杨 鑫 高雯雯 傅 凡 李 莎

1 研究背景

柳叶刀健康与气候变化委员会认为，应对气候变化是21世纪改善全球健康的最大机遇[1]。2015年的一项研究显示，全球平均有7.7%的死亡归因于高温或低温。2017年，中国65岁以上人群中更易受极端高温影响的比例达到31.3%，这一数字相比1990年增长了25%[2-3]。研究表明，环境因素对人体健康有着不可忽视的影响。在《塑造邻里：为了地方健康和全球可持续性》一书中，提出了“聚居地健康示意图”，强调了物理环境因素对于社区健康和邻里幸福的影响[4]。

城市尺度下的气候环境研究在城市规划领域已有很多理论与实践成果。叶祖达等提出建立城市规划方案热岛效应预测模型，在传统控规指标中引入热岛效应控制指标[5]。由华南理工大学建筑节能研究中心主编的《城市居住区热环境设计标准》(JGJ 286—2013)将热岛效应作为居住区评估标准，使城市热环境有可能通过城市规划与设计环节得到控制。20世纪50年代，德国应用气象学者开始研发城市气候地图，用于在城市气候学与城市规划之间建立联系，进而引导城市规划有效缓解雾霾和热岛等城市气候问题。中国学者针对北京、厦门、深圳等城市进行气候地图的研究成果也比较丰富。在城市气候地图研究与应用中，分层绘制的气候地图将绿地空间作为一个重要的绿色下垫面，对整个城市的气候地图具有非常重要的影响，包括空气污染、通风、日照、热环境等方面[6-8]。德国国家标准编号VDI3787的城市气候环境条例中，城市环境气候图研究包括热环境分析、风环境分析和空气污染分析[9]。自2006年，香港中文大学吴恩融教授的团队开始针对高密度城市进行城市气候地图的研究，将土地利用信息、地形地貌、植被及风环境纳入考虑，还包括建筑、街道和室外开敞空间等信息。同时，香港城市环境地图也采用人体生理等效温度(Physiological Equivalent Temperature，PET)评估结果来定义其气候空间单位，划分“城市气候敏感区域”[10]。

近几年，基于不同尺度的精细化城市气候环境研究逐渐成为热点。莱瑟(Leser)首次提出精细气候区划(Klimatope)，是指某一地区范围内气候区划的最小单位。目前，制作精细气候区划图是描述与评价某一地区城市气候状况的有效方法，已经在很多德国城市中得到应用。其中，气候地图的基础分辨率被设定在7.5m×7.5m尺度内，在微观层面将风环境、热环境纳入城市规划决策因子之中。另外，基于城市行政区的气候环境研究主要针对超大城市展开。李春玲等针对北京海淀区研究了1975—2019年气温变化特征[11]；秦明凯针对北京丰台区50年的年日照时数展开变化规律研究[12]；岳溪柳等以北京各个行政区为单位分析了气候承载力与差异性[13]；李阳等针对北京昌平区开展了古气候相关研究[14]；吉辰等利用上海嘉定区9个气象站数据分析了该区气温与降水特征[15]。以上研究多选择超大城市，以行政区为研究对象，进行城市尺度下更细致的气候环境要素分析。

小尺度下的城市气候环境研究主要针对小气候展开实测分析与模拟。在全球气候变化备受关注的大趋势下，各国政府及联合国环境规划署等相关机构已经把城市局地的小气候变化作为气候环境研究的重点，而如何通过合理的城市改造和管理应对气候变化也成了研究的前沿领域。刘滨谊、张德顺等研究了城市广场、滨水空间等城市开放空间小气候环境与人体舒适度情况[16-17]；董芦笛等针对西安地区城市户外活动空间小气候环境展开测量与分析模拟[18]；彭海峰等研究了校园活动空间的小气候环境特征[19]；菲纳瓦(Finaeva)针对意大利城市公共空间小气候环境展开研究[20]；笔者针对北京城市街区空间开展实测与模拟，提出街区绿地空间格局的小气候环境优化策略[21-22]。除此之外，关于小气候环境定点研究也取得了大量成果。尼纳(Nenah)等针对雅加达地区的公寓外围绿地开展了小气候实测研究[23]；杰森(Jason)等针对英国卡迪夫建筑过渡空间开展了小气候热舒适度研究[24]。

本文从气候环境研究入手，以超大城市下辖行政区为研究范围，基于多尺度视角深入分析气候环境影响机制、敏感片区情况、典型片区小气候环境特征。本文研究对象北京市丰台区为首都服务保障功能定位的行政区，同时承载着中心城区通风廊道与生态融合发展区的功能，对于这一区域的气候环境研究具有承上启下的尺度意义。本文利用城市环境气候地图分析和网格化敏感等级分析，针对气候环境展开综合评价与分析，以期为未来这一片区的可持续健康发展提供参考。同时提出多尺度气候环境研究在城市未来可持续发展及存量时代精细化改造设计中的重要意义。

2 研究内容概述

2.1 研究对象

本文选择北京这一典型超大城市进行研究，气候特点为夏季高温多雨、冬季寒冷干燥，属温带季风气候。丰台区是北京市主城六区之一，位于市区南部，总面积306km2。永定河从丰台区穿流而过，将该区分为河东、河西两大区域。该区西北靠山，地势西北高、东南低，呈阶梯下降，西部为山区，东部为平原，平原占区域面积的3/4。

作为北京市重要的行政区之一，丰台区是首都和谐宜居高品质生活的服务供给重要保障，融合了商务新区、科技创新与金融服务等功能，同时也承载着对外综合交通枢纽的重要功能。

2.2 研究方法

针对城市更新与环境改善的多尺度气候适应性改造，在城市尺度下，可利用城市环境气候地图方法进行综合分析。由于选择的城市气候环境要素不同，因此能够反映城市不同方面的气候环境敏感程度。本文以气温、风速、湿度和空气污染4项气候环境指标，结合土地利用、建筑要素、城市道路与植被覆盖几项建成环境要素，综合分析北京市丰台区气候环境敏感性。通过明确影响城市气候环境敏感性的二者权重比例，初步确定敏感性等级划分依据。在此基础上，利用ArcGIS平台，以网格化分解方法将敏感性分析尺度降级为城市街区尺度层面，利用加权叠加分析各类细化要素，得到150m×150m敏感单元的气候环境精细化尺度分析结果。以5个典型的高敏感片区为例，综合分析街区尺度下的建成环境与气候敏感性，并提出精细化改造策略。

3 城市环境气候地图的构建途径

3.1 气候要素与建成环境基础数据分析

本文选取的气候数据来自中国气象数据网的中国地面气候资料逐小时数据集，时间为2020年5—6月，重点研究夏季气候环境，覆盖全天逐小时实时监测，数据量较大，进行气候环境特征分析能够得到明显规律变化。气象指标包括最高气温、最大风速和最小相对湿度3项主要指标。另外，选用AQI即空气质量指数评价空气污染情况。

丰台区建筑和道路数据来自网络开放共享数据，植被覆盖率数值通过2019年7月高精度遥感卫星获取。土地利用类型通过自然资源部发布的2020年最新土地覆盖数据进行整理归纳。根据北京城区的建设特点，将城市用地分为裸地耕地、建筑用地、绿地(林地、草地、公园)、人造地表(广场道路)、河流湖泊5类(表1，图1)。建筑要素方面，依据《住宅设计规范》(GB 50096—2011)、《民用建筑设计通则》(GB 50352—2005)，将建筑高度划分为低层、多层、小高层、中高层、高层、超高层。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。植被覆盖要素方面，包含耕地、林地、草地、灌木地、河流湖泊(图2)。

图1 丰台区城市用地

图2 丰台区城市道路(2-1)、建筑(2-2)、植被(2-3)分布

表1 丰台区城市用地分类统计

3.2 气候敏感性权重与等级分析

城市气候要素与建成环境要素共同作用于气候环境敏感性结果，但权重有所不同。建成环境要素对城市气候有较大程度的潜在影响。刘姝宇等总结了城市建成区对市区的气候要素影响较乡村环境而言更大，气温方面，建设用地面积每增加10%，气温就上升0.3K(热岛强度指标)，当50%的地表被混凝土或沥青覆盖时，气温则上升1.5K[25]；乔治等则选用主成分分析法比较了影响城市热环境的主要因子，其中植被覆盖率贡献度最大[26]；郑祚芳等在对北京夏季极端高温影响的数值研究中，验证了城市下垫面相比郊区下垫面具有更低的反射率(前者为10%，后者达18%)，具有更高的感热吸收[27]。综上所述，本文结合多位学者的研究结果，将影响城市气候环境敏感性的两方面因素权重界定为建成环境影响值80%和气候环境要素20%。其中，建成环境要素方面，建筑密度、建筑高度、路网密度对建成环境敏感区的影响都是正向的，即密度越大，环境越差，敏感度等级越高；植被覆盖率则是负向影响。气候要素方面，4项指标权重设置为等效影响。

另外，针对气候环境敏感性分类等级的划分，不同学者提出了不同的划分依据。奥克(OKe)提出了“局地气候区”(LCZ)概念；米斯(Mills)通过建立大量的城市热岛分区后，优化了LCZ的分类等级，简化为LCZ 1～6。周易在硕士论文中，结合研究区域的情况，综合参考2位学者的分类等级，将深圳局地气候区划分为LCZ 1～6，并开展相关气候环境的研究[28]。针对丰台区高密度建成区和高度城市化的特点，采用米斯提出的6类等级划分，评估等级为1～6，其中1为气候敏感性最优区域，6为气候敏感性最差区域。

4 基于网格化方法的气候环境敏感性分析

4.1 网格化尺度选择依据

基于城市环境气候地图分析，利用网格化方法精细化分析街区层面的气候环境敏感性情况。德国学者将城市气候研究尺度划分为3类，即宏观尺度(栅格尺寸1km)、中观尺度(栅格尺度50m～1km)、微观尺度(栅格尺度5～200m)；奥克认为城市气候也分为3个尺度：中尺度、局地尺度和微尺度。本文网格化单元尺度选择重点放在中观尺度和微观尺度上，其空间单元控制在80～200m，空间单元符合小气候的研究尺度[9，29]。

网格化的分析方法是将城市片区尺度的气候环境分析降级至街区尺度的小气候环境分析的重要途径。在街区尺度方面，适宜尺度的选择应倾向于把街区的合理规模尺度控制在200m以内，其中50～100m的街区规模尺度是相对更适应于现实生活需求，且更为普遍存在的尺度范围[30]。《绿色尺度》一书中同样认为，70m×70m至100m×100m的建筑群可容纳大多数街区功能，是一个满足基本生活需求的尺度范围[31]。

综上所述，本文以150m×150m为基本网格单元，对城区气候敏感性展开研究。

4.2 基于街区尺度网格单元的气候环境敏感性分析

利用ArcGIS软件平台加权叠加分析丰台区建成环境要素和气候环境要素共同作用下的气候环境敏感性分布情况，以150m×150m网格单元划分像元大小，最终获得丰台区气候环境敏感等级(1～6)分布图(图3)。

图3 丰台区气候环境敏感区分布

从气候敏感性分布图能够发现，丰台区的中部整体处于气候敏感性最高区域；东部区域气候敏感性也比较高，多为城市建设用地和工厂等；西部山区最为明显，整片区域都处在气候敏感程度较好区域，说明大型城市绿地或公园对于城市片区气候有较大影响。

对建成环境影响要素进行综合分析，结果显示，丰台区中部气候环境敏感性高的区域，其建筑密度大、建筑高度高、植被覆盖率低、路网密度高，这5类影响因素导致了局部气候敏感性程度增加(图4)。落位气候环境敏感区，中心部位为高密度高楼层的居住小区和密集的城市主要道路；西四环区域则是集中的铁路轨道和交通枢纽站；中心偏南部分为低楼层，但密度高的批发市场区域。

图4 丰台区建成环境要素分析

5 街区尺度5个气候环境高敏感片区分析

5.1 典型片区区位特征

5个高敏感片区均处在城市交通干道周边，六里桥枢纽区、宏丰线缆批发市场和岳各庄批发市场位于京港澳高速和西四环中路周边，宏丰线缆批发市场紧邻城市铁路轨道，花乡花卉市场和新发地批发市场则位于京开高速和南四环西路两侧，城市铁路轨道贯穿其中。从片区的属性特征来看，4个为批发市场，1个为交通枢纽，气候环境的敏感性与片区的用地性质有很大关联(图5)。

图5 5个敏感区所在区位分布

首先，结合《北京城市总体规划2016—2035年》的目标，5个高敏感片区的新发地批发市场位于二级通风廊道周边，其环境的提升有助于通风廊道的构建，缓解城市环境问题；其次，根据《丰台分区规划(国土空间规划)(2017—2035年)》的发展战略，花乡花卉市场是重要的花卉供给保障区，新发地批发市场是丰台区内较为重要的生活保障类节点，以二者为代表的专业市场要向绿色化、集约化、智能化方向改造升级；同时规划还提出，生态融合发展带两侧城市空间的提升改善，新发地市场区域落位于丰台区生态融合发展带上，其空间环境的改造也是丰台绿色生态空间发展的重点部分之一。

5.2 建成环境要素特征分析

针对5个典型片区建成环境要素进行街区尺度下的精细化研究，综合分析影响丰台区气候环境敏感性的要素类别与主要原因(表2)。

表2 5个敏感片区建成环境要素统计

续表2

根据分析数据结果能够看出，植被覆盖率低、建筑密度较大、路网密集程度高这三大方面是主要影响因素。同时，地表覆盖即下垫面对敏感性也有一定程度的作用。5个典型片区性质相似，广场、道路较为集中，多为不透水路面和沥青柏油材质道路，导致区域热环境较差(图6、7)。

图6 5个典型片区敏感等级

图7 5个典型片区卫星图及网格单元

5.3 街区尺度精细化改造策略

5个气候高敏感片区中，六里桥交通枢纽区集公交、长途、出租、地铁于一体，是以省际客运为主的综合换乘枢纽，周边混有居住区和商业建筑。该片区敏感等级分布均匀，处于4、5级的高敏感等级。针对路网密度大、建筑密度高、植被覆盖率低等建成环境特征，应优先考虑提升道路与立体交通的绿化，增加植被覆盖度，其次增加交通基础设施的绿色屋顶与垂直绿化改造，缓解交通枢纽区的热岛效应。

其他4个片区均为丰台区批发市场区域，建筑环境具有相似性，其中岳各庄建筑密度和路网密度均为最高，其敏感等级也最高。批发市场这一特殊城市区域具有较高的人工热源排放，相对其他功能区具有建筑高度较低、密度较大、集散广场较多、绿地化覆盖率低等特点。应合理规划公共交通，提高物流集散效率；集散广场采用生态环保材料以降低反射率；合理丰富植物种植层次，降低人工热源排放量；利用绿色停车场、临时盆栽植物、垂直绿化等方式增加植被覆盖度。

总结街区尺度更新精细化改造策略与模式，包括规划层面、建筑层面和景观层面。这3个层面是城市人居环境的主要组成部分，彼此紧密相连，共同对人居环境改善产生作用。3个层面共提出10种改造方式，如表3所示。

表3 丰台区气候环境改善的街区尺度改造模式与策略

6 结论

1)多尺度气候环境研究的指导意义。

对超大城市而言，各尺度层级下的研究成果不贯穿造成了城市建设中气候应对措施的低效性。其中，小气候环境影响因素复杂多变，在气候环境的多尺度研究框架中，需要更大尺度的研究支撑引导。以北京丰台区为例，5个气候敏感片区中以批发市场功能为主，在北京市域尺度下，这一功能空间的气候环境如果不能得到重视与改善，将直接影响丰台区生态融合发展带这一规划定位，从而造成市域层面通风廊道建设、生态绿色环境建设等方面的不足。从城市片区尺度，不同功能定位的敏感区应采取不同的治理措施，结合现状城市发展情况，进行差异化改造与管理。

2)气候环境改善的精细化趋势。

在城市规划存量时代的大背景下，更新改造的“绣花功夫”是提升城市环境质量的有效手段，这对气候环境改善提出了挑战。近年来的城市气候研究重点已转为局部气候环境，但仍有待进一步深入发展。数字化研究工具的发展提供了极大便利，动态模拟、仿真模拟与情景预测等手段为小气候环境的精细化改善提供了基础。

本文针对丰台区气候高敏感城市片区的分析，聚焦城市规划与现状发展2个层面。而针对街区尺度下的改善策略手段是基于存量更新基础上的总结，通过“针灸式”的改善策略实现有的放矢、资源节约，能够为中国其他超大城市行政区尺度下的气候环境改善提供借鉴参考。

3)多尺度气候环境改善的政策支持。

中国《国家适应气候变化战略》和《中国应对气候变化国家方案》虽然都提及要促进多部门数据共享，但是没有规定实现适应信息共享的机制和细则，落实起来较为困难[32]。国土空间规划倡导多规合一下的全域全要素统筹协调[33]，其中，气候应对策略既是生态优先指导思想层面的引领，也是具体规划过程中的重要环节。气候环境不应是规划的考虑因素之一，而应是具体落实在蓝图中的一项内容，与土地利用规划和建成环境优化环环相扣。尤其针对超大城市的各个行政区域而言，其气候环境可能存在不同特征及区划范围。在具体的更新改造方案设计中，小气候环境营造应是设计过程中重要一步，应纳入落地方案的具体实施细节中。

决策者应该考虑根据城市发展的自身特点和规模来实施恰当的方案，重视“国土空间尺度-城市尺度-行政区尺度-街区尺度”的研究框架，制定能够合理评估城市气候的研究体系，有效发挥决策的作用。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢清华大学龙瀛老师对研究数据的支持。