通過適應性改造提升城市應對未來高溫災害與變化的能力。其中高溫災害干擾是指夏季中尺度的高溫擾動，對城市系統的干擾主要表現為導致電力設施（物理系統）超負荷運行、影響人的健康與安全（社會系統）、增加醫療資源供應壓力（社會系統）等。城市系統吸收擾動主要表現為通過利用自然系統的局地通風降溫能力、提升制度與經濟系統的災害管理與救助能力、提升物理與社會系統的資源供應能力等降低高溫擾動程度。本文進一步構建了高溫災害韌性概念框架（見圖1），明確了韌性的維度、過程、特征、測度及行動的概念化流程，為后續定量化評估及策略制定提供依據。在維度方面，考慮物理系統（基礎設施）、自然系統（生態和環境）、經濟系統（社會和經濟發展）、制度系統（治理行動與政策）及社會系統（社會和人）與高溫災害韌性的相互影響，影響機制在表2的指標選擇依據與描述中詳細闡述。在過程方面，構建了包括災前、災時和災后（短期與中長期）的全流程韌性測度與優化體系，并從準備性、抵抗性、恢復性、適應性和轉化性等層面測度城市系統的應災能力。在韌性行動方面，通過韌性等級劃分與關鍵問題識別、資源與機會評估，分級分類提出提升城市系統魯棒性（robustness）、快速性（rapidity）、智謀性（resourcefulness）和冗余性（redundancy）的行動戰略，提升地區應對未來高溫災害擾動的能力。

1.2 高溫災害韌性評估體系

既有韌性評估包括定性與定量兩大類。定性評估多以城市、區域等宏觀尺度為對象，通過專家問卷、訪談等對氣候變化應對、綜合防災、可持續發展等韌性議題提出描述性評價，適用于地區規劃戰略和決策的制定與審查[20]314， [23]。定量評估是精準識別城市韌性水平和痛點的重要過程。在評估維度方面，既有研究多聚焦于建筑物[24]249、基礎設施[25]、社區[26]、開放空間[27]或城市系統整體[28]608。評估對象包括地震[24] 249、洪澇[29]266、火災[30]、颶風[31]等單災種或多災種[2]5。對于高溫災害韌性評估，囿于數據的時空精度限制，目前多以靜態的高溫風險[32-33]和脆弱性評估[34-35]為主，缺乏動態的應災全過程評價，無法全面測度高溫災害韌性。評估方法主要包括性能曲線法[36]、復雜網絡法[28]609和綜合指標評價法[2]6等。性能曲線法是通過構建易損性和恢復性函數，評估工程設施的易損程度和性能恢復速度及程度[37-38]，但忽略了社會經濟等系統對韌性的影響，也未考慮系統通過適應性學習與轉化適應未來災害的能力[2]6。復雜網絡是由一組節點（如建筑物、開放空間、人員和道路交叉口）和連接線（如道路和虛擬連接）組成的圖，通過評估節點的連接性和可達性來評估城市系統韌性[20]321， [28]611，但此方法只考慮了城市系統的一體化狀態，忽略了災害應對的動態性。綜合指標評價法是基于韌性概念框架，從多個系統維度構建韌性評價指標體系[2]6， [13]603， [29]267，具有較高的綜合性、靈活性和實用性，已在國內外被廣泛應用。

本文基于高溫災害韌性概念框架（見圖1），采用綜合指標評價法從4個階段（災前、災時、災后—短期、災后—中長期）（見圖2）、5個維度（物理、自然、經濟、制度、社會）構建全過程、全系統的韌性評估體系。災前韌性取決于城市系統的備災水平，由高溫敏感性和適應能力綜合表征，敏感性越低、適應能力越高則備災水平越高。敏感性是指承災體的易受干擾程度，主要由城市基礎設施的魯棒性、人群暴露度及身體健康水平等因素決定；適應能力是指社會、經濟與物理系統的應災能力，主要受醫療設施、經濟水平及避災空間的冗余度影響。災時韌性和災后短期韌性是指在中尺度的高溫擾動下，城市各系統抵抗擾動并快速恢復系統功能的能力。根據抵抗與恢復的作用機制，抵抗性與恢復性的韌性主體可以劃分為兩大類。韌性主體之一為自然系統，即依賴于合理的藍綠空間布局和建筑空間形態、應用綠色建筑技術等措施，提升自然系統的蒸騰降溫、通風散熱能力，降低局地炎熱強度及局地高溫持續時間，從而抵抗與吸收中尺度高溫擾動，快速恢復正常溫度水平。自然系統韌性可通過地區實際氣象數據或數值模擬氣象數據測度。韌性主體之二為城市物理、經濟、制度和社會系統，即依賴于各系統的工程韌性、資源供應、經濟保障、治理效率等，提升城市應災能力。由于與災前韌性測度指標部分重合，且這部分指標在災前進行充分考慮更有利于提升應災韌性，因此災時與災后短期韌性僅對自然系統這一韌性主體進行測度。災后中長期韌性依賴于城市通過提升社會治理能力、重視科技創新與研發，對系統進行適應性重構與轉化，以提升城市應對未來高溫災害的能力。本文綜合考慮高溫災害特征、既有研究指標選取方法、大灣區城市建設實際及數據質量與可獲得性，構建高溫災害韌性評估指標體系，并通過層次分析法確定指標權重[29]270， [39]。指標選擇依據及具體測度方法詳見表2和章節2研究方法部分。

2 研究方法

2.1 研究區概況

粵港澳大灣區包括珠三角九市（廣州、深圳、佛山、東莞、中山、珠海、惠州、江門、肇慶）和香港、澳門特別行政區（見圖3），地處我國東南沿海，屬南亞熱帶濕潤季風氣候，具有終年高溫、光照充足、夏季長等氣候特征。《2021年粵港澳大灣區氣候監測公報》顯示，近年來大灣區平均氣溫呈逐年上升趨勢，且高溫日數和強度增多增大，加之夏季濕度較高，極易發生威脅人類健康的極端高溫事件。同時，大灣區作為國家級城市群，人口與經濟資源密集，災害脆弱性較高，亟需通過韌性理念提升城市應對高溫災害的能力。考慮數據的完整性、時效性、可獲得性及大灣區高溫時段分布特點（見圖4），選擇2020年7月作為研究時段。

2.2 評估指標確權與模型構建

首先利用yaahp軟件通過層次分析法確定各指標權重（見表2），其次通過極差法（公式1、公式2）對各指標進行標準化處理，最后利用ArcGIS平臺統一數據空間精度并進行加權運算，獲得大灣區高溫災害準備性、抵抗性、恢復性、適應性與轉化性及韌性評估結果。

式中：Yi為第i個（i = 1，2，3……n）指標的標準化值，數值范圍[0，1]；Xi為第i個（i =1，2，3……n）指標的真實值，Xmax和Xmin分別為同類指標真實值中的最大值和最小值。

2.3 WRF數值模擬

抵抗性與恢復性指數均基于天氣研究與預報模式WRF（Weather Research and Foreca-sting Model）模擬結果，該模式已被廣泛用于城市熱環境研究[48-50]。本次模擬包括2個單向嵌套域，水平分辨率分別為 9 km（101×91）和3 km（166×130），內層嵌套域覆蓋研究區范圍，采用多層城市冠層模型（BEP/BEM）。垂直方向分為51層，頂層50 hPa。土地利用數據采用中分辨率成像光譜儀（MODIS）全球土地覆蓋數據（30-s），初始和邊界氣象數據采用歐洲中期天氣預報中心的ERA5再分析數據。物理參數化方案見表3。通過模擬得到大灣區2020年7月的2 m高度氣溫和相對濕度數據，時空精度分別為1 h、3 km。將模擬得到的各區縣平均溫度（Tavg）和平均相對濕度（RHavg）數據與氣象站點觀測數據進行對比（見圖5），Tavg的平均絕對誤差和均方根誤差分別為0.2730、0.3435，RHavg的平均絕對誤差和均方根誤差分別為1.7738、1.9071，表明模擬結果有效。

2.4 抵抗性與恢復性指數計算

本文以炎熱強度和炎熱指數超閾值平均連續天數表征抵抗性與恢復性。依據《高溫熱浪等級GB/T 29457-2012》測度方法（公式3、公式4），對模擬得到的氣溫與濕度數據進行運算，得到大灣區日均炎熱指數（TI）、月均炎熱指數（TI_m）、TI超閾值的總天數（D1）及TI超閾值平均連續天數（D2）等變量。其中抵抗性指數綜合考慮高溫強度（TI_m）與發生頻率（D1），依據公式5計算獲得。恢復性指數由D2表征。本文炎熱指數閾值設定為高級別范圍的下限值87.46（見圖7c）。

式中：Tmax為日最高氣溫（℃），RH為日平均相對濕度（%），TI_m為TI的月均值，D1為TI超過87.46的總天數。

3 粵港澳大灣區高溫災害韌性評估結果

3.1 準備性評估

對大灣區的高溫敏感性和適應能力進行標準化處理并加權運算后，得到準備性評估結果（見圖6）。廣州、深圳、珠海、中山、佛山、東莞、香港的大部分區縣準備性指數較高，雖然這部分地區的人口密度較高，但除香港及幾個城市的老城區外，其他區縣的老齡化水平較低，且經濟社會發展水平較高，醫療、基礎設施等資源較完備，因此高溫災害敏感性較低、適應能力較高。但廣州的越秀、荔灣、海珠、天河以及深圳的福田、羅湖，由于人口老齡化且部分地區醫療與避災空間匱乏，因此準備性指數較低、備災能力不足。此外，肇慶、江門、惠州等外圍城市，由于老齡化程度高、電力設施脆弱、社會經濟水平不高等原因，備災能力不足。澳門雖經濟發達，但由于高人口密度與老齡化，以及醫療資源不足，導致整體備災能力較弱。

3.2 抵抗性評估

由圖7a和圖7b可以看出，大灣區平均最高溫度呈中間高、四周低的圈層式布局，平均濕度則相反。對溫濕度進行綜合計算，得到月均炎熱指數（見圖7c），可見除濱海地區及北部山區外，多地為高和中高炎熱區。其中，大灣區核心區外圍的新會、鶴山、高要、三水、花都、增城、博羅、惠城、南沙等地形成了最高等級的炎熱連綿帶，一方面受熱島效應顯著的內灣核心區的高溫輻射影響，另一方面受在地密集水網的高濕影響，成為高溫高濕炎熱帶。越秀、荔灣、海珠、天河等地，以及中山市與東莞市北側雖然濕度較低，但由于城市開發強度、不透水面比例及人為熱排放水平較高，且海風難以深入，故成為次級炎熱中心。總體來看，大灣區炎熱指數呈“一帶一心”格局。對大灣區一個月內炎熱指數超過87.46的總天數進行統計（圖見7d），可以看出炎熱天數與炎熱指數的空間分布特征基本一致，高炎熱指數地區也面臨著高炎熱頻率的脅迫。

對炎熱指數與天數進行綜合計算，得到炎熱強度（見圖7e），總體上依然呈“一帶一心”格局。對炎熱強度進行標準化處理和重采樣，得到分區精度的抵抗性指數（見圖7f）。由圖7f可見，濱海地區及北部山區得益于自然環境的優質自調節能力，可有效抵抗高溫擾動。越秀、荔灣、禪城等內陸超高溫核心建成區，以及其外圍的三水、花都、黃埔、南沙、番禺、四會、江海等高溫高濕區的抵抗性較差，極易受到高溫擾動。

3.3 恢復性評估

持續性高溫嚴重危害人體健康、生態安全和農業生產，并對救災設施與資源供應帶來巨大壓力。大灣區的高溫持續日數普遍超過3.67 d，最長達26 d之久（見圖8），可見大灣區高溫災害的恢復性較差。從空間格局來看，高溫持續日數與炎熱強度（見圖7e）基本一致，持續日數超過6.43 d的地區呈“一帶一心”分布。對持續日數進行標準化計算與重采樣，得到恢復性評估結果（見圖9），其中三水區恢復性能最低，西部內陸地區次之。

3.4 適應性與轉化性評估

適應性和轉化性是提升城市應對未來災害復雜性與不確定性的關鍵，主要依賴于科技研發與創新，以及城市管理與建設部門落位科技成果的能力，由于后者難以準確量化評估，因此本文以研究與試驗發展經費的投入強度表征適應性與轉化性。由圖10可見，深圳、珠海、東莞和廣州的適應性與轉化性水平較高，而香港、澳門、肇慶和江門等地的研發投入強度較低，難以應對中長期的災害挑戰。

3.5 高溫災害韌性評估

標準化處理準備性、抵抗性、恢復性、適應性與轉化性指數后進行加權運算，得到高溫災害韌性指數，運用自然間斷點分級法劃分為5個等級。由圖11可知，低韌性與中低韌性區均位于中部片區，其中廣州市的花都、海珠、番禺，佛山市的三水、南海、高明，肇慶市的四會、德慶、高要，江門市的鶴山、開平、新會、江海，惠州市的惠城等5個城市的14個區縣屬于低韌性區，廣州市的越秀、荔灣、天河、白云、黃埔、增城、南沙，佛山市的禪城、順德，肇慶市的鼎湖、封開，江門市的蓬江，惠州市的博羅等5個城市的13區縣屬于中低韌性區。

低韌性和中低韌性區應作為高溫災害防控重點區域。為探究各區縣的高溫韌性短板，以輔助城市管理部門制定差異化的干預策略，分別統計各區縣的4項指標等級，識別關鍵影響指標（見圖12）。結果顯示，各區縣韌性短板存在較大差異，其中弱抵抗性是低韌性區和中低韌性區的主要共性特征。

4 高溫災害韌性提升策略

根據高溫災害韌性概念框架（見圖1），韌性涉及多時段、多維度、多特征。同時，由韌性評估結果（見圖11-圖12）可以看出，各區縣在韌性等級及關鍵短板指標方面存在較大分異。因此，本文以災前、災時、災后的時間維度為線索，以27個低韌性和中低韌性區縣為對象，建立多層次多類別的韌性提升策略體系，提供差異化的引導策略。

（1）災前韌性提升策略。災前韌性由城市的備災能力決定。根據評估結果，有16個區縣備災能力不足，具體表現為物理和社會系統的高溫災害敏感性較高，經濟、物理和社會系統的高溫災害適應能力較低（見圖6）。在物理系統韌性提升層面，一方面可通過接入分布式電源[51]、推廣高比例可再生能源電力系統[52]、構建“源—網—荷—儲”協同的多能互補的綜合能源智慧系統[53]等策略，提升電力系統的魯棒性和冗余性，保證高溫災害來臨時電力系統的安全穩定運行，避免停電事故。另一方面，城市規劃應根據韌性等級，合理布局多功能空間[54]、預留無功能空間[55]作為靈活避災空間，提升應對不確定性高溫災害的能力。在社會與經濟系統韌性提升層面，應重點提升高炎熱強度（見圖7e）、高人口密度（見圖6a）、高老齡化水平（見圖6b）、低人均收入（見圖6d）地區醫療資源的冗余性與經濟保障水平，提升救災能力。由于災前準備性評估涉及的城市系統和指標較多，因此，各地區應首先明確各自準備性不足的關鍵影響指標（見圖6），然后開展針對性行動。

（2）災時韌性提升策略。災時韌性是韌性研究的核心內容，從源頭決定了城市系統受災害擾動的程度，提升關鍵在于城市系統的魯棒性。對高溫災害來說，城市系統的魯棒性主要依賴于自然系統的自主降溫能力。基于國內外現有研究成果，應重點針對22個弱抵抗性地區（見圖7f），通過優化藍綠空間布局、設置通風廊道、提升城市冠層孔隙度、嚴控建筑密度與迎風面積比、提升街區空間肌理異質度、提高樹冠覆蓋率與透水路面比例、采用高反照率屋面材質等策略，提升城市系統抵抗、消解高溫災害的能力。

（3）災后韌性提升策略。災后韌性包括短期和中長期兩個階段。短期韌性體現為城市快速從高溫狀態恢復正常的能力，同樣主要依賴于自然系統的自主降溫能力，可結合災時韌性提升策略同步提升。中長期韌性依賴于城市系統的智謀性，即學習和創新能力[56]。大灣區的低韌性和中低韌性區內，肇慶市和江門市的10個區縣需提升對科技研發的重視力度，包括增加研發投資強度、創辦科研院所、推動科技產品應用轉化等，以提升城市應對下一次高溫災害的備災能力和未來災害不確定性的適應能力。

5 結語

應對全球氣候變化與氣候災害的規劃理論熱點已由“可持續性”“緩解與適應”演變到 “韌性”[3]72，體現出城市應對氣候災害的思路正向系統性、綜合性、靈活性轉變。韌性防災理念雖歷經數十年發展，但在全球氣候變化日益加劇且極端氣候災害頻發的背景下，韌性防災理論和技術方法仍需繼續豐富與發展。本文聚焦于既有研究匱乏的高溫災害韌性，重點闡述了高溫災害韌性的概念框架和評估體系，并以粵港澳大灣區為例進行研究，可為其他地區開展高溫災害韌性研究提供借鑒。但研究尚存在一定的局限性：一是受數據可獲取和數據處理技術的限制，高溫災害韌性評估的時空精度有待進一步提高。二是限于篇幅，本文以理論構建、評估體系和技術方法為主，后續將對高溫災害韌性的時空分異機制進行深入研究，以提出精細化、定量化的韌性提升策略。