北京城市气候图系统初步建立及规划建议

北京城市气候图系统初步建立及规划建议

现在，世界上一半以上的人口生活在城市里。根据联合国2008年的预测报告，到2030年，几乎60%的人口将是城市居民。根据第五个国家气候变化委员会（picc）的评估报告，从1880年到2012年，世界平均地表温度上升了约0.85。结果表明，世界气候变化和城市化的发展是不可否认的事实。在现代城市化的建设中，人类的生活和生产活动逐渐改变了城市气候，影响了居民的生活环境。可持续、健康、舒适的生活环境是世界各国在实现可持续发展方面面临的重要问题之一。世界各国都必须努力建设可持续城市。为了实现这一目标，必须有效地进行调查和应用城市气候，并在城市规划和设计中实施与城市气候信息相结合的规划和发展战略。现代城市化发展给当地气候和环境带来巨大影响,然而城市规划和城市发展对城市气候信息的应用却非常有限.直到20世纪末,城市气候才得以在世界各地有了广泛的研究,近期也有越来越多研究关注城市气候信息在城市规划上的应用.城市气候图(UrbanClimateMap,即UCMap)从城市气候学角度提出可持续城市规划理念和发展策略,作为可持续城市规划辅助信息系统工具备受瞩目[7~9].城市气候图由一系列基础数据图层、城市气候分析图和城市气候规划建议图构成.基础数据图层融合了城市气候信息和城市典型规划要素,利用两维空间展现城市形态特征.城市气候分析图,将气候评估与分析结果可视化,利用不同的城市气候空间单位归纳总结城市气候分布特征,评估城市气候问题.城市气候规划建议图,包括城市气候规划实施策略和与之相应的规划保护或改善的指导性建议.德国研究者于20世纪50年代首次提议绘制一系列不同尺度且适合当地规划系统的城市气候图集.从20世纪70年代以来,西德(即联邦德国)一直加强地理科学的图示化研究并开展与规划相关的地图学研究.斯图加特市气候学家为减低弱风环境下的空气污染问题,首次正式开展城市气候图研究,并将气候学信息应用到当地土地利用规划和环境设计中.此后,在德国其他城市和奥地利、瑞典、波兰及英国等欧洲国家,以及日本和中国香港等亚洲地区也相继开展了城市气候图的研究与应用.截至目前,世界上已有20多个国家开展了城市气候图的相关研究与应用,辅助当地城市规划与可持续城市建设.然而,必须强调的是,目前大部分研究与应用仍限于发达国家或地区的低密度城市.随着城市化快速发展和城市人口的持续增长,密集型高密度城市是将来不可避免的趋势,这就迫切需要开展发展中国家和地区的高密度城市对当地气候影响的研究以及城市气候在可持续城市建设中的应用.目前,我国正处于快速城镇化发展阶段,有限的土地面积需要承载越来越多的城市新增人口,这为城市气候和城市环境带来一系列负面影响.党的十八大明确提出加强生态文明建设,城市发展科学规划,人居环境明显改善等要求,建设宜居宜业、生态文明、环境优美的美丽中国.《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》也提出要实现城镇发展规划与资源环境承载能力的相互协调,合理开发利用气候资源.《北京中长期科学和技术发展规划纲要(2008—2020)》提出北京要立足于“宜居城市”的功能定位,加强“城市空间布局规划和系统设计”关键技术研究.这说明我国政府高度关注社会需求、经济利益、文化景观和生态环境间的问题与矛盾,重视可持续生态城市建设.本研究正是从解决这一问题与矛盾出发,开展城市气候信息在城市规划与设计中的应用.拟以北京为示范案例,评估城市气候问题,初步建立北京城市气候图系统,辅助北京可持续发展和生态城市建设,创造健康宜居的城市生活环境.1北京市概况1.1季节降水.北京属于典型的北温带半湿润大陆性季风气候,四季分明.春季气温回升快,昼夜温差大,干旱多风沙.夏季酷暑炎热,集中全年降水的80%,形成雨热同季.秋季天高气爽,冷暖适宜,光照充足.冬季寒冷干燥且漫长,降水量仅占全年降水量的2%.风向有明显的季节变化,冬季盛行西北偏北风,夏季盛行东南偏南风.1.2北京城市空间布局:从单中心向多中心转变图1b为北京市区遥感影像,展示了北京市区发展范围及环路建设.20世纪50年代和20世纪末,北京经历了人口高速增长且难以逆转的两个高峰期.20世纪80年代以来,北京开始大规模城市建设,城市化日益加快.由于采用了围绕旧城(二环以内)“摊大饼”式的规划方案,城市基本呈现外扩式环状发展.1978年二环路建成,1984年三环路通车,1990年四环路投入建设,2003年五环路全线贯通,2008年六环路投入运营,北京市中心城区发展迅速.最初规划设想在北京周围建设若干卫星城,对中心城进行分散.后来,又提出在城市周围建设十多个边缘集团或组团,边缘组团与中心城区之间以及边缘组团之间用大面积绿化带分隔.但在实际规划建设中,主城区周围边缘组团之间的绿化用地被建设用地取代,实际建设绿地不足原规划的一半.最终导致边缘组团之间以及边缘组团与主城区连成一片,趋于全封闭或半封闭式的环状结构发展.北京“单中心+环线”结构的城市布局,致使中心区城市功能不断聚集,全市失去发展平衡.中心区成为就业区,郊区成为居住区,引发大规模跨区域交通,给城市交通造成巨大压力,也加剧了人为热的区域性聚集和整个城市的交通污染物排放.此外,为了强化中心区交通的可达性,路网布局以中心区呈放射状和各环路相连,意使周围交通迅速向中心区集中,结果适得其反,中心区成为交通死结.在高密度的城市环境通过大规模环线支持汽车发展,使之成为城市交通主导,全世界尚无成功之例,这只会使交通量迅速增加并越发拥堵.根据国务院批复的《北京城市总体规划(2004—2020年)》,在北京未来城市发展中,北京的城市空间结构将逐渐从单中心向多中心转变,从单一城市向专业化互补型的多极城市群落转变.1.3城市天气环境—北京城市气候问题全球气候变暖和城市化发展给当地气候带来巨大影响,北京面临了城市热岛(城市热压)、城市风流通弱以及由工厂和交通造成的空气污染等城市气候问题.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、面积逐渐扩大、由单一向多个热岛中心演变的趋势.随着城市发展,不断增高、密度不断加大的建筑物对气流的阻滞作用使得城区平均风速呈减少趋势.尤其高层建筑物日益增多,参差不齐的建筑群引起气流的升降和绕流,使得局地风场变化非常复杂.此外,北京2011年11月—12月遭遇了持续近一个月的烟霾天气,2013年1月11日—18日又出现为期一周的空气污染危机,无不令人触目惊心.近年来,除去采暖季有较多雾霾日外,北京在盛夏季节雾霾日也明显增多,集中出现在6月—9月,尤其是盛夏季节的7月—8月.城市气候问题与城市发展管理,城市能源,城市规划等唇齿相依.面对城市、建筑、气候和环境间日益凸显的矛盾,我们无法将城市夷为平地重新建设.科学可行的方法是:客观评估城市热环境、城市风环境、城市环境容量等城市气候问题;定量分析北京自然环境和人为因素(包括人为热、典型城市形态因子等)对城市气候的影响;明确可用于北京城市规划的气候资源;建立北京城市气候图系统,将城市气候信息应用于北京可持续发展和生态城市建设,改善城市气候问题和居民生活环境.2传统的城市气候图研究方法城市气候图从城市可持续发展和生态城市需求的角度出发,阐述气象、环境、城市气候与城市形态的相互关系,提出了全新的城市规划理念和规划策略.但在传统的城市气候图研究中,城市气候空间的确定、城市气候问题评估以及规划建议的制定不完全依靠客观气候数据和试验结果,还在一定程度上取决于专家的经验和定性分析,缺乏量化校验和精细的城市气候特征分析.此外,显式反应建筑物的风场精细数值模拟(市区范围)和典型个例/极端天气数值模拟(市域范围)也鲜有考虑,忽略了城市建筑区域内复杂的三维风场特征和极端天气灾害事件(极端暴雨、城市洪涝等)对城市规划与城市设计的指导作用.2.1显式决策评估图2为北京城市气候图系统的构成.北京城市气候图系统在传统城市气候图的基础上,针对北京城市气候问题,新增以下三部分内容(图2中标记为深绿色):第一,精细城市气候特征分析.运用北京市域范围内约200个自动气象站数据,分析北京城市气候特征,明确城市气候问题,并定义可用于城市规划的气候资源.第二,建筑物可分辨风场诊断数值模拟.在北京市区范围内,显式反应建筑物的物理结构,研究城市建筑群落对空气流通的影响,重现城市建筑区域内复杂的三维风场特征,评估城市风流通潜力.第三,典型个例/极端天气事件数值模拟.在市域范围内,拟开展夏季高温、冬季雾霾和夏季暴雨的典型个例数值模拟,加强北京应对极端天气、防灾减灾的能力.全球气候变化和城市化发展导致极端天气事件频发、重发,造成日益严重的社会、经济和生态灾害.北京城市气候图系统首次提出对城市气象灾害进行风险评估,从规划预警的角度应对城市气象灾害,完善城市发展建设.此外,传统的城市气候图系统仅对基于规划现状的城市气候进行评估,进而提出缓解策略.北京城市气候图系统除对现状评估外,更强调了对修改后规划方案的预测评估,预期其对城市热环境、城市风环境和城市环境容量的影响,进而对规划方案进行再修正.城市气候在一定程度上可以自我平衡,比如大气污染,可以在一定的环境容量内自我恢复净化.但是,对城市气候极其敏感地区的破坏,会导致城市生态系统的逆转和非弹性变化.城市规划决策的结果,尤其是城市总体规划,具有全局性、长期性和不可逆性,任何一项举措都可能对城市气候和城市环境产生深远的影响,所以对规划方案的预判评估和科学的决策程序都尤为重要.2.2城市热压的基础数据图层不同大气层温度随高度的变化通常用气温垂直递减率表示,海拔平均每上升100m,气温下降约0.65℃,以此评估地形高度对城市热环境的影响.天穹可见度(SkyViewFactor,SVF)被广泛用于描述城市街渠几何形态,贺晓冬等以北京市朝阳区中央商务区的20个观测站点为研究对象,分析了天穹可见度对室外热环境、生理等效温度以及人体热舒适度的影响.结果表明天穹可见度越小,该区域日间蓄积热量的能力越强,夜间释放越多热量,增加城市热负荷.李书严等应用观测资料分析和数值模拟等方法研究了城市中水体的微气候效应,结果表明水体对气温在上风方向影响范围小,下风方向影响范围大.下风方向1.0km内气温降低0.8℃~1℃,直到2.5km处仍有0.2℃的温差.本研究中评估水域开放空间对城市热环境的影响未区分上风向和下风向,默认其产生一致的影响.不同种类绿色植被对城市产生不同程度的降温和遮阳效果,可有效缓解城市热压.因此,地形高度、天穹可见度、绿化空间和水域开放空间是评估城市热环境的重要指标,亦成为北京城市气候图系统评估城市热压状况的基础数据图层,如图3左上所示.2.3北京城市风流通潜力评估城市冠层和建筑布局影响城市平均风场的分布和局地涡旋的产生,使得风场、湍流也显现出极大的非均匀性.被建筑物或人工铺面所覆盖的用地直接影响地表粗糙度,也间接影响该地区风渗透量.较大的建筑覆盖率或较高的建筑容积率,例如高大且密集的裙房会减弱该地区行人层的风流通.自然地表的空气动力学特性表明,草地、水体等地表粗糙度较低的地表类型,相对于其他类型的自然景观,具有较强的通风潜力.而灌木、林地和城市建筑等地表粗糙度较高,其通风潜力相对较弱.同样的初始风速,距离地表2m处,流经林地/城市建筑和草地/水体风速值相差1m·s-1.因此,建筑覆盖率、建筑高度和地表粗糙度都成为评估北京城市风流通潜力的重要指标,如图3左下所示.2.4北京市区城市气候空间综合城市热环境和城市风环境的评估结果,北京市区范围城市气候分析图(图4)分类定义了7类城市气候空间(图3).由图4可以看出,城市气候空间的分级与北京“单中心+环状”的城市结构有较好的对应关系.第1类城市气候空间为城市气候良好区域,未承受热压且具有良好的风流通潜力,是新鲜空气的发源地,使之成为可以利用的气候资源,惠及周边区域.通常为海拔较高的山区或植被良好的坡地(如香山)、自然植被覆盖的大型公园(如奥林匹克公园、天坛公园)和水域(如后海、龙潭湖)等.第2类和第3类城市气候空间为城市气候较好区域,暂时未承受热压或承受轻度热压且风流通潜力较好.通常为有植被覆盖的小型公园(如万泉公园)、开放空间(如天安门及周边区域)、分散的村镇附近以及轻度开发或未开发区域(如房山区东北部).第4类和第5类城市气候空间分别承受了中、高度热压且风流通潜力较低.通常集中于中低等建筑密度且绿化空间较少的区域.二环内区域属于老城区,虽然平均建筑高度较低,但由于除贯穿东西方向的长安街和地安门西大街外,道路普遍较窄,该区域仍承受中、高度热压且风流通潜力较为一般.第6类和第7类城市气候空间热负荷非常强且风流通潜力极低.通常为高建筑密集区,绿化和开放空间均较少,多集中于二环至四环区域.该区域除玉渊潭公园、世界公园、朝阳公园等绿化开放空间外,聚集了大量商务区、科技产业园和居民区.高楼林立,建筑密集,是北京现阶段城市发展中心区域.四环以外,伴随北京2000年以后呈“斑块”状的发展建设,形成主要以住宅社区为主的高密度建筑群.对应呈现了“斑块”状的城市热压和风流通潜力较差区域.由此表明,城市的任何发展规划建设都对应形成了局地特有的城市气候特征,进而影响城市环境和居民生活.由于未获得北京地区污染源排放数据,现阶段未定量研究人为热和大气污染物的时空分布特征.故缺乏对城市人为热的区域性特征考量和对城市环境容量现状的评估,相关内容有待完善.此外,仍需特别指出的是,北京市区范围城市气候分析图(图4)中对城市气候空间的分级与定义是基于城市形态地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS),对局地气象要素进行空间分析,进而评估北京城市热环境和城市风流通潜力现状.需要进一步与城市规划等相关部门合作,选取典型城市气候空间进行实地测量,校准验证,最终完善北京城市气候空间的分级标准和依据.2.5不同建筑区域夏季和冬季风场特征城市中鳞次栉比的高楼和纵横交错的道路形成复杂的涡旋系统,建筑物高度、形状、朝向、密度都显著影响空气流通.城市小区尺度气象和污染扩散模式采用笛卡儿坐标系,是三维非静力κ-ε闭合模式,除空气动力学作用外,还显式反映了作为城市特征的街渠建筑物物理结构(高度、朝向、布局、密度等)对小区温度、风场、湍流场以及污染物扩散的影响.本文以长安街为轴线,分别在二环内、二环至三环之间、三环至四环之间、四环至五环之间选取多个典型建筑区域,运用城市小区尺度气象和污染扩散模式,模拟不同建筑区域夏季和冬季复杂的三维风场特征.模拟区域范围均为1.80km×1.80km,采用北京市区高分辨率建筑高度数据.模式初始条件采用北京观象台(站号54511,116.47°E,39.81°N)30年(1981年—2010年)平均标准气候值,如表1所示.模拟水平网格为10m×10m,垂直方向取格距为2.5m的100层均匀网格.限于篇幅,图5例举四环至五环之间一个建筑区域夏季和冬季模拟结果,其余图略.区域内气流复杂,建筑物密集区风向改变大,某些建筑群落间甚至出现了逆于来流方向的气流,如图5a、c所示(红色圆圈).建筑物较少或没有建筑物的区域,气流方向改变较小.由图5b、d可以看出,区域内水平风速分布受建筑物高度、形状以及布局的影响.在建筑物尾流区、空腔区气流以及建筑物诱生的二次流作用下,建筑物背风侧出现风速低值区.此外,气流流过某些高层建筑密集的街渠内形成狭管效应,使街渠内最大风速达到来流的2倍.但总体而言,分布密集的建筑群落使风速普遍降低.再重新建设规划时,如若可以沿冬夏季盛行风方向,将该区域中部小范围建筑用地变更为低矮植被或草地,形成图5a、c中红色虚线所示的潜在通风廊道,将明显改善上下两侧建筑区域的通风情况,亦可不同程度地缓解整个区域内热环境.2.6面积扩大的必要图6为北京市区范围城市气候规划建议图,实现了城市气候空间向城市气候空间规划指引的转变.其建立基于北京市区范围城市气候分析图对城市热环境和城市风环境的评估结果,北京精细气候特征分析,以及对二环内、二环至三环之间、三环至四环之间、四环至五环之间,各典型城市气候空间内多个建筑区域夏季和冬季三维风场的数值模拟.参照国务院批复的《北京城市总体规划(2004年—2020年)》,并综合考量了北京城市气候特征、城市形态特征、城市气候问题、阶段规划需求、实际可操作性以及经济发展需求等诸多因素,对城市气候空间规划指引各分区,分别提出了初步的规划建议.在实际规划修编中,具体实施的规划方案和规划策略会逐步调整、完善.由于缺乏对城市环境容量现状的评估,现阶段只针对改善城市热环境和城市风环境提出初步的规划建议.由图6所示,四环以内近乎闭合式的“单中心+环状”城市结构布局,致使通风廊道不足,通风严重不畅.北京春秋适宜,夏季酷暑炎热,冬季寒冷干燥且漫长.与此同时,城市热岛效应加强,面积扩大;不断增高、加密的建筑物导致城市小风区增多;除采暖季有较多雾霾日外,北京在盛夏季节雾霾日也明显增多.综合考量,沿冬、夏季盛行风方向划定通风廊道是可以最大限度利用气候资源,并有效缓解城市气候问题的有效手段.各城市气候空间规划区域不同程度地限建、限高,审慎开发建设,亦可有效改善城市热环境、促进空气流通.窦晶晶等利用2008年—2012年北京城区平均5km的高密度自动站逐时观测数据,分析北京精细气候特征和可用于城市规划的气候资源.结果表明:在北京夏季山风时段,受山谷风环流、季节盛行风以及城市热岛环流的共同作用下,形成由郊区向城市中心辐合的气流,如图6所示.从绿色空间布局来看,绿化隔离带的绿楔规划可将山区/郊区的新鲜冷空气输送至城区中心.此外,在建筑周边尽量引入绿地,利用绿化带衔接相邻的小区或建筑群,亦可加强冷空气产生区域内部的空气交换,缓解热压,净化空气,美化环境.下面分别介绍各城市气候空间规划区域的初步规划建议.五类区域为城市气候高敏感区域,热负荷非常强且风流通潜力极低.必须采取有效的补救措施,合理规划重建,改善现有环境.沿潜在通风廊道方向,严禁过度开发建设,以防阻挡沿冬、夏季盛行风方向通风廊道的贯通.如果此区域内有重建项目规划,必须对建筑物合理布局,不同程度限高,格外注意潜在通风廊道的预留.四类区域和三类区域为城市气候中、低敏感区域,热负荷较强且风流通潜力较低.建议采取及时有效的补救措施,审慎开发建设,防止现有环境进一步恶化.如果该区域必须开展城市开发项目,必须考虑策略性规划建议,避免与周边建成区连成一片,更加降低四环至五环区域甚至五环外区域的空气流通,加剧城市气候问题.并要通过建筑合理布局、扩宽街道、休憩开放空间和绿化带等途径创造通风廊道.对于以上城市气候敏感区域,除合理控制开发强度外,还建议在建筑物周边尽量引入绿地,利用绿化带衔接相邻的小区或建筑群,促进局地通风和冷空气产生区域内部的空气交换,亦可起到缓解热压、美化环境的作用.二类区域为城市气候较好区域,暂时未承受热压且风流通潜力较好.大范围自然植被吸收二氧化碳,降低热负荷且产生新鲜冷空气,亦可吸附粉尘,有效降低空气污染.此类区域建议保护及改善现有环境,在街道、休憩空间和公园等扩大绿化面积,提高空气的自净能力.在后期建设中,科学评估,合理规划,审慎开发决策,北京湾平原区的城镇布局应尽量避开风景名胜区、机场噪音控制区和主要滞蓄洪区等.绿化带的绿楔应尽量内、外双向延伸,有效利用城市中心辐合气流将郊区新鲜冷空气输送至城区,缓解城市中心区域热压、净化空气.一类区域为城市气候良好区域,未承受热压且具有较好的风流通潜力,是新鲜空气的发源地.海拔较高的山地或坡地可以形成山谷风,促进周边区域的空气流通.应保护并拓宽现有通风廊道,将该区域内大量的新鲜冷空气输送至城区,缓解城区热压,并有效增强污染物的扩散能力.北京山区中坡度大于25°的不宜建设区、地表水源保护区、森林公园等应尽可能地保护,避免开发.山前高程介于50m到150m的区域是重要的生态敏感区,划为山前生态缓冲带,须严格控制开发建设.3北京市区范围城市气候空间和城市环境随着社会经济的发展以及人们对生活环境质量要求的提高,创建良好的生态环境已成为人类社会共同追求的目标.在实施可持续发展战略、建设生态良好城市的进程中,如何从科学角度深刻认识城市化发展与当地气候和环境间相互影响的规律,从而制定合理的城市规划策略,传统的观念和方法正在受到前所未有的挑战.城市气候图正是从解决这一问题出发,阐述气象、环境、城市气候与城市形态的相互关系,提出了全新的城市规划理念和规划策略,将城市气候信息转译为规划人员可以有效应用的规划指引,构建一个跨学科的交流与协作信息平台.本文以北京为示范案例,初步建立北京城市气候图系统,辅助北京可持续发展和生态城市规划建设.北京的地理地貌和气候特征,以及北京“单中心+环线”的城市发展布局,决定了北京特有的城市气候问题.运用高密度自动气象站观测数据,分析北京精细气候特征,揭示可用于城市规划的气候资源.城市形态显著影响城市气候特征,由此,建立综合地理信息系统GIS平台,描述北京城市形态的物理特性.定量分析北京自然环境和典型城市形态因子对城市气候的影响,进而评估城市热环境和城市风环境,完成北京市区范围城市气候分析图,分类定义城市气候空间.由于缺乏人为热和大气污染物等相关数据,现阶段未考量人为热的区域性分布特征以及定量评估城市环境容量现状,相关内容有待完善.城市风环境显著影响城市热环境以及污染物的扩散与空气自净.如果建筑设计对风环境考虑不周,则会造成局部地区气流不畅,在建筑物周围形成漩涡和死角,使得污染物不能及时扩散.本文对各典型城市气候空间内不同建筑区域开展建筑物可分辨风场数值模拟,重现城市建筑区复杂的三维风场特征,研究城市街渠几何形态对空气流通的影响.需要指出的是,本文目前只采用气候背景态的模拟结果,在下一阶段工作中,将选用典型年份进行数值模拟,提供更详细、精准的城市三维风场特征.综合以上内容,完成北京市区范围城市气候规划建议图,实现了城市气候空间向城市气候空间规划指引的转变.北京四环以内近乎闭合式的“单中心+环状”结构布局,使大部分区域承受极强的热压,且通风严重不畅.针对此现状,分别对五类城市气候规划建议区提出初步的规划建议,审慎开发决策,缓解城市气候问题.城市规划是城市为实现一定目标而预先制定相应发展策略,并不断付诸行动的过程,是城市发展建设的指导性纲领和依据,是实施城