應對氣候變化的城市規(guī)劃再思考

應對氣候變化的城市規(guī)劃再思考——基于氣象分析的北京市域空間布局研究2014-11-13

尹慧君呂海虹等人

cityif點擊上方“藍色字”可關注我們！【摘要】隨著城鄉(xiāng)建設的快速發(fā)展,北京當前面臨著諸多氣象環(huán)境問題,針對“城市空間布局與氣象環(huán)境的相關性”開展研究具有重要意義。研究采用了專業(yè)氣象模擬工具RBLM(區(qū)域邊界層模式),結合北京地區(qū)近10年平均的地面觀測和高空資料,在北京地區(qū)典型天氣條件背景下,對全市域范圍進行了多種情景下的溫度、熱島面積、風速、氣流場等氣象環(huán)境數(shù)據的全真數(shù)值模擬和多方案比較評估。提出了城市整體空間結構、產業(yè)用地發(fā)展方向、綠地系統(tǒng)空間布局等一系列相關結論和建議,用真實的數(shù)據為科學決策提供依據?！娟P鍵詞】氣象環(huán)境變化北京市域數(shù)值模擬比較評估空間布局1.研究背景英國前首相溫斯頓?丘吉爾(WinstonChurchill)曾說過:我們塑造了我們的家園和住所,反過來我們塑造的環(huán)境也在影響著我們的生活(Weshapeourdwellingsandafterwardourdwellingsshapeus.)。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告(ClimateChange2007:ThePhysicalScienceBasis)指出,近百年全球地表平均溫度上升了0.74°C,最近50年的升溫速率幾乎是過去100年的兩倍,最近10年是有記錄以來最熱的10年......氣候系統(tǒng)變暖的現(xiàn)象已經被眾多的國際研究機構發(fā)布的觀測數(shù)據所證實。而由于人為活動而引起的溫室氣體排放明顯增加是氣候變暖的重要影響因素之一,這一觀點也逐漸被國際社會和氣候變化科學界所認同和接受。盡管城市只占陸地表面積的2%,但它卻供養(yǎng)著世界一半以上的人口,消耗全球3/4的能源,排放75%的溫室氣體,城市已經成為眾多國家應對氣候變化的主戰(zhàn)場。由此可見,隨著大規(guī)模的開發(fā)建設,人類的活動對自然界的擾動也越發(fā)強烈。城市的建設和擴張會導致一系列的連鎖反應,人口增加、建筑面積增加、交通量增加、能源消耗和供應增加、人為排放熱量增加......從而逐漸改變了城市的氣候環(huán)境,直接影響城市居民的生活品質和健康安全。如果我們把視野縮小到北京,我們的氣候環(huán)境問題越來越讓我們頭疼!近幾年,抱怨北京“天氣越來越差”的市民越發(fā)增多。城市熱島隨逐年擴張的城市建設用地逐漸蔓延1,夏季高溫不退使人們的健康安全受到威脅,城市能耗隨空調用電量逐年增加;北京近五十年年平均降雨量減少2,但暴雨集中度增加,暴雨引發(fā)的城市內澇使人民的生命財產受到損害;還有頻繁發(fā)生的霧霾一次次挑戰(zhàn)著我們的忍耐底線:霧霾天過后醫(yī)院就診人數(shù)激增,“國外專家和企業(yè)家因霧霾拒絕來京工作”3都是不爭的事實。毋庸置疑,從“國民健康”到“產業(yè)布局”再到“人口紅利”,氣候環(huán)境問題正悄聲無息地侵蝕北京的社會經濟各個方面,直接影響到北京的城市競爭力。人們不禁要問:我們的天氣到底怎么了?究竟是“天災”還是“人禍”?這些氣象災害又與北京城鄉(xiāng)建設有著什么樣的關系?城市規(guī)劃應該作好怎樣的應對工作?......種種疑問成為眾多規(guī)劃研究者的工作動力。2.城市氣象環(huán)境與城市空間布局的研究積累

北京市長期以來高度重視城市空間規(guī)劃與城市氣象環(huán)境的關系研究,2005年開展“中心城控制性詳細規(guī)劃調整”時就曾經借助氣象模型模擬研究討論中心城建筑高度的空間布局形態(tài),把城市氣象條件作為空間規(guī)劃的前置因素,邁出了從氣象環(huán)境視角探索城市規(guī)劃方法和城市可持續(xù)發(fā)展路徑的第一步。自2009年到2013年,又先后完成了《北京中心城氣象環(huán)境評估研究》和《基于氣象條件的市域空間布局研究》兩大課題,更加深入地將城市氣象因素融入城市規(guī)劃研究,探索因“氣”制宜的科學規(guī)劃之路。在城市規(guī)劃與大氣環(huán)境兩大專業(yè)的跨學科協(xié)同和互動下,通過氣象觀測資料統(tǒng)計分析、專業(yè)氣象模型模擬和比較評估、遙感影像資料分析、城市規(guī)劃綜合統(tǒng)籌歸納等研究方法,總結了適應新問題、新形勢的空間規(guī)劃原則、規(guī)律和經驗,為進一步完善北京市總體規(guī)劃,科學合理地布局城市整體空間提出了工作建議,為建立良好的人居環(huán)境提供技術支持。3.資基于氣象條件的市域空間布局研究3.1研究的意義

氣象環(huán)境問題已經成為北京快速發(fā)展過程中的典型性難題。改善這樣的局面需要多方面的措施進行綜合治理,如改進能源利用方式、交通方式、控制人口規(guī)模、合理進行城市空間布局等方面都對改善環(huán)境有重要貢獻。作為規(guī)劃工作者,怎么從我們最擅長的城市空間布局層面入手去解決這些問題?我們需要控制什么,發(fā)展什么是這次研究所重點思考的東西。目前國際上對城市問題的研究已逐步走向通過計算機模擬城市發(fā)展來進行定量分析和數(shù)據比較研究。在國內,運用數(shù)值模擬、風洞試驗等新的科技手段對城市氣象環(huán)境的研究正在蓬勃發(fā)展4。本次研究嘗試運用氣象學原理和數(shù)值模擬技術對規(guī)劃方案的空間布局進行比較評估,致力于把氣象學中關注的溫度、壓強、風速、風向、濕度等氣象要素,轉化為熱島區(qū)域、小風區(qū)、氣流輻合區(qū)等反映氣象規(guī)律的可感、可視、可表達的圖形語言,再進一步與城市規(guī)劃的空間布局銜接,預測城市未來變化對氣候環(huán)境的影響，總結一般規(guī)律和經驗,為北京市域布局及城市發(fā)展提供導向性的建議和支持,從而避免在決策過程中的主觀與盲目性。(圖1)圖1氣象要素與城市規(guī)劃工作關注點之間的關系3.2氣象模擬評估的方法簡介3.2.1完善數(shù)值模擬模型研究中使用的專業(yè)氣象模擬工具為區(qū)域邊界層模式RBLM(RegionalBoundaryLayerModel),是由北京市氣象局和南京大學共同研究發(fā)展5。經過不斷地完善、校驗、應用6,目前已經在全國范圍40多個城市的戰(zhàn)略規(guī)劃、總體規(guī)劃及詳細規(guī)劃項目中得到初步應用,彌補了城市規(guī)劃體系中薄弱的定量分析手法,具有較強的實用性和科學性。模式輸入需要的資料包括地理信息資料、氣象資料等(圖2)。地理信息資料由地理信息系統(tǒng)(GIS)生成的數(shù)據庫給出,并通過模式預處理提供氣象模式和擴散模式所需信息和參數(shù)。氣象資料包括地面與空中各種氣象要素(依靠氣象探空資料)。模式輸出主要包括各海拔高度上的風流場、風速、氣溫、相對濕度等。圖2RBLM數(shù)值模擬流程圖

3.2.2提高數(shù)值輸入的精確度本著“能細則細、應準盡準”的原則,本次研究范圍內的數(shù)據采用1000m×1000m的數(shù)據網格,模型中輸入了北京10年內平均的地面觀測氣象數(shù)據、地形高度、地面覆蓋狀況等地理信息資料以及典型日當天全市20個觀測站點的所有地面觀測數(shù)據和探空數(shù)據以及規(guī)劃地塊層面的各種規(guī)劃數(shù)據。此外,為保證分析結果的客觀性,提高模擬結果的準確度,研究分別選擇冬、夏兩季三種風速條件的典型天氣作為模擬案例,基本涵蓋了冬夏兩季的大部分天氣狀況(表1)。由于污染源數(shù)據較難獲得,本次模擬研究輸入資料不包括污染源與能耗資料。表1模擬初始場設置的三種風速下的6種典型天氣描述

3.2.3提高數(shù)值評估的有效性在數(shù)值模擬的基礎上,研究針對人們目前普遍關心的如城市熱島強度、通風能力降低等問題,采用三個城市環(huán)境評估因子,分別為人體舒適度7、熱島強度8和小風區(qū)面積9,對各種模擬情景下的評估指標分冬、夏兩季,三種風速狀態(tài)下進行定量評估。為提高評估的精確度和客觀性,使其更接近真實狀況。研究調查了了北京地區(qū)代表站54511觀象臺站1981—2010年共30年的日平均風速,按照大風日、一般風日、小風日出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計,各方案比較評估結果按照這三種風速所占全年的比例進行加權平均(表2)。表2北京觀象臺站30年的日平均風速統(tǒng)計表3.3氣象模擬方案設置

在北京市域層面,研究模擬了179KM×181KM的矩形范圍內現(xiàn)狀、總體規(guī)劃、六個比較方案10等八種情景的氣象環(huán)境條件,模擬分辨率設置為1000m。由于研究范圍較大,模型模擬只考慮建設用地布局的分布差異,不考慮高度和建設強度對氣象的影響。(1)現(xiàn)狀方案:以最新版北京市域現(xiàn)狀圖為基礎制作。(2)總體規(guī)劃方案:以北京市2004‐2020年總體規(guī)劃的方案為基礎制作。從用地布局上看,規(guī)劃方案在現(xiàn)狀的基礎上增加了中心城中心地區(qū)與邊緣集團及新城之間的綠色空間,水面面積有所增加,水面更加連貫、成系統(tǒng)。邊緣集團和新城的建設組團的建設用地規(guī)模有所減少。(3)比較方案:以運用BUDEM模型得出的北京2030年六種城市空間擴展方案為基礎,考慮集體建設用地的發(fā)展情況(疊加六環(huán)內集體產業(yè)用地)形成最終的六個比較方案(圖3)。建設用地面積基本一致。圖36組比較方案用地布局示意(紅色為建設用地)表3:六組比較方案的特征4.研究結論客觀地說,從區(qū)域宏觀尺度的城市氣象變化規(guī)律上看,城市建設對整個大氣環(huán)境系統(tǒng)的改變力量比較微弱,在一些地區(qū)可以忽略不計。但從城市中微觀層次來看,城市建設對城市局部地區(qū)尺度或微觀尺度的影響(包括風速、溫度、濕度,以及對城市大氣污染物的遷移、轉化、擴散能力等各類影響)效應是十分顯著的,規(guī)劃用地的空間布局應適應城市的氣象條件。4.1因氣制宜，城市建設用地的拓展應適應城市風環(huán)境和熱環(huán)境的特點4.1.1安排集中建設區(qū)和產業(yè)發(fā)展區(qū)應避讓城市氣流輻合區(qū)和小風區(qū)，產業(yè)拓展方向宜選擇東南方向通過對現(xiàn)狀和規(guī)劃方案的氣流場模擬發(fā)現(xiàn),昌平、海淀山后、房山、門頭溝、石景山等地容易出現(xiàn)氣流輻合區(qū)12(圖4),大氣擴散條件差,不易布置污染企業(yè),且不易集中連片建設。通過對現(xiàn)狀和規(guī)劃方案的風速風場模擬發(fā)現(xiàn)北京平原區(qū)東南部的通風條件較好,夏季淺山區(qū)和近山的平原區(qū)小風區(qū)較多,中心城西南大部分地區(qū)風速較小,通風條件較差,不適宜布置產業(yè),因此產業(yè)拓展方向宜以東南方向為軸,選擇市域東、東南部如通州、亦莊等地。且安排產業(yè)的污染物排放強度應從東南向山前逐步消減。4.1.2受地形及現(xiàn)狀建設因素影響，一切地去極易形成強熱島，應采取綜合措施有效控制不考慮人為熱因素,僅考慮地形條件和用地布局對熱島分布的影響對現(xiàn)狀進行模擬(圖5),并用氣象臺發(fā)布的高溫分布圖(觀測數(shù)據)進行校核。昌平、海淀山后、西苑一帶受山前增溫且通風不暢的影響,熱島效應較高,應合理控制建設規(guī)模,堅持綠色、低碳、緊湊的發(fā)展模式,保護修復生態(tài)本底,避免環(huán)境進一步惡化。中心城中南部建設密度較高,綠色空間較少,受風向風速條件影響也容易形成強熱島,建議這些地區(qū)應避免大規(guī)模連片建設,采取改善能源利用方式,減少熱排放,增加綠色空間和通風廊道、改善城市建筑物和構筑物外表面材質增大反射率等綜合措施緩解熱島效應。圖5現(xiàn)狀夏季熱島模擬圖示(不含人為熱因素)4.2集散有度，合理的空間布局在同等條件下可以獲得較優(yōu)的氣象環(huán)境4.2.1從城市氣象條件考慮，建設用地的擴張必然帶來局部地區(qū)近地面氣象條件的改變模擬結論顯示:6個比較方案由于建設用地面積增加較多,其與現(xiàn)狀相比,熱島面積增加到現(xiàn)狀的4.2倍,小風區(qū)面積增加到現(xiàn)狀的2倍,平均溫度能升高0.13‐1.24°C。這表明城市下墊面(大氣底部與地表的接觸面)的變化會引起近地面氣溫、風速和舒適度的一系列變化,從而導致城市氣象環(huán)境發(fā)生變化,建設用地增加越多,給環(huán)境帶來壓力也越大。因此,城市發(fā)展過程中有效控制建設用地的擴張不僅對土地的集約節(jié)約利用有好處,更對大氣環(huán)境改善有重要意義。4.2.2通過空間布局的調整能夠在同等條件下獲得較優(yōu)的氣象環(huán)境六個比較方案的建設用地面積基本一致,但氣象環(huán)境評估的得分卻差別很大,說明通過空間布局的合理布局可以在在一定程度上彌補建設用地增長給環(huán)境帶來的破環(huán)。模擬結果顯示,生態(tài)優(yōu)先方案的熱島面積和小風區(qū)面積都遠小于其他方案,綜合評分最高(圖6)。說明在建設用地面積一樣的前提下,通過嚴格保護綠色空間,控制禁建區(qū)、限建區(qū),恢復河道,合理布局建設用地等措施,可以把建設用地擴張對環(huán)境的影響降到最小。圖6生態(tài)優(yōu)先方案在氣象評估中優(yōu)勢明顯

4.2.3集中布局不利于緩解城市熱島，過于分散的布局使通風能力降低“方案4蔓延模式”年均熱島面積最大(圖7),且各種風日該模式熱島范圍普遍偏高,說明集中的攤大餅的布局方式不利于降低城市熱島范圍。因此,從緩解熱島效應來看,空間結構“分散”優(yōu)于“集中”。但分散發(fā)展也應把握好集散度,當分散組團的規(guī)模達到一定程度,則分散發(fā)展的優(yōu)勢逐漸消失,城市小風區(qū)面積也隨之增大,不利于污染物擴散。例如“方案5葡萄串模式”小風區(qū)面積最大,城市通風條件和污染物擴散能力最差(圖8)。因此,建設用地布局應集中和分散相結合,北京中心城分散集團式的發(fā)展格局應該堅持。左圖7城市布局各方案年均熱島面積(km2)右圖8城市布局各方案年均小風區(qū)面積比4.3“鑒”風使“綠”，根據風向風速的特點布置綠色空間在綠色空間布局方面,研究提出北京地區(qū)應根據風向風速的特點布置綠色空間(圖9)。圖9北京觀象臺風玫瑰圖(1981‐2010年)資料來源:北京市氣候中心首先,在市域范圍內種植大面積綠地宜優(yōu)先選擇西南方向。北京地區(qū)的主導風向是偏南風和北風,但在弱風天氣時主導風向為,偏西南風,導致北京西南方向一帶的污染物容易向北京輸送。為了避免外圍污染物進入北京,應優(yōu)先選擇西南方向種植大面積林地,其次為東南方向、東方向14。其次,北京市應加大市域范圍內盛行風向楔形綠地的建設與保護力度,讓城市“順暢的呼吸”;例如西南方向的通風廊道一定要加強,東南部通風廊道形態(tài)如有條件應加以調整。另外,楔形綠地建設宜集中設置、留足寬度,建設用地貼在集中建設組團兩側比分散在楔形綠廊當中更利于通風。因此,研究建議近期結合城鄉(xiāng)結合部的違法建設拆除工作重點就通風廊道內的違法建設進行整治和拆除工作,提高廊道內的通風擴散能力,促進污染物擴散,改善首都大氣環(huán)境。4.4研究局限由于研究時間和精力所限,本次氣象模擬僅選取了冬季和夏季典型氣象條件下某一時間段的數(shù)據進行計算和模擬,所得到的結論僅代表典型天氣下的一般規(guī)律。如果能考慮多種天氣背景條件下的情況,在大量個案研究的基礎上得到的結論會更加接近真實情況。另外,用氣象數(shù)值模式進行城市規(guī)劃布局的情景模擬對于城市布局細節(jié)變化產生的細微氣候效應僅可描述其演變趨勢,數(shù)據精確性未必達到要求,今后可以嘗試分辨率更小的建筑物可分辨風場數(shù)值模擬、風洞試驗等其他方式進行輔助。5.結語城市規(guī)劃的決策結果,尤其是總體規(guī)劃中制定的城市空間結構和發(fā)展方向具有長期性、戰(zhàn)略性和一定程度的不可逆性,大規(guī)模的開發(fā)建設必然對城市環(huán)境和城市氣候產生深遠影響。研究試圖從氣象角度為規(guī)劃決策提供科學依據和思路方法,但僅基于氣象條件這一個方面對北京的城市空間布局提出建議尚不全面,城市的發(fā)展和建設還應綜合考慮多個方面的因素,不斷統(tǒng)籌、協(xié)調與完善。在研究中,我們深切地感受到,對于城市規(guī)劃工作的探索不宜只關注腳下的“地”,也應抬頭看看我們的“天”,提高自然科學與社會科學的契合度。這一切,還需要我們不斷地努力,不斷地改革與創(chuàng)新!

注釋：1.李書嚴等利用北京地區(qū)20個氣象站36年(1970-2005年)的氣象資料,分析北京城市化進程對城市氣候的影響。結果表明北京城市熱島效應呈現(xiàn)強度逐漸增加、面積逐漸增大、由單一向多個熱島中心演變的趨勢。2.根據觀測資料,近五十年北京平原地區(qū)年降水量呈減少趨勢,從1950年代年降水量平均為730mm,而最近十年平均降水量僅為492mm,導致北京的干旱、缺水形勢更加嚴重。3.外國專家因霧霾拒赴京工作。新華網/rzZFA6Y4.王曉云,城市規(guī)劃大氣環(huán)境效應定量分析技術[M],氣象出版社2007.95.RBLM(RegionalBoundaryLayerModel,區(qū)域邊界層模式),是一個三維非靜力區(qū)域氣象和大氣擴散數(shù)值預報模式,模式采用Reynolds平均的大氣運動控制方程組,包括動量方程、熱流量方程、水物質(水汽、云水、雨水)的守恒方程。RBLM采用地形跟隨坐標系,把在物理空間中曲線坐標系的不規(guī)則網格通過坐標變換轉化為規(guī)則的計算網格,并在計算空間中對模式方程組進行數(shù)值積分。RBLM模式是大氣科學直接介入并服務于城市規(guī)劃領域的產物,通過對建筑物拖曳效應的考慮,可以幫助我們了解城市用地類型等因素對局地氣候環(huán)境造成的影響,從而可以預測城市未來變化所帶來的氣候環(huán)境效應。6.王詠薇等以北京地區(qū)為例研究了城市下墊面變化對局地邊界層結構及氣象環(huán)境的影響(2006),并對城鎮(zhèn)群發(fā)展大氣環(huán)境