摘要
借鉴斯图加特、香港等城市环境气候图的构建方法和经验，基于北京城市气候条件，研究构建符合北京城市发展特点的城市环境气候图要素库。基于现状用地、建筑矢量数据和多年气象观测数据进行多维演算，通过地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的计算、输出和叠加分析，形成北京城市气候环境分析图，并在此基础上突破GIS静态叠加分析的局限性，引入气象加密观测分析、高分辨率数值模拟等技术方法，综合提出北京城市气候规划建议图。依托北京城市环境气候图系统，全面对接落实北京城市总体规划，从塑造大格局，引导风廊道，修补内环境三个层次提出基于气象分析的城市规划策略建议，精准辅助规划决策，使城乡规划与自然科学结合更加紧密，提高规划理性。
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关键词
北京 城市环境气候图 GIS空间分析 高分辨率数值模拟 城市规划策略建议
随着城市化进程的不断推进，北京的气候环境问题日益凸显，夏季高温热浪、冬季雾霾频发，已成为影响人民身体健康，阻碍城市可持续发展的典型性难题。据北京观象台观测资料显示，1901～2016年期间，北京地区平均气温升高了1.39℃，升温趋势明显。1961~2016年，北京地区年平均气温的增温幅度为0.45℃/10年，高于全国以及华北的升温幅度，最暖的20年均出现在1996年以后。1961~2016年，北京地区年平均风速呈减小趋势，减小速率为0.1m·s-1/10年。基于NOAA/AVHRR(note1)卫星资料反演图（图1）显示，北京城市热岛范围逐年扩大，出现了向北、东和南三面扩展的趋势，其中向东和向北扩展的态势较为明显，这种变化趋势与城市建设的扩张方向高度一致。高强度的城市建设使地表粗糙度增加，摩擦和拖拽作用降低了城市街区内部的空气流通效率，使得风速减小，增强了城市热岛效应[1]~[4]。很多研究也表明，在全球气候变暖的大背景下(note2)，北京城市规模的快速扩张，大量高强度建设代替了原有下垫面的自然地表，对城市局地近地面的温度、风场、湿度等气象条件产生了显著影响[5]~[8]。
图1 基于NOAA/AVHRR卫星资料的北京地表温度分布图 /资料来源：北京市气候中心
Note1
NOAA/AVHRR
NOAA气象卫星是近极地、与太阳同步的卫星，高度为833km～870km，轨道倾角98.7°，成像周期12小时。AVHRR是NOAA系列卫星的主要探测仪器，为五光谱通道的扫描辐射仪，星上探测器扫描角为±55.4°，相当于探测地面2800km宽的带状区域，两条轨道可以覆盖我国大部分国土，三条轨道可完全覆盖我国全部国土。为了用于洲级及全球范围的研究，AVHRR数据经常被重采样形成空间分辨率更低的数据。
Note2
全球气候变暖的大背景
政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）第五次评估报告指出，1880-2012年全球平均地表温度上升约0.85 ℃。
联合国副秘书长，联合国可持续发展大会秘书长沙祖康在2012年举行的“联合国可持续发展会议”峰会上指出，可持续的、健康舒适的人居环境是世界各国在实现可持续发展过程中关注的关键议题之一，世界各国都应为建设可持续的城市做出努力。2015年召开的“中央城市工作会议”特别提出要“增强城市内部布局的合理性，提升城市的通透性和微循环能力”。2016年，第三届联合国住房和可持续城市发展会议（人居Ⅲ）提出“韧性城市”理念，更加关注城市生态与环境发展，城市与气候变化等问题，倡导通过生态建设手段强化城市韧性，减缓和适应气候变化。《北京城市总体规划（2016年-2035年）》提出“要建立多规合一的规划实施及管控体系，综合抗震、工程地质、防洪排涝、地面沉降、气候气象等重要限制性要素，推动城市生命线系统的有效衔接和统一，实现一张蓝图绘到底”。为实现以上可持续发展的综合目标，从城市气象与城市建设的相关性出发，需更加深入剖析城市气象特征和气候规律，拓宽思路，跨界融合，加强城市气候信息在城市规划和城市建设过程中的应用，更加科学地制定城市未来发展策略。
近年来，在城市规划与气象学的交叉研究领域，城市环境气候图（Urban Climate Map，即UCMap）作为可持续城市规划辅助信息系统工具备受瞩目。在1970年代，德国就开始了该方向的探索，历经40年的研究与应用实践，德国各大城市均已形成了完备的城市环境气候信息应用系统以及相应的法规和国家标准，处于国际领先地位（任超，等，2013）。城市环境气候图是融合了城市气候信息和城市规划要素的信息平台与评价工具，由一系列基础数据输入图层和两个主要气候图构成，一是城市气候环境分析图（Urban Climatic Analysis Map），它可以利用两维空间展现城市形态特征，将城市气候评估与分析结果可视化，利用不同城市气候空间单位归纳总结出城市气候状况的分布；二是城市气候规划建议图（Urban Climatic Planning Recommendation Map），包括城市气候规划实施策略及与之相应的指导性建议（任超，等，2012）。城市环境气候图，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（He, et al, 2015）。截至目前，世界上已有20多个国家和城市开展了城市环境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。国外城市环境气候图的大部分研究与应用仍限于发达国家或地区的低密度城市，国内开展城市环境气候图研究的城市包括香港、高雄、北京、杭州等（贺晓冬，等，2014）。各个城市的研究基础和重点关注问题各有不同，随着城市化快速发展和城市人口的持续增长，对于高密度城市建设发展与城市气候环境的相互影响是未来重要的研究方向。
北京作为一个拥有2300万人口的超大型城市，中心城区（城六区）现状城乡建筑规模约8.1亿平方米，建筑密度远高于同尺度的大伦敦市和东京都。2015年中心城区人均建筑规模约63平方米，是东京都、大伦敦市人均建筑规模的1.6倍，高密度的城市发展形成了中心城区较强的热岛效应。一般情况下，城六区的平均风速比郊区小20%~30%，风速变小致使大气扩散能力降低，使市内的污染物浓度持续累加，城市环境状况相对较差。因此，迫切需要探索城市气候信息在可持续城市规划中的应用。本文基于北京城市特点，结合气象学科的专业分析，介绍北京城市环境气候图的构建方法及成果，并对北京城市空间布局优化提出规划策略建议，以指导改善城市气候，营造良好的人居环境。
如何构建北京城市环境气候图
1.1北京城市环境气候图建立方法
在传统城市环境气候图运用GIS技术叠加城市空间形态要素分析的基础上，本研究针对北京的城市气候问题，通过以下四部分内容建立北京城市环境气候图（图2）。第一，构建一个真实可靠，符合北京城市特点的气候环境图要素库，确定基础输入图层及计算方式；第二，运用国家级气象站数据分析北京地区气候特征，与基础输入图层的定量分析相结合，评估城市热环境和风环境状况，明确城市局部气候问题；第三，加强高分辨率数值模拟分析，获得更加精细的城市特定季节气温和风场的变化情况；第四，补充城市加密气象观测站的统计和分析结论，在城市规划中有效利用城市气候资源。
图2 北京城市环境气候图构建的技术方法
1.2 北京城市气候环境图要素库
在以往的城市环境气候图研究中（表1），不同的城市气候空间单元通常依靠土地利用信息和专家的经验判定来确定，无法实现量化管理。对于北京这样的超大城市，土地利用形态复杂、建设密度较高，仅通过自然地形、地表覆盖属性和土地利用信息等要素建立城市气候环境分析图尚不全面，需要补充更详细、精准的城市形态信息，如通过建筑覆盖率、天穹可见度(note3)等要素来表征建筑体量、街道空间等城市形态特征。因此，在北京城市环境气候图的基础输入图层中，我们借鉴了高密度城市香港的研究方法，除土地利用、地形地貌，植被覆盖情况等基本信息外，还考虑了包括地形高度、天穹可见度、绿化空间、水域开放空间、建筑覆盖率、地表粗糙度，建筑高度在内的7项影响因子，在GIS平台建立了一套适用于北京中心城区的城市环境气候图要素库。研究使用的地理信息资料包括2012年北京城六区1：2000的建筑物测绘数据，北京市域范围内建设用地测绘数据等。
表1 城市环境气候图研究要素比较
Note3
天穹可见度
SVF天穹可见度（Sky View Factor）表示空中平面接收（或发射）的辐射与整个半球辐射环境发射（或接收）的辐射比例，可简单理解为半球面上空可见天空所占的比例。SVF已被气候学家广泛应用于研究城市几何形状和城市热岛强度的关系。某地区SVF值越小意味着该地区蓄积热量的能力越强，散热能力越差，增加热负荷。
1.3 北京城市气候环境分析图
基于北京地区气候特征分析，叠加各基础输入图层形成北京城市气候环境分析图，综合计算中心城区城市热环境和城市风流通潜力现状，将量化数值结果均分为7个层级，形成7类城市气候空间单元（图3）。
图3 基础输入图层及中心城区城市气候环境分析图
第1级城市气候空间为城市气候条件良好区域：这些区域尚未承受热压且具有较强的风流通潜力，包括了海淀山后，丰台河西大部分现状绿色生态空间，以及朝阳区东北部、东南部城市开发建设强度较低的地区。另外，市区内自然植被覆盖率较高的大型公园（如奥林匹克森林公园、北海公园、天坛公园、龙潭湖公园等），水域和河道周边等区域均具有明显的气候条件优势。
第2级和第3级城市气候空间为城市气候较好区域：该类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、开放空间（如天安门及周边区域），城乡结合部低强度建设、尚未形成连片发展的地区。
第4级和第5级城市气候空间是分别承受了中、高度热压，且风流通潜力一般的区域：基本位于二环内建设强度较低的区域和城乡结合部的大部分村镇。二环内平房四合院保留较好的鼓楼、南锣鼓巷、雍和宫、大栅栏一带虽然建筑密度较高，但是平均建筑高度较低，整体比周边高强度建设地区的气象条件要好，通风潜力处于中等水平，但由于绿化空间较少，该区域仍承受中、高强度热压，热舒适状况较差。
第6级和第7级城市气候空间热负荷非常强，且风流通潜力极差：该区域通常为高强度、高密度建成区，绿化和开放空间均较少，集中位于中心城区中心地区及外围清河、北苑、望京、定福庄几个建成度较高的边缘集团，是北京现阶段就业岗位和人口密度较高的区域。
上述城市气候空间单元的分级与北京中心城区“单中心聚集+环状道路”的城市结构有较好的对应关系。中心城区的现状气候环境尚未充分展现周边大山大水的自然格局对中心城空间布局的积极影响，单中心形态明显，中心城区四环内城市气候作用空间过于密集，集中建设区的热环境状况和风流通潜力状况都较为严峻。
1.4 北京城市气候规划建议图
北京城市气候规划建议图是在城市环境气候分析图综合评估的基础上，叠加高分辨率数值模拟结果和气象加密观测分析，最终将城市气候信息数据转译为便于城市规划建设和管理人员理解、应用的规划设计语言。
基础层：归纳总结城市气候空间单元特征，融合城市规划转译，将北京中心城区划分为五类城市气候空间规划区 ，第1类为城市气候高价值区域，是气候环境的重点保护区；第2类为城市气候中价值区域，即相对于重点保护区域气候环境稍差，需要大面积保护局部改善的区域；第3类为城市气候低敏感区，是需要进行改善的区域；第4类为城市气候较敏感区，城市气候条件较差，建议采取修补行动，对应现状气候等级的第4、5级；第5类为城市气候极敏感区，必须采取相关措施进行环境修补，对应现状气候等级的第6、7级。
叠加1：高分辨率动态模拟。
研究突破GIS静态空间分析的局限性，考虑大气的流动性和城市复杂下垫面对北京城市气候的影响，开展高分辨率数值模拟，分析中心城及其周边区域冬、夏两季冷源区、高温区、大风区和小风区等特征。该模拟运用中尺度数值天气预报模式（Weather Research and Forecasting, WRF）(note4)，提高模拟精确度，并且大幅提高模拟天气参考样本至182天(note5)，比以往研究采用的区域边界层模式运算更加接近真实状况。
Note4
WRF
WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度数值天气预报模式是由美国国家大气研究中心 (National Centers for Atmospheric Research, NCAR) 中小尺度气象部、美国国家环境预报中心 (National Centers for Environmental Prediction, NCEP) 环境模拟中心、预报系统实验室 (FSL) 的预报研究部和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四家单位联合发起建立，获得了美国国家自然科学基金和美国国家海洋大气局 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 共同支持。WRF重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报，其最终目标是满足水平分辨率为1-10 km的大气科学模拟试验研究和高分辨率数值预报业务应用的需要。美国NCAR、英国、欧洲等数值预报中心、北京等都采用此模式进行天气业务化逐时预报。
Note5
模拟天气参考样本
选取2014年6月1日至2014年8月31日夏季92个个例，2014年12月1日至2015年2月28日冬季90个个例进行全真数值模拟，逐时输出模拟结果，气温输出为近地面2米的结果，风速、风向输出为近地面10米的结果。
从图面输出效果来看（图4、图5），北京中心城及周边区域冬、夏两季的近地面气温、风速、风向空间分布更加直观和精确。冬季，人为热显著增加导致城市热岛加剧，城区内部气温分布不均匀，呈大面积的局地高温中心。冬季盛行西北、东南风向，风速普遍较高（图示箭头长短代表风速大小，箭头方向代表风向），受西部山区风速较大的影响，海淀西北部，丰台河西山地风速较大，朝阳东北部风速较大。夏季全国风速分布图，东西四环内，北六环至南五环内气温普遍较高，东西城内天安门、天坛公园等开放空间较大，局部气温低于周边气温分布。丰台区东南部、海淀区东部、朝阳区西部以及与昌平接壤的地区由于较高密度的建筑群，呈现高温集聚。夏季盛行偏南风，西部山区风速较高，主城区风速普遍较低，丰台河西、海淀山后、朝阳东北部局部地区比四环以内风速稍高，风速较高的地方对应气温较低。
图4 北京冬季近地面气温和风场分布特征
图5 北京夏季近地面气温和风场分布特征
叠加2：山谷风加密观测分析。
北京地区风向日变化明显，在没有较强天气系统的情况下全国风速分布图，受地形的影响，白天多偏南风，夜间多偏北风。各季节风场日变化中的偏南风和偏北风的频率随季节环流的改变而改变。风向转换的时间，由于四季季风环流的强度不同，也略有差异。窦晶晶等（2014）基于北京地区近5年295个加密自动站观测数据，分析得出北京不同季节山谷风环流和城市热岛环流的空间分布规律（夏季形成由郊区向城市中心辐合的气流，冬季山风时段由西部山区吹响城区）。北京城市气候规划建议图包含山谷风空间分布特征，强调运用其风力稳定、风向变化规律等特点，将山谷风作为一种城市气候资源加以利用。
叠加3：污染系数玫瑰图和冷空气受阻区域。
大气污染与气象条件关系十分密切，风对大气污染物起整体输送作用，通常风速越大越有利于空气中污染物质的稀释扩散，而长时间的微风或静风则会抑制污染物的扩散，使近地面层的污染物成倍增加。风向则主要影响风对污染物的水平输送。因此，北京城市气候规划建议图还叠加了中心城区污染系数玫瑰(note6)图（图6），冬、夏两季大风区、小风区分布图(note7)，冷空气受阻区域(note8)等。图7为将上述气候数据和信息与城市空间规划紧密结合，形成的北京中心城区气候规划建议图，为使用者提供更全面的自然要素信息支撑，有助于提出切实可行的气候改善措施和建议，并提高城市规划理性。
图6 污染系数玫瑰图示意
图7 北京中心城区气候规划建议图
Note6
污染系数玫瑰
污染系数指风向频率与该风向的平均风速的比值。图示射线方向表示风向，射线长短表示污染物系数大小，线段端点相连构成污染物系数玫瑰图。污染物系数越大，下风方向的污染就越严重。应依据污染系数玫瑰图控制周边地区的点状污染源布局，如能源设施、垃圾处理设施等。对周边环境有影响的敏感设施应选在大气扩散条件好的地段（污染系数较小的方向）或被保护对象的下风向。
Note7
大风区、小风区分布图
由于北京冬季整体风速比夏季高，研究定义夏季大风区为平均风速 > 2.5m/s的区域，小风区为平均风速 < 2m/s的区域。冬季大风区为平均风速 > 3.5m/s的区域，小风区为平均风速 < 2.5m/s的区域。
Note8
冷空气受阻区域
综合考虑冬、夏风矢与小风区的分布关系，寻找空气导流受阻地区。结合地区存量更新改造，重点标记了需要改善通风环境地区和气流通道。
基于北京城市环境气候图，
又有哪些规划策略建议呢？
敬请期待......
作者
尹慧君 北京市城市规划设计研究院 详细规划所
吕海虹 北京市城市规划设计研究院 详细规划所
贺晓冬 中国气象局北京城市气象研究所
崔吉浩 北京市城市规划设计研究院 详细规划所
致谢：特此感谢中国城市规划学会常务理事、城市设计学术委员会副主任委员、北京市城市规划设计研究院王引总规划师，中国气象局北京城市气象研究所苗世光所长对研究的大力支持。
参考文献
[1] 佟华, 刘辉志，李延明，等.北京夏季城市热岛现状及楔形绿地规划对缓解城市热岛的作用[J].应用气象学报，2005（3）:375-366.
[2] 史军, 梁萍，万齐林，等.城市气候效益研究进展[J].热带气象学报，2011（6）:942-951.
[3] 白杨, 王晓云，姜海梅，等.城市热岛效应研究进展[J].气象与环境学报，2013（2）:101-106
[4] 石涛, 杨元建，马菊，等.基于MODIS的安徽省代表城市热岛效应时空特征, [J].应用气象学报，2013（4）:484-494.
[5] 赵娜，刘树华，虞海燕.近48年城市化发展对北京区域气候影响分析[J].大气科学，2009（4）:373-385.
[6] 李书严，陈洪滨，李伟.城市化对北京地区气候的影响[J].高原气象,2008(5):1102-1110.
[7] 徐阳阳，刘树华，胡非，等.北京城市化发展对大气边界层特性的影响[J].大气科学，2011（2）:859-867.
[8] 窦晶晶，王迎春，苗世光.北京城区近地面比湿和风场时空分布特征[J].应用气象学报，2014（5）:559-569.
[9] 任超，吴恩融，卢茨 卡施纳.城市环境气候信息在德国城市规划中的应用及启示[J].国际城市规划，2013，28（5）：91-98.
[10] 任超，吴恩融.城市环境气候图——可持续城市规划辅助信息系统工具[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[11] 杜吴鹏，房小怡，刘勇洪，等.基于气象和GIS技术的北京中心城区通风廊道构建初探[J].城市规划学刊，2016，231（5）：79-85.
[12] 任超，袁超，何正军，吴恩融.城市通风廊道研究及其规划应用[J].城市规划学刊，2014，216（3）：52-60.
[13] He, X.D., Shen, S.H., Miao, S.G., Dou, J.J., Zhang, Y.Z. Quantitative detection of urban climate resources and the establishment of an urban climate map (UCMap) system in Beijing. Building and Environment. 2015, 92: 668-678.
[14] 贺晓冬，苗世光，窦晶晶，等.北京城市气候图系统的初步建立[J].南京大学学报(自然科学)，2014,50（6）.
[15] Baumüller, J., Reuter, U. Demands and Requirements on a Climate Atlas for Urban Planning and Design. Stuttgart, Germany: Office of Environmental Protection, 1999.
[16] Katzschner, L. Designation of Urban Climate Qualities and Their Implementation in the Planning Process. Paper presented at the Environmentally Friendly Cities, PLEA’98. Lisbon, Portugal: James & James Science Publishers Ltd., 1998: 75-78.
[17] Alcoforado, M. J., Andrade, H., Lopes, A., Vasconcelos, J. Application of climatic guidelines to urban planning-The example of Lisbon (Portugal). Landscape and Urban Planning. 2009, 90: 56-65.
[18] Ichinose, T., Shimodozono, K., Hanaki, K. Impact of anthropogenic heat on urban climate in Tokyo. Atmospheric Environment. 1999, 33: 3897-3909.
[19] TMG. Guidelines for Heat Island Control Measure: Measures to address Heat Island. Tokyo: Bureau of the Environment of Tokyo Metropolitan Government, 2005.
[20] Ng, E. Towards planning and practical understanding of the need for meteorological and climatic information in the design of high-density cities: A case-based study of Hong Kong. International Journal of Climatology. 2012, 32: 582-598.
[21] Ren, C., Lau, K.L., Yiu, K.P., Ng, E. The application of urban climatic mapping to urban planning of high-density cities: The case of Kaohsiung, Taiwan. Cities. 2013, 31: 1-16.
[22] Zinzi, M., Agnoli, S. Cool and green roofs. An energy and comfort comparison between passive cooling and mitigation urban heat island techniques for residential buildings in the Mediterranean region. Energy and Buildings. 2012, 55: 66-76.
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