楊 鑫 高雯雯 傅 凡 李 莎
柳葉刀健康與氣候變化委員會認(rèn)為,應(yīng)對氣候變化是21世紀(jì)改善全球健康的最大機(jī)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(dá)到31.3%,這一數(shù)字相比1990年增長了25%[2-3]。研究表明,環(huán)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(xù)性》一書中,提出了“聚居地健康示意圖”,強(qiáng)調(diào)了物理環(huán)境因素對于社區(qū)健康和鄰里幸福的影響[4]。
城市尺度下的氣候環(huán)境研究在城市規(guī)劃領(lǐng)域已有很多理論與實踐成果。葉祖達(dá)等提出建立城市規(guī)劃方案熱島效應(yīng)預(yù)測模型,在傳統(tǒng)控規(guī)指標(biāo)中引入熱島效應(yīng)控制指標(biāo)[5]。由華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主編的《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 286—2013)將熱島效應(yīng)作為居住區(qū)評估標(biāo)準(zhǔn),使城市熱環(huán)境有可能通過城市規(guī)劃與設(shè)計環(huán)節(jié)得到控制。20世紀(jì)50年代,德國應(yīng)用氣象學(xué)者開始研發(fā)城市氣候地圖,用于在城市氣候?qū)W與城市規(guī)劃之間建立聯(lián)系,進(jìn)而引導(dǎo)城市規(guī)劃有效緩解霧霾和熱島等城市氣候問題。中國學(xué)者針對北京、廈門、深圳等城市進(jìn)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(yīng)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(fēng)、日照、熱環(huán)境等方面[6-8]。德國國家標(biāo)準(zhǔn)編號VDI3787的城市氣候環(huán)境條例中,城市環(huán)境氣候圖研究包括熱環(huán)境分析、風(fēng)環(huán)境分析和空氣污染分析[9]。自2006年,香港中文大學(xué)吳恩融教授的團(tuán)隊開始針對高密度城市進(jìn)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(fēng)環(huán)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(huán)境地圖也采用人體生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature,PET)評估結(jié)果來定義其氣候空間單位,劃分“城市氣候敏感區(qū)域”[10]。
近幾年,基于不同尺度的精細(xì)化城市氣候環(huán)境研究逐漸成為熱點。萊瑟(Leser)首次提出精細(xì)氣候區(qū)劃(Klimatope),是指某一地區(qū)范圍內(nèi)氣候區(qū)劃的最小單位。目前,制作精細(xì)氣候區(qū)劃圖是描述與評價某一地區(qū)城市氣候狀況的有效方法,已經(jīng)在很多德國城市中得到應(yīng)用。其中,氣候地圖的基礎(chǔ)分辨率被設(shè)定在7.5m×7.5m尺度內(nèi),在微觀層面將風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境納入城市規(guī)劃決策因子之中。另外,基于城市行政區(qū)的氣候環(huán)境研究主要針對超大城市展開。李春玲等針對北京海淀區(qū)研究了1975—2019年氣溫變化特征[11];秦明凱針對北京豐臺區(qū)50年的年日照時數(shù)展開變化規(guī)律研究[12];岳溪柳等以北京各個行政區(qū)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(qū)開展了古氣候相關(guān)研究[14];吉辰等利用上海嘉定區(qū)9個氣象站數(shù)據(jù)分析了該區(qū)氣溫與降水特征[15]。以上研究多選擇超大城市,以行政區(qū)為研究對象,進(jìn)行城市尺度下更細(xì)致的氣候環(huán)境要素分析。
小尺度下的城市氣候環(huán)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(guān)注的大趨勢下,各國政府及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署等相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)把城市局地的小氣候變化作為氣候環(huán)境研究的重點,而如何通過合理的城市改造和管理應(yīng)對氣候變化也成了研究的前沿領(lǐng)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(huán)境與人體舒適度情況[16-17];董蘆笛等針對西安地區(qū)城市戶外活動空間小氣候環(huán)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(huán)境特征[19];菲納瓦(Finaeva)針對意大利城市公共空間小氣候環(huán)境展開研究[20];筆者針對北京城市街區(qū)空間開展實測與模擬,提出街區(qū)綠地空間格局的小氣候環(huán)境優(yōu)化策略[21-22]。除此之外,關(guān)于小氣候環(huán)境定點研究也取得了大量成果。尼納(Nenah)等針對雅加達(dá)地區(qū)的公寓外圍綠地開展了小氣候?qū)崪y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(huán)境研究入手,以超大城市下轄行政區(qū)為研究范圍,基于多尺度視角深入分析氣候環(huán)境影響機(jī)制、敏感片區(qū)情況、典型片區(qū)小氣候環(huán)境特征。本文研究對象北京市豐臺區(qū)為首都服務(wù)保障功能定位的行政區(qū),同時承載著中心城區(qū)通風(fēng)廊道與生態(tài)融合發(fā)展區(qū)的功能,對于這一區(qū)域的氣候環(huán)境研究具有承上啟下的尺度意義。本文利用城市環(huán)境氣候地圖分析和網(wǎng)格化敏感等級分析,針對氣候環(huán)境展開綜合評價與分析,以期為未來這一片區(qū)的可持續(xù)健康發(fā)展提供參考。同時提出多尺度氣候環(huán)境研究在城市未來可持續(xù)發(fā)展及存量時代精細(xì)化改造設(shè)計中的重要意義。
本文選擇北京這一典型超大城市進(jìn)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(fēng)氣候。豐臺區(qū)是北京市主城六區(qū)之一,位于市區(qū)南部,總面積306km2。永定河從豐臺區(qū)穿流而過,將該區(qū)分為河?xùn)|、河西兩大區(qū)域。該區(qū)西北靠山,地勢西北高、東南低,呈階梯下降,西部為山區(qū),東部為平原,平原占區(qū)域面積的3/4。
作為北京市重要的行政區(qū)之一,豐臺區(qū)是首都和諧宜居高品質(zhì)生活的服務(wù)供給重要保障,融合了商務(wù)新區(qū)、科技創(chuàng)新與金融服務(wù)等功能,同時也承載著對外綜合交通樞紐的重要功能。
針對城市更新與環(huán)境改善的多尺度氣候適應(yīng)性改造,在城市尺度下,可利用城市環(huán)境氣候地圖方法進(jìn)行綜合分析。由于選擇的城市氣候環(huán)境要素不同,因此能夠反映城市不同方面的氣候環(huán)境敏感程度。本文以氣溫、風(fēng)速、濕度和空氣污染4項氣候環(huán)境指標(biāo),結(jié)合土地利用、建筑要素、城市道路與植被覆蓋幾項建成環(huán)境要素,綜合分析北京市豐臺區(qū)氣候環(huán)境敏感性。通過明確影響城市氣候環(huán)境敏感性的二者權(quán)重比例,初步確定敏感性等級劃分依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,利用ArcGIS平臺,以網(wǎng)格化分解方法將敏感性分析尺度降級為城市街區(qū)尺度層面,利用加權(quán)疊加分析各類細(xì)化要素,得到150m×150m敏感單元的氣候環(huán)境精細(xì)化尺度分析結(jié)果。以5個典型的高敏感片區(qū)為例,綜合分析街區(qū)尺度下的建成環(huán)境與氣候敏感性,并提出精細(xì)化改造策略。
本文選取的氣候數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面氣候資料逐小時數(shù)據(jù)集,時間為2020年5—6月,重點研究夏季氣候環(huán)境,覆蓋全天逐小時實時監(jiān)測,數(shù)據(jù)量較大,進(jìn)行氣候環(huán)境特征分析能夠得到明顯規(guī)律變化。氣象指標(biāo)包括最高氣溫、最大風(fēng)速和最小相對濕度3項主要指標(biāo)。另外,選用AQI即空氣質(zhì)量指數(shù)評價空氣污染情況。
豐臺區(qū)建筑和道路數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)開放共享數(shù)據(jù),植被覆蓋率數(shù)值通過2019年7月高精度遙感衛(wèi)星獲取。土地利用類型通過自然資源部發(fā)布的2020年最新土地覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納。根據(jù)北京城區(qū)的建設(shè)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(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》(GB 50096—2011)、《民用建筑設(shè)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(qū)城市用地
圖2 豐臺區(qū)城市道路(2-1)、建筑(2-2)、植被(2-3)分布
表1 豐臺區(qū)城市用地分類統(tǒng)計
城市氣候要素與建成環(huán)境要素共同作用于氣候環(huán)境敏感性結(jié)果,但權(quán)重有所不同。建成環(huán)境要素對城市氣候有較大程度的潛在影響。劉姝宇等總結(jié)了城市建成區(qū)對市區(qū)的氣候要素影響較鄉(xiāng)村環(huán)境而言更大,氣溫方面,建設(shè)用地面積每增加10%,氣溫就上升0.3K(熱島強(qiáng)度指標(biāo)),當(dāng)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(huán)境的主要因子,其中植被覆蓋率貢獻(xiàn)度最大[26];鄭祚芳等在對北京夏季極端高溫影響的數(shù)值研究中,驗證了城市下墊面相比郊區(qū)下墊面具有更低的反射率(前者為10%,后者達(dá)18%),具有更高的感熱吸收[27]。綜上所述,本文結(jié)合多位學(xué)者的研究結(jié)果,將影響城市氣候環(huán)境敏感性的兩方面因素權(quán)重界定為建成環(huán)境影響值80%和氣候環(huán)境要素20%。其中,建成環(huán)境要素方面,建筑密度、建筑高度、路網(wǎng)密度對建成環(huán)境敏感區(qū)的影響都是正向的,即密度越大,環(huán)境越差,敏感度等級越高;植被覆蓋率則是負(fù)向影響。氣候要素方面,4項指標(biāo)權(quán)重設(shè)置為等效影響。
另外,針對氣候環(huán)境敏感性分類等級的劃分,不同學(xué)者提出了不同的劃分依據(jù)。奧克(OKe)提出了“局地氣候區(qū)”(LCZ)概念;米斯(Mills)通過建立大量的城市熱島分區(qū)后,優(yōu)化了LCZ的分類等級,簡化為LCZ 1~6。周易在碩士論文中,結(jié)合研究區(qū)域的情況,綜合參考2位學(xué)者的分類等級,將深圳局地氣候區(qū)劃分為LCZ 1~6,并開展相關(guān)氣候環(huán)境的研究[28]。針對豐臺區(qū)高密度建成區(qū)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(yōu)區(qū)域,6為氣候敏感性最差區(qū)域。
基于城市環(huán)境氣候地圖分析,利用網(wǎng)格化方法精細(xì)化分析街區(qū)層面的氣候環(huán)境敏感性情況。德國學(xué)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(rèn)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(wǎng)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(wǎng)格化的分析方法是將城市片區(qū)尺度的氣候環(huán)境分析降級至街區(qū)尺度的小氣候環(huán)境分析的重要途徑。在街區(qū)尺度方面,適宜尺度的選擇應(yīng)傾向于把街區(qū)的合理規(guī)模尺度控制在200m以內(nèi),其中50~100m的街區(qū)規(guī)模尺度是相對更適應(yīng)于現(xiàn)實生活需求,且更為普遍存在的尺度范圍[30]?!毒G色尺度》一書中同樣認(rèn)為,70m×70m至100m×100m的建筑群可容納大多數(shù)街區(qū)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(wǎng)格單元,對城區(qū)氣候敏感性展開研究。
利用ArcGIS軟件平臺加權(quán)疊加分析豐臺區(qū)建成環(huán)境要素和氣候環(huán)境要素共同作用下的氣候環(huán)境敏感性分布情況,以150m×150m網(wǎng)格單元劃分像元大小,最終獲得豐臺區(qū)氣候環(huán)境敏感等級(1~6)分布圖(圖3)。
圖3 豐臺區(qū)氣候環(huán)境敏感區(qū)分布
從氣候敏感性分布圖能夠發(fā)現(xiàn),豐臺區(qū)的中部整體處于氣候敏感性最高區(qū)域;東部區(qū)域氣候敏感性也比較高,多為城市建設(shè)用地和工廠等;西部山區(qū)最為明顯,整片區(qū)域都處在氣候敏感程度較好區(qū)域,說明大型城市綠地或公園對于城市片區(qū)氣候有較大影響。
對建成環(huán)境影響要素進(jìn)行綜合分析,結(jié)果顯示,豐臺區(qū)中部氣候環(huán)境敏感性高的區(qū)域,其建筑密度大、建筑高度高、植被覆蓋率低、路網(wǎng)密度高,這5類影響因素導(dǎo)致了局部氣候敏感性程度增加(圖4)。落位氣候環(huán)境敏感區(qū),中心部位為高密度高樓層的居住小區(qū)和密集的城市主要道路;西四環(huán)區(qū)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(fā)市場區(qū)域。
圖4 豐臺區(qū)建成環(huán)境要素分析
5個高敏感片區(qū)均處在城市交通干道周邊,六里橋樞紐區(qū)、宏豐線纜批發(fā)市場和岳各莊批發(fā)市場位于京港澳高速和西四環(huán)中路周邊,宏豐線纜批發(fā)市場緊鄰城市鐵路軌道,花鄉(xiāng)花卉市場和新發(fā)地批發(fā)市場則位于京開高速和南四環(huán)西路兩側(cè),城市鐵路軌道貫穿其中。從片區(qū)的屬性特征來看,4個為批發(fā)市場,1個為交通樞紐,氣候環(huán)境的敏感性與片區(qū)的用地性質(zhì)有很大關(guān)聯(lián)(圖5)。
圖5 5個敏感區(qū)所在區(qū)位分布
首先,結(jié)合《北京城市總體規(guī)劃2016—2035年》的目標(biāo),5個高敏感片區(qū)的新發(fā)地批發(fā)市場位于二級通風(fēng)廊道周邊,其環(huán)境的提升有助于通風(fēng)廊道的構(gòu)建,緩解城市環(huán)境問題;其次,根據(jù)《豐臺分區(qū)規(guī)劃(國土空間規(guī)劃)(2017—2035年)》的發(fā)展戰(zhàn)略,花鄉(xiāng)花卉市場是重要的花卉供給保障區(qū),新發(fā)地批發(fā)市場是豐臺區(qū)內(nèi)較為重要的生活保障類節(jié)點,以二者為代表的專業(yè)市場要向綠色化、集約化、智能化方向改造升級;同時規(guī)劃還提出,生態(tài)融合發(fā)展帶兩側(cè)城市空間的提升改善,新發(fā)地市場區(qū)域落位于豐臺區(qū)生態(tài)融合發(fā)展帶上,其空間環(huán)境的改造也是豐臺綠色生態(tài)空間發(fā)展的重點部分之一。
針對5個典型片區(qū)建成環(huán)境要素進(jìn)行街區(qū)尺度下的精細(xì)化研究,綜合分析影響豐臺區(qū)氣候環(huán)境敏感性的要素類別與主要原因(表2)。
表2 5個敏感片區(qū)建成環(huán)境要素統(tǒng)計
續(xù)表2
根據(jù)分析數(shù)據(jù)結(jié)果能夠看出,植被覆蓋率低、建筑密度較大、路網(wǎng)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(qū)性質(zhì)相似,廣場、道路較為集中,多為不透水路面和瀝青柏油材質(zhì)道路,導(dǎo)致區(qū)域熱環(huán)境較差(圖6、7)。
圖6 5個典型片區(qū)敏感等級
圖7 5個典型片區(qū)衛(wèi)星圖及網(wǎng)格單元
5個氣候高敏感片區(qū)中,六里橋交通樞紐區(qū)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(qū)和商業(yè)建筑。該片區(qū)敏感等級分布均勻,處于4、5級的高敏感等級。針對路網(wǎng)密度大、建筑密度高、植被覆蓋率低等建成環(huán)境特征,應(yīng)優(yōu)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(chǔ)設(shè)施的綠色屋頂與垂直綠化改造,緩解交通樞紐區(qū)的熱島效應(yīng)。
其他4個片區(qū)均為豐臺區(qū)批發(fā)市場區(qū)域,建筑環(huán)境具有相似性,其中岳各莊建筑密度和路網(wǎng)密度均為最高,其敏感等級也最高。批發(fā)市場這一特殊城市區(qū)域具有較高的人工熱源排放,相對其他功能區(qū)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(yīng)合理規(guī)劃公共交通,提高物流集散效率;集散廣場采用生態(tài)環(huán)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(jié)街區(qū)尺度更新精細(xì)化改造策略與模式,包括規(guī)劃層面、建筑層面和景觀層面。這3個層面是城市人居環(huán)境的主要組成部分,彼此緊密相連,共同對人居環(huán)境改善產(chǎn)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(qū)氣候環(huán)境改善的街區(qū)尺度改造模式與策略
1)多尺度氣候環(huán)境研究的指導(dǎo)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(shè)中氣候應(yīng)對措施的低效性。其中,小氣候環(huán)境影響因素復(fù)雜多變,在氣候環(huán)境的多尺度研究框架中,需要更大尺度的研究支撐引導(dǎo)。以北京豐臺區(qū)為例,5個氣候敏感片區(qū)中以批發(fā)市場功能為主,在北京市域尺度下,這一功能空間的氣候環(huán)境如果不能得到重視與改善,將直接影響豐臺區(qū)生態(tài)融合發(fā)展帶這一規(guī)劃定位,從而造成市域?qū)用嫱L(fēng)廊道建設(shè)、生態(tài)綠色環(huán)境建設(shè)等方面的不足。從城市片區(qū)尺度,不同功能定位的敏感區(qū)應(yīng)采取不同的治理措施,結(jié)合現(xiàn)狀城市發(fā)展情況,進(jìn)行差異化改造與管理。
2)氣候環(huán)境改善的精細(xì)化趨勢。
在城市規(guī)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(huán)境質(zhì)量的有效手段,這對氣候環(huán)境改善提出了挑戰(zhàn)。近年來的城市氣候研究重點已轉(zhuǎn)為局部氣候環(huán)境,但仍有待進(jìn)一步深入發(fā)展。數(shù)字化研究工具的發(fā)展提供了極大便利,動態(tài)模擬、仿真模擬與情景預(yù)測等手段為小氣候環(huán)境的精細(xì)化改善提供了基礎(chǔ)。
本文針對豐臺區(qū)氣候高敏感城市片區(qū)的分析,聚焦城市規(guī)劃與現(xiàn)狀發(fā)展2個層面。而針對街區(qū)尺度下的改善策略手段是基于存量更新基礎(chǔ)上的總結(jié),通過“針灸式”的改善策略實現(xiàn)有的放矢、資源節(jié)約,能夠為中國其他超大城市行政區(qū)尺度下的氣候環(huán)境改善提供借鑒參考。
3)多尺度氣候環(huán)境改善的政策支持。
中國《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略》和《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》雖然都提及要促進(jìn)多部門數(shù)據(jù)共享,但是沒有規(guī)定實現(xiàn)適應(yīng)信息共享的機(jī)制和細(xì)則,落實起來較為困難[32]。國土空間規(guī)劃倡導(dǎo)多規(guī)合一下的全域全要素統(tǒng)籌協(xié)調(diào)[33],其中,氣候應(yīng)對策略既是生態(tài)優(yōu)先指導(dǎo)思想層面的引領(lǐng),也是具體規(guī)劃過程中的重要環(huán)節(jié)。氣候環(huán)境不應(yīng)是規(guī)劃的考慮因素之一,而應(yīng)是具體落實在藍(lán)圖中的一項內(nèi)容,與土地利用規(guī)劃和建成環(huán)境優(yōu)化環(huán)環(huán)相扣。尤其針對超大城市的各個行政區(qū)域而言,其氣候環(huán)境可能存在不同特征及區(qū)劃范圍。在具體的更新改造方案設(shè)計中,小氣候環(huán)境營造應(yīng)是設(shè)計過程中重要一步,應(yīng)納入落地方案的具體實施細(xì)節(jié)中。
決策者應(yīng)該考慮根據(jù)城市發(fā)展的自身特點和規(guī)模來實施恰當(dāng)?shù)姆桨?,重視“國土空間尺度-城市尺度-行政區(qū)尺度-街區(qū)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(fā)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(xué)龍瀛老師對研究數(shù)據(jù)的支持。