王龍歡 賈炳浩 戈曉宇

0 引言

氣候變化背景下，城市的可持續(xù)發(fā)展面臨一系列風(fēng)險挑戰(zhàn)。海平面上升導(dǎo)致沿海城市受到嚴(yán)重影響，糧食、土地、淡水資源供應(yīng)面臨中斷風(fēng)險；城市熱島效應(yīng)加劇，城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化，危及人體健康和生命安全；極端天氣氣候事件頻發(fā)導(dǎo)致城市內(nèi)澇風(fēng)險增加[1-2]。隨著城市化進程加快，城市群生態(tài)脆弱性加劇，氣候變化的不利影響已經(jīng)成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重大問題[3]。不合理的城市空間布局會進一步加劇氣候變化帶來的負(fù)面影響。因此，如何適應(yīng)氣候變化對城市環(huán)境帶來的影響，對推動氣候適應(yīng)型城市建設(shè)十分必要。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施是在盡量不改變自然環(huán)境的前提下，利用自然條件和自然規(guī)律的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[4]。在城市規(guī)劃與建設(shè)中，綠色基礎(chǔ)設(shè)施與綠地、綠道、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)等互相聯(lián)系，形成具有自然生態(tài)功能和價值的開放空間體系，為城市和社區(qū)居民提供高品質(zhì)的生活環(huán)境[5]。除了常規(guī)的綠地系統(tǒng)外，收集、凈化山區(qū)地表水資源，并將其納入城市供水系統(tǒng)，以此保障生態(tài)過程正常運行，創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的人居環(huán)境，也是綠色基礎(chǔ)設(shè)施的重要功能之一。城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施可以豐富城市景觀，改善城市環(huán)境質(zhì)量，在減緩或降低城市發(fā)展面臨的災(zāi)害風(fēng)險方面發(fā)揮重要作用。

作為京津冀、長三角、珠三角三大城市群中的典型城市，北京、上海、廣州在快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展趨勢下，人口、資源與氣候、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，城市適應(yīng)氣候變化風(fēng)險的能力十分薄弱[6]。通過營造生態(tài)健康、舒適人居環(huán)境的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，為建設(shè)安全宜居的氣候韌性城市做出貢獻；同時探究其時空分布特征及與氣候要素的關(guān)系，對指導(dǎo)氣候韌性城市建設(shè)、提高城市應(yīng)對氣候風(fēng)險的綜合防護能力具有重要意義。近年來，隨著城市化進程加快，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)識到氣候韌性城市發(fā)展的重要性，在緩解城市熱島效應(yīng)、城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的降溫作用及機理等方面開展了大量研究工作[7-8]。一些學(xué)者從城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對氣候變化的理念方面，詳細地分析了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)價值，基于氣候因子探討了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計策略[9-10]。Demuzere等從城市、鄰里和場地不同尺度構(gòu)建了綠色基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)氣候變化[11]；劉長松提出了風(fēng)景園林應(yīng)對氣候變化的設(shè)計策略[12]；李瀚以小城鎮(zhèn)為例探討了氣候適應(yīng)型綠色基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計方法[13]。除了理論研究，也有學(xué)者通過實測和模型模擬量化分析了城市空間與氣候的關(guān)系。Aleksandra等展示了不同國家在應(yīng)對城市氣候問題時采取的綠色或藍色基礎(chǔ)設(shè)施方法，并從氣候變化對城市的影響、城市適應(yīng)措施以及應(yīng)對主題等方面進行了案例研究[14]；Galagoda等通過現(xiàn)場實驗、模擬和問卷調(diào)查研究了垂直綠化系統(tǒng)對熱帶微氣候變化和人體舒適度的影響[15]；Bass等利用氣象模式模擬了屋頂綠化對緩解城市熱島效應(yīng)的影響[16]。綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于氣候韌性城市的研究在城市規(guī)劃和綠色基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域已經(jīng)取得一定的成果，但總體而言，氣候變化對綠色基礎(chǔ)設(shè)施影響的研究仍然相對較少，且已有研究主要集中于理論框架設(shè)計，基于數(shù)據(jù)資料的定量刻畫研究仍較缺乏。本研究以北京、上海、廣州為研究案例，從空間分異和時序演變特征角度，分析了1980—2015年氣候要素、城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)特征演化，從而揭示氣候變化對城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的影響。最后，基于分析結(jié)果闡述綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)對氣候變化方面的啟示，以加快推動氣候韌性城市建設(shè)。

1 研究案例和數(shù)據(jù)來源

北京是中國的政治、經(jīng)濟和文化交流中心，具有重要的國際影響力，位于華北平原西北部，背靠燕山，參照《北京市城市總體規(guī)劃（2016—2035）》[17]，總陸域面積為16 410 km2，氣候為暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候。上海地處太平洋西岸，亞洲大陸東沿，長江三角洲前緣，地理位置優(yōu)越，是經(jīng)濟、金融、貿(mào)易和航運中心，全市總陸域面積為6 787 km2。上海屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。廣州地處珠江入?？?，是國家綜合性門戶城市、南方經(jīng)濟中心，全市土地總面積7 287 km2。廣州屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足、溫暖多雨。選取北京、上海、廣州為研究案例的主要原因是城市快速發(fā)展過程占用了大量的耕地，土地利用格局發(fā)生了較大調(diào)整[18-19]。在氣候變化與城市擴張雙重影響下，城市極端天氣氣候事件增加，城市生態(tài)環(huán)境問題突出，超大城市與城市群要通過城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)促進人口資源環(huán)境與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展。這迫切需要評估城市規(guī)劃及其氣候環(huán)境效應(yīng)，對于提高城市減緩與適應(yīng)氣候變化能力具有重要意義。

本研究的土地利用變化數(shù)據(jù)來自中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫（www.resdc.cn），該 數(shù) 據(jù) 集 包 括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期，空間分辨率為1 km。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型及25個二級類型。在結(jié)果分析前使用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS將土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為NetCDF（nc）格式的文件，使用科學(xué)數(shù)據(jù)處理和可視化語言（The National Center for Atmospheric Research Command Language,NCL）將土地類型進行重分類后出圖，本研究中城市內(nèi)耕地、林地、草地、水域均作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施用地。氣候要素數(shù)據(jù)來自中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集，包括近地面氣溫（K）、近地面全風(fēng)速（m/s）、地面向下短波輻射（W/m2）、地面降水率（mm/a），時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°×0.1°。該數(shù)據(jù)集是以國際上現(xiàn)有的再分析資料和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，融合了中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)制作而成，其精度介于氣象局地面觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間，并好于國際上已有再分析產(chǎn)品[20-22]。為了同土地利用數(shù)據(jù)的年時間序列進行對比，氣象要素數(shù)據(jù)通過NCL軟件轉(zhuǎn)換為年時間序列。本研究采用一元線性回歸分析法分析北京、上海、廣州的綠色基礎(chǔ)設(shè)施面積及氣象要素的變化趨勢。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)土地利用類型及重分類得到北京、上海、廣州的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的時空分布（圖1）?？傮w來看：北京市綠色基礎(chǔ)設(shè)施主要分布在延慶、密云等生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，過去35年城市化過程中建設(shè)用地擴張較為明顯，城市用地整體集中在東南部地區(qū)；上海市綠色基礎(chǔ)設(shè)施用地在城市化進程中急劇減少，城市用地集中于中部地區(qū)，城市整體擴張強度大于北京；廣州市綠色基礎(chǔ)設(shè)施用地在1980—2015年減少了12%，主要集中于花都區(qū)、番禺市，荔灣區(qū)、越秀區(qū)，城市擴張強度遠小于上海。

1 城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施變化Variation of urban green infrastructure

通過中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集，獲得3個城市1980—2015年氣候要素分布（圖2～5），結(jié)果表明：北京地區(qū)年降水空間分布不均，東北部降水高值區(qū)與地形關(guān)系密切[23]。1995年相對于1980年降水增加顯著，可能原因之一是城市化進程加快導(dǎo)致城市地表粗糙度變化及熱島效應(yīng)，進而導(dǎo)致降水量增多[24]。上海、廣州的年降水量變化與北京類似，1980—2005年城市化進程加快對降水影響顯著，年降水量整體呈現(xiàn)增加的趨勢。

2 降水量變化Variation of precipitation

3 氣溫變化Variation of surface temperature

4 風(fēng)速變化Variation of wind velocity

5 太陽輻射變化Variation of solar radiation

根據(jù)圖1可知，北京、上海、廣州1980年之后城市化進程加快，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施用地驟減，引起城市熱島效應(yīng)增強（圖3）。北京東南部地區(qū)城市化使得年平均氣溫明顯升高，2015年北京北部城區(qū)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施用地增加并不顯著，升溫仍然明顯，這說明人口增加帶來的人為熱也是城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的原因之一[25]。上海城市化進程加快，城區(qū)及近郊地區(qū)升溫明顯，遠郊地區(qū)金山區(qū)2015年年平均氣溫相較于1980年顯著增加。廣州地區(qū)高溫分布區(qū)域和城市分布基本一致，由于廣州地區(qū)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施變化相對北京、上海較?。▓D1），因此，其氣溫變化并不顯著。

從風(fēng)速的空間分布來看（圖4），沿海地區(qū)風(fēng)速要高于內(nèi)陸地區(qū)，上海東部沿海區(qū)風(fēng)速增加，主要與濱海地區(qū)無地形阻擋有關(guān)。由于城市化進程改變了城市下墊面，例如城市高樓增加了地表粗糙度，增強了對風(fēng)力的削弱作用，引起風(fēng)速下降，這在北京地區(qū)更為明顯。太陽輻射的變化也與城市建設(shè)有關(guān)，3個城市的入射太陽輻射略有減少（圖5），但近年來氣溫升高，這說明城市化的升溫效應(yīng)大于太陽輻射減少的降溫效應(yīng)[26]。

1980—2015年北京、上海、廣州綠色基礎(chǔ)設(shè)施面積及氣候要素的時間序列和趨勢顯示：受全球氣候變暖和城市化等人類活動影響，3個城市的年平均氣溫自1980年開始呈現(xiàn)顯著上升趨勢，年平均氣溫最高值出現(xiàn)在2007年左右（圖6）。利用一元線性回歸方法得到3個城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施及氣候要素的變化趨勢（圖6中虛線），2000年左右，上海、廣州城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施面積明顯增加，綠色基礎(chǔ)設(shè)施是構(gòu)建生態(tài)宜居、綠色城市的重要保障，可以有效促進城市經(jīng)濟與自然和諧發(fā)展，由氣溫變化可以發(fā)現(xiàn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施對溫度降低具有顯著效果。2000—2005年上海、廣州氣溫開始降低（降溫速率分別為-0.02 K/a，0.01 K/a），北京市氣溫升高速率明顯減小。2007—2015年北京市氣溫以-0.03 K/a的速率呈現(xiàn)波動式下降，這與城市擴張速度放緩有關(guān)。2014年溫度回升，這可能與厄爾尼諾事件有關(guān)，厄爾尼諾期間黑潮區(qū)海溫演變影響大氣環(huán)流的變化，冷空氣勢力不強，我國北方地區(qū)出現(xiàn)暖冬現(xiàn)象[27-28]。2005—2015年，雖然城市擴張速率減小，但城市化進程增加了城市高樓的數(shù)量，地表粗糙度增加，引起風(fēng)速下降，這在上海地區(qū)較為明顯。

6 1980—2015年北京、上海、廣州綠色基礎(chǔ)設(shè)施、降水、溫度、風(fēng)速、太陽輻射的年際變化Annual variations of green infrastructure, precipitation,temperature, wind velocity and solar radiation in Beijing,Shanghai and Guangzhou (1980-2015)

3 城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在應(yīng)對氣候變化方面的啟示

全球變暖及城市化的疊加效應(yīng)，使得城市更易受到氣候變化所帶來的負(fù)面影響。同時，城市生產(chǎn)生活排放的二氧化碳和污染物占比很大，隨著城市面積擴張與城市人口增加，未來城市面臨的氣候變化風(fēng)險形勢會更為嚴(yán)峻。另外，城市建筑集中、人口密集，是氣候變化的高風(fēng)險地區(qū)，氣候變化背景下高溫?zé)崂?、極端降水等事件頻發(fā)，對人體健康和社會經(jīng)濟發(fā)展等方面都會帶來不利影響，進而制約城市發(fā)展。根據(jù)上述對3個典型城市的綠色基礎(chǔ)設(shè)施和氣候要素數(shù)據(jù)分析結(jié)果可看出，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施可通過改變土地利用格局影響城市水分、能量過程，減緩城市熱島效應(yīng)。因此，應(yīng)對氣候變化的城市規(guī)劃設(shè)計可以通過合理調(diào)整土地利用格局、科學(xué)規(guī)劃綠色基礎(chǔ)設(shè)施、提高綠化覆蓋率以緩解氣候變化和極端事件影響。

3.1 城市規(guī)劃與城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施配套，提高綠化覆蓋率

北京、上海、廣州根據(jù)城市園林綠化建設(shè)實際需要，出臺了一系列政策措施，統(tǒng)籌安排城市綠地、林地等具有生態(tài)功能的土地布局，有效促進了生態(tài)保護與建設(shè)。但城市人口密度過大、產(chǎn)業(yè)集中、高樓建筑密集，少量且獨立的公園、保護區(qū)難以發(fā)揮綠色基礎(chǔ)設(shè)施的作用，制約了城市人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，也增加了綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)任務(wù)的艱巨性，不利于適應(yīng)氣候變化的韌性城市建設(shè)。因此城市規(guī)劃應(yīng)與綠色基礎(chǔ)設(shè)施配套，通過更多的草地、濕地、森林等提高綠化覆蓋率。

3.2 以復(fù)合功能為導(dǎo)向增強綠色基礎(chǔ)設(shè)施

目前城市氣候仍然面臨嚴(yán)峻的環(huán)境問題，如：人口集中、高密度建筑帶來的城市通風(fēng)差、夏季高溫?zé)崂思岸敬髿馕廴締栴}。如何改善城市人居環(huán)境、提高城市舒適度是城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要目標(biāo)。因此，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計要注意保護景觀的連續(xù)性，并重視其復(fù)合功能，除了增加綠地面積強調(diào)綠化覆蓋率外，還要注重增強其他綠色基礎(chǔ)設(shè)施，例如建筑立面設(shè)計綠化墻、建筑屋頂嵌入綠色景觀、利用地形或設(shè)計斜坡有效儲存雨水、提高水資源循環(huán)利用等。同時注重因地制宜，考慮不同地區(qū)的差異和特色，以復(fù)合功能為導(dǎo)向完善城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

4 結(jié)語

筆者以北京、上海、廣州為研究案例，從時序變化、空間分異2個層面，分析了過去35年（1980—2015年）的氣候要素、城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)特征演化，揭示了氣候變化對城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的影響，以期為氣候適應(yīng)型城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的布局規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。研究發(fā)現(xiàn)：受氣候變暖和城市化等人類活動影響，城市熱島效應(yīng)增強，3個典型城市的年平均氣溫在過去35年呈現(xiàn)顯著上升趨勢；綠色基礎(chǔ)設(shè)施可改善城市熱環(huán)境，緩解熱島效應(yīng)，3個城市2010年和2015年擴張速度減緩，導(dǎo)致溫度有所降低。

本研究主要從時空演變角度分析了氣候變化對城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的影響，后續(xù)研究將豐富研究區(qū)域并提高數(shù)據(jù)的精度，同時結(jié)合地球系統(tǒng)模式或氣候系統(tǒng)模式的未來預(yù)估結(jié)果，探討不同預(yù)估情景下，特別是國家碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)下，我國城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施對氣候變化的響應(yīng)及應(yīng)對措施，從而為我國未來城市規(guī)劃與建設(shè)提供有效數(shù)據(jù)支撐。

圖片來源(Sources of Figures)：

文中圖片均由作者繪制，圖 1～5 底圖來自中華人民共和國自然資源部地圖技術(shù)審查中心標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)［審圖號為 GS(2019)3266、GS(2019)3333］及廣州市規(guī)劃和自然資源局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)［審圖號為粵 S(2020)-01-005］，土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn），氣象數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（data.tpdc.ac.cn）。