应对气候变化的城市规划再思考

应对气候变化的城市规划再思考——基于气象分析的北京市域空间布局研究2014-11-13

尹慧君吕海虹等人

cityif点击上方“蓝色字”可关注我们！【摘要】随着城乡建设的快速发展,北京当前面临着诸多气象环境问题,针对“城市空间布局与气象环境的相关性”开展研究具有重要意义。研究采用了专业气象模拟工具RBLM(区域边界层模式),结合北京地区近10年平均的地面观测和高空资料,在北京地区典型天气条件背景下,对全市域范围进行了多种情景下的温度、热岛面积、风速、气流场等气象环境数据的全真数值模拟和多方案比较评估。提出了城市整体空间结构、产业用地发展方向、绿地系统空间布局等一系列相关结论和建议,用真实的数据为科学决策提供依据。【关键词】气象环境变化北京市域数值模拟比较评估空间布局1.研究背景英国前首相温斯顿∙丘吉尔(WinstonChurchill)曾说过:我们塑造了我们的家园和住所,反过来我们塑造的环境也在影响着我们的生活(Weshapeourdwellingsandafterwardourdwellingsshapeus.)。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告(ClimateChange2007:ThePhysicalScienceBasis)指出,近百年全球地表平均温度上升了0.74°C,最近50年的升温速率几乎是过去100年的两倍,最近10年是有记录以来最热的10年......气候系统变暖的现象已经被众多的国际研究机构发布的观测数据所证实。而由于人为活动而引起的温室气体排放明显增加是气候变暖的重要影响因素之一,这一观点也逐渐被国际社会和气候变化科学界所认同和接受。尽管城市只占陆地表面积的2%,但它却供养着世界一半以上的人口,消耗全球3/4的能源,排放75%的温室气体,城市已经成为众多国家应对气候变化的主战场。由此可见,随着大规模的开发建设,人类的活动对自然界的扰动也越发强烈。城市的建设和扩张会导致一系列的连锁反应,人口增加、建筑面积增加、交通量增加、能源消耗和供应增加、人为排放热量增加......从而逐渐改变了城市的气候环境,直接影响城市居民的生活品质和健康安全。如果我们把视野缩小到北京,我们的气候环境问题越来越让我们头疼!近几年,抱怨北京“天气越来越差”的市民越发增多。城市热岛随逐年扩张的城市建设用地逐渐蔓延1,夏季高温不退使人们的健康安全受到威胁,城市能耗随空调用电量逐年增加;北京近五十年年平均降雨量减少2,但暴雨集中度增加,暴雨引发的城市内涝使人民的生命财产受到损害;还有频繁发生的雾霾一次次挑战着我们的忍耐底线:雾霾天过后医院就诊人数激增,“国外专家和企业家因雾霾拒绝来京工作”3都是不争的事实。毋庸置疑,从“国民健康”到“产业布局”再到“人口红利”,气候环境问题正悄声无息地侵蚀北京的社会经济各个方面,直接影响到北京的城市竞争力。人们不禁要问:我们的天气到底怎么了?究竟是“天灾”还是“人祸”?这些气象灾害又与北京城乡建设有着什么样的关系?城市规划应该作好怎样的应对工作?......种种疑问成为众多规划研究者的工作动力。2.城市气象环境与城市空间布局的研究积累

北京市长期以来高度重视城市空间规划与城市气象环境的关系研究,2005年开展“中心城控制性详细规划调整”时就曾经借助气象模型模拟研究讨论中心城建筑高度的空间布局形态,把城市气象条件作为空间规划的前置因素,迈出了从气象环境视角探索城市规划方法和城市可持续发展路径的第一步。自2009年到2013年,又先后完成了《北京中心城气象环境评估研究》和《基于气象条件的市域空间布局研究》两大课题,更加深入地将城市气象因素融入城市规划研究,探索因“气”制宜的科学规划之路。在城市规划与大气环境两大专业的跨学科协同和互动下,通过气象观测资料统计分析、专业气象模型模拟和比较评估、遥感影像资料分析、城市规划综合统筹归纳等研究方法,总结了适应新问题、新形势的空间规划原则、规律和经验,为进一步完善北京市总体规划,科学合理地布局城市整体空间提出了工作建议,为建立良好的人居环境提供技术支持。3.资基于气象条件的市域空间布局研究3.1研究的意义

气象环境问题已经成为北京快速发展过程中的典型性难题。改善这样的局面需要多方面的措施进行综合治理,如改进能源利用方式、交通方式、控制人口规模、合理进行城市空间布局等方面都对改善环境有重要贡献。作为规划工作者,怎么从我们最擅长的城市空间布局层面入手去解决这些问题?我们需要控制什么,发展什么是这次研究所重点思考的东西。目前国际上对城市问题的研究已逐步走向通过计算机模拟城市发展来进行定量分析和数据比较研究。在国内,运用数值模拟、风洞试验等新的科技手段对城市气象环境的研究正在蓬勃发展4。本次研究尝试运用气象学原理和数值模拟技术对规划方案的空间布局进行比较评估,致力于把气象学中关注的温度、压强、风速、风向、湿度等气象要素,转化为热岛区域、小风区、气流辐合区等反映气象规律的可感、可视、可表达的图形语言,再进一步与城市规划的空间布局衔接,预测城市未来变化对气候环境的影响，总结一般规律和经验,为北京市域布局及城市发展提供导向性的建议和支持,从而避免在决策过程中的主观与盲目性。(图1)图1气象要素与城市规划工作关注点之间的关系3.2气象模拟评估的方法简介3.2.1完善数值模拟模型研究中使用的专业气象模拟工具为区域边界层模式RBLM(RegionalBoundaryLayerModel),是由北京市气象局和南京大学共同研究发展5。经过不断地完善、校验、应用6,目前已经在全国范围40多个城市的战略规划、总体规划及详细规划项目中得到初步应用,弥补了城市规划体系中薄弱的定量分析手法,具有较强的实用性和科学性。模式输入需要的资料包括地理信息资料、气象资料等(图2)。地理信息资料由地理信息系统(GIS)生成的数据库给出,并通过模式预处理提供气象模式和扩散模式所需信息和参数。气象资料包括地面与空中各种气象要素(依靠气象探空资料)。模式输出主要包括各海拔高度上的风流场、风速、气温、相对湿度等。图2RBLM数值模拟流程图

3.2.2提高数值输入的精确度本着“能细则细、应准尽准”的原则,本次研究范围内的数据采用1000m×1000m的数据网格,模型中输入了北京10年内平均的地面观测气象数据、地形高度、地面覆盖状况等地理信息资料以及典型日当天全市20个观测站点的所有地面观测数据和探空数据以及规划地块层面的各种规划数据。此外,为保证分析结果的客观性,提高模拟结果的准确度,研究分别选择冬、夏两季三种风速条件的典型天气作为模拟案例,基本涵盖了冬夏两季的大部分天气状况(表1)。由于污染源数据较难获得,本次模拟研究输入资料不包括污染源与能耗资料。表1模拟初始场设置的三种风速下的6种典型天气描述

3.2.3提高数值评估的有效性在数值模拟的基础上,研究针对人们目前普遍关心的如城市热岛强度、通风能力降低等问题,采用三个城市环境评估因子,分别为人体舒适度7、热岛强度8和小风区面积9,对各种模拟情景下的评估指标分冬、夏两季,三种风速状态下进行定量评估。为提高评估的精确度和客观性,使其更接近真实状况。研究调查了了北京地区代表站54511观象台站1981—2010年共30年的日平均风速,按照大风日、一般风日、小风日出现的频率进行统计,各方案比较评估结果按照这三种风速所占全年的比例进行加权平均(表2)。表2北京观象台站30年的日平均风速统计表3.3气象模拟方案设置

在北京市域层面,研究模拟了179KM×181KM的矩形范围内现状、总体规划、六个比较方案10等八种情景的气象环境条件,模拟分辨率设置为1000m。由于研究范围较大,模型模拟只考虑建设用地布局的分布差异,不考虑高度和建设强度对气象的影响。(1)现状方案:以最新版北京市域现状图为基础制作。(2)总体规划方案:以北京市2004‐2020年总体规划的方案为基础制作。从用地布局上看,规划方案在现状的基础上增加了中心城中心地区与边缘集团及新城之间的绿色空间,水面面积有所增加,水面更加连贯、成系统。边缘集团和新城的建设组团的建设用地规模有所减少。(3)比较方案:以运用BUDEM模型得出的北京2030年六种城市空间扩展方案为基础,考虑集体建设用地的发展情况(叠加六环内集体产业用地)形成最终的六个比较方案(图3)。建设用地面积基本一致。图36组比较方案用地布局示意(红色为建设用地)表3:六组比较方案的特征4.研究结论客观地说,从区域宏观尺度的城市气象变化规律上看,城市建设对整个大气环境系统的改变力量比较微弱,在一些地区可以忽略不计。但从城市中微观层次来看,城市建设对城市局部地区尺度或微观尺度的影响(包括风速、温度、湿度,以及对城市大气污染物的迁移、转化、扩散能力等各类影响)效应是十分显著的,规划用地的空间布局应适应城市的气象条件。4.1因气制宜，城市建设用地的拓展应适应城市风环境和热环境的特点4.1.1安排集中建设区和产业发展区应避让城市气流辐合区和小风区，产业拓展方向宜选择东南方向通过对现状和规划方案的气流场模拟发现,昌平、海淀山后、房山、门头沟、石景山等地容易出现气流辐合区12(图4),大气扩散条件差,不易布置污染企业,且不易集中连片建设。通过对现状和规划方案的风速风场模拟发现北京平原区东南部的通风条件较好,夏季浅山区和近山的平原区小风区较多,中心城西南大部分地区风速较小,通风条件较差,不适宜布置产业,因此产业拓展方向宜以东南方向为轴,选择市域东、东南部如通州、亦庄等地。且安排产业的污染物排放强度应从东南向山前逐步消减。4.1.2受地形及现状建设因素影响，一切地去极易形成强热岛，应采取综合措施有效控制不考虑人为热因素,仅考虑地形条件和用地布局对热岛分布的影响对现状进行模拟(图5),并用气象台发布的高温分布图(观测数据)进行校核。昌平、海淀山后、西苑一带受山前增温且通风不畅的影响,热岛效应较高,应合理控制建设规模,坚持绿色、低碳、紧凑的发展模式,保护修复生态本底,避免环境进一步恶化。中心城中南部建设密度较高,绿色空间较少,受风向风速条件影响也容易形成强热岛,建议这些地区应避免大规模连片建设,采取改善能源利用方式,减少热排放,增加绿色空间和通风廊道、改善城市建筑物和构筑物外表面材质增大反射率等综合措施缓解热岛效应。图5现状夏季热岛模拟图示(不含人为热因素)4.2集散有度，合理的空间布局在同等条件下可以获得较优的气象环境4.2.1从城市气象条件考虑，建设用地的扩张必然带来局部地区近地面气象条件的改变模拟结论显示:6个比较方案由于建设用地面积增加较多,其与现状相比,热岛面积增加到现状的4.2倍,小风区面积增加到现状的2倍,平均温度能升高0.13‐1.24°C。这表明城市下垫面(大气底部与地表的接触面)的变化会引起近地面气温、风速和舒适度的一系列变化,从而导致城市气象环境发生变化,建设用地增加越多,给环境带来压力也越大。因此,城市发展过程中有效控制建设用地的扩张不仅对土地的集约节约利用有好处,更对大气环境改善有重要意义。4.2.2通过空间布局的调整能够在同等条件下获得较优的气象环境六个比较方案的建设用地面积基本一致,但气象环境评估的得分却差别很大,说明通过空间布局的合理布局可以在在一定程度上弥补建设用地增长给环境带来的破环。模拟结果显示,生态优先方案的热岛面积和小风区面积都远小于其他方案,综合评分最高(图6)。说明在建设用地面积一样的前提下,通过严格保护绿色空间,控制禁建区、限建区,恢复河道,合理布局建设用地等措施,可以把建设用地扩张对环境的影响降到最小。图6生态优先方案在气象评估中优势明显

4.2.3集中布局不利于缓解城市热岛，过于分散的布局使通风能力降低“方案4蔓延模式”年均热岛面积最大(图7),且各种风日该模式热岛范围普遍偏高,说明集中的摊大饼的布局方式不利于降低城市热岛范围。因此,从缓解热岛效应来看,空间结构“分散”优于“集中”。但分散发展也应把握好集散度,当分散组团的规模达到一定程度,则分散发展的优势逐渐消失,城市小风区面积也随之增大,不利于污染物扩散。例如“方案5葡萄串模式”小风区面积最大,城市通风条件和污染物扩散能力最差(图8)。因此,建设用地布局应集中和分散相结合,北京中心城分散集团式的发展格局应该坚持。左图7城市布局各方案年均热岛面积(km2)右图8城市布局各方案年均小风区面积比4.3“鉴”风使“绿”，根据风向风速的特点布置绿色空间在绿色空间布局方面,研究提出北京地区应根据风向风速的特点布置绿色空间(图9)。图9北京观象台风玫瑰图(1981‐2010年)资料来源:北京市气候中心首先,在市域范围内种植大面积绿地宜优先选择西南方向。北京地区的主导风向是偏南风和北风,但在弱风天气时主导风向为,偏西南风,导致北京西南方向一带的污染物容易向北京输送。为了避免外围污染物进入北京,应优先选择西南方向种植大面积林地,其次为东南方向、东方向14。其次,北京市应加大市域范围内盛行风向楔形绿地的建设与保护力度,让城市“顺畅的呼吸”;例如西南方向的通风廊道一定要加强,东南部通风廊道形态如有条件应加以调整。另外,楔形绿地建设宜集中设置、留足宽度,建设用地贴在集中建设组团两侧比分散在楔形绿廊当中更利于通风。因此,研究建议近期结合城乡结合部的违法建设拆除工作重点就通风廊道内的违法建设进行整治和拆除工作,提高廊道内的通风扩散能力,促进污染物扩散,改善首都大气环境。4.4研究局限由于研究时间和精力所限,本次气象模拟仅选取了冬季和夏季典型气象条件下某一时间段的数据进行计算和模拟,所得到的结论仅代表典型天气下的一般规律。如果能考虑多种天气背景条件下的情况,在大量个案研究的基础上得到的结论会更加接近真实情况。另外,用气象数值模式进行城市规划布局的情景模拟对于城市布局细节变化产生的细微气候效应仅可描述其演变趋势,数据精确性未必达到要求,今后可以尝试分辨率更小的建筑物可分辨风场数值模拟、风洞试验等其他方式进行辅助。5.结语城市规划的决策结果,尤其是总体规划中制定的城市空间结构和发展方向具有长期性、战略性和一定程度的不可逆性,大规模的开发建设必然对城市环境和城市气候产生深远影响。研究试图从气象角度为规划决策提供科学依据和思路方法,但仅基于气象条件这一个方面对北京的城市空间布局提出建议尚不全面,城市的发展和建设还应综合考虑多个方面的因素,不断统筹、协调与完善。在研究中,我们深切地感受到,对于城市规划工作的探索不宜只关注脚下的“地”,也应抬头看看我们的“天”,提高自然科学与社会科学的契合度。这一切,还需要我们不断地努力,不断地改革与创新!

注释：1.李书严等利用北京地区20个气象站36年(1970-2005年)的气象资料,分析北京城市化进程对城市气候的影响。结果表明北京城市热岛效应呈现强度逐渐增加、面积逐渐增大、由单一向多个热岛中心演变的趋势。2.根据观测资料,近五十年北京平原地区年降水量呈减少趋势,从1950年代年降水量平均为730mm,而最近十年平均降水量仅为492mm,导致北京的干旱、缺水形势更加严重。3.外国专家因雾霾拒赴京工作。新华网/rzZFA6Y4.王晓云,城市规划大气环境效应定量分析技术[M],气象出版社2007.95.RBLM(RegionalBoundaryLayerModel,区域边界层模式),是一个三维非静力区域气象和大气扩散数值预报模式,模式采用Reynolds平均的大气运动控制方程组,包括动量方程、热流量方程、水物质(水汽、云水、雨水)的守恒方程。RBLM采用地形跟随坐标系,把在物理空间中曲线坐标系的不规则网格通过坐标变换转化为规则的计算网格,并在计算空间中对模式方程组进行数值积分。RBLM模式是大气科学直接介入并服务于城市规划领域的产物,通过对建筑物拖曳效应的考虑,可以帮助我们了解城市用地类型等因素对局地气候环境造成的影响,从而可以预测城市未来变化所带来的气候环境效应。6.王咏薇等以北京地区为例研究了城市下垫面变化对局地边界层结构及气象环境的影响(2006),并对城镇群发展大气环境