文/沈陽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 徐思佳

沈陽建筑大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑研究院 李 綏

0 引言

近年來，極端高溫天氣頻繁發(fā)生，強度大、影響范圍廣，對居民的生產(chǎn)生活造成強烈的外部干擾和更高的死亡風(fēng)險，加劇城市內(nèi)部不平衡，成為一種嚴重的氣候災(zāi)害[1]，在我國溫度超過35℃的天氣為極端高溫天氣[2]?！?020年中國氣候公報》指出，全國年平均氣溫比常年偏高0.7℃，為有氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計以來第8個最暖年，高溫出現(xiàn)時間早，與近十年平均值相比，氣候災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失偏高。極端高溫天氣將以發(fā)生頻率更高、高溫強度更強和單次持續(xù)時間更長為特點影響更多區(qū)域。本文以沈陽市三環(huán)為例，研究近61年來高溫事件的時空變化特征，構(gòu)建沈陽市高溫風(fēng)險空間識別體系，為制定相關(guān)高溫災(zāi)害防治措施提供參考。

1 研究背景

1.1 沈陽市概況

沈陽屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站統(tǒng)計，沈陽在2018年8月2日出現(xiàn)極端最高氣溫為38.4℃。此次研究范圍為沈陽市三環(huán)，包括沈河區(qū)、和平區(qū)、沈北新區(qū)、渾南區(qū)、于洪區(qū)、皇姑區(qū)、大東區(qū)和鐵西區(qū)8個區(qū)，共包含77個街道，面積455km2。根據(jù)《沈陽統(tǒng)計年鑒2020》，三環(huán)內(nèi)皇姑區(qū)總?cè)丝诿芏茸罡?，?2703人/km2；其次是和平區(qū)，為12205人/km2；第三是沈河區(qū)，為11903人/km2；第四是大東區(qū)，為6465人/km2，沈北新區(qū)人口密度最低，為373人/km2。根據(jù)人口密度等級，沈陽市人口密度等級為第一級人口密集區(qū)。

1.2 研究方法

結(jié)合相關(guān)城市高溫事件研究，本文主要參考城市中觀尺度評價方法[3]。城市尺度評價方法的主要參考因素分為氣象因素、地形或地表覆蓋和建筑3類，特別參考人的因素，此次沈陽市高溫風(fēng)險空間識別評價體系采用氣候因素與人的因素結(jié)合的方式，采用的方法為基于大氣校正法的Landsat8地表溫度計算和指標評價結(jié)合，在指標賦權(quán)相關(guān)研究中采用層次分析法，即通過專家主觀打分的方式確定權(quán)重。此次研究采用的方法有意保持簡單和透明，即同一層級采用相同權(quán)重，以消除過多復(fù)雜的方法，并有助于向相關(guān)學(xué)者解釋及讓相關(guān)學(xué)者對評價方法進行修改。劃分定義的優(yōu)點是過程清晰、透明，并簡化GIS中分層系統(tǒng)的分析[4]。

此次建立的高溫風(fēng)險空間識別評價體系如表1所示，由于高溫天氣下的高溫空間直接影響人的健康而形成風(fēng)險空間，故準則層為高溫災(zāi)害性和人口脆弱性，權(quán)重均為0.500。人口脆弱性分為3個指標，其中人口密度反映了高溫天氣下的人口暴露程度，兒童和老年人口密度是高溫天氣下的易感人群，將兒童與老年人口密度采取相同的權(quán)重，即各為0.125[5]。通過AcrGIS軟件將各數(shù)據(jù)柵格（100m×100m）處理，采用自然斷點法處理為5類，最終形成高暴露風(fēng)險區(qū)、較高暴露風(fēng)險區(qū)、中暴露風(fēng)險區(qū)、較低暴露風(fēng)險區(qū)和低暴露風(fēng)險區(qū)。

表1 沈陽市高溫風(fēng)險空間識別評價體系

1.3 數(shù)據(jù)來源

1）沈陽市氣象數(shù)據(jù) 沈陽氣溫觀測數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和沈陽市氣象局提供的沈陽站基本氣溫數(shù)據(jù)。

2）遙感影像數(shù)據(jù) 地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載的2018年8月2日Landsat8 OLI_TIRS系列遙感影像。

3）人口數(shù)據(jù) 人口數(shù)據(jù)來源于全國第六次人口普查，由于人口數(shù)據(jù)為2010年，遙感反演數(shù)據(jù)為2018年，人口數(shù)據(jù)具有歷史性，所以結(jié)合NASA網(wǎng)站數(shù)據(jù)進行綜合調(diào)整。

2 結(jié)果與分析

2.1 沈陽市極端高溫天氣時空變化特征

沈陽市1962—2019年高溫天氣的天數(shù)變化特征如圖1所示，2000年以前高溫天氣對沈陽市影響較小，2000年以后高溫天氣發(fā)生天數(shù)明顯增多，其中2017年高溫天數(shù)為5d，2018年高溫天數(shù)為8d。從數(shù)據(jù)中可看出，高溫天氣將成為沈陽居民要面臨的氣候風(fēng)險之一。

圖1 沈陽市1962—2019年高溫天氣天數(shù)變化特征

沈陽市高溫天氣強度變化特征如圖2所示，對發(fā)生高溫天氣的年份進行分析可看出，這幾年的平均溫度為35.87℃，1997，2000，2001年及2017—2019年的氣溫高于平均氣溫，其中2018年出現(xiàn)歷史極值38.40℃，超過平均值2.53℃。從整體來看高溫波動強度變化較大，從2000年開始有增強趨勢，2017年有單次增強趨勢。

圖2 沈陽市1962—2019年高溫天氣強度變化特征

為反映沈陽市三環(huán)空間在發(fā)生高溫天氣時的空間分異特征，以沈陽市2018年8月2日單次高溫天氣為例，通過Landsat8 OLI_TIRS遙感影像反演地表溫度在30～63℃，采用自然間斷點分級法分為5級，分別為低溫區(qū)（30.0～35.0℃），較低溫區(qū)（35.1～40.0℃），中溫區(qū)（40.1～45.0℃），較高溫區(qū)（45.1～50.0℃），高溫區(qū)（50.1～63.0℃），如圖3所示。各級面積占比依次為較高溫區(qū)（40.88%），中溫區(qū)（37.06%），高溫區(qū)（12.40%），較低溫區(qū)（7.62%），低溫區(qū)（2.04%）。低溫區(qū)和較低溫區(qū)面積極小，尚不足10%，土地覆蓋類型為河流和公園綠地等；高溫區(qū)和較高溫區(qū)面積較大，超過50%，土地覆蓋類型主要為工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)等不透水層。從反演結(jié)果來看，高溫區(qū)主要分布在中部、西部和北部，低溫區(qū)主要分布在東部和南部。

圖3 沈陽市2018年8月2日ENVI溫度反演結(jié)果

2.2 沈陽市人口分布特征

為較好地展現(xiàn)沈陽市人口在高溫天氣下暴露度情況，基于第六次人口普查數(shù)據(jù)和NASA官網(wǎng)提供的人口預(yù)測數(shù)據(jù)，將總?cè)丝诿芏?、兒童人口密度和老年人口密度?shù)據(jù)進行可視化分析，采用自然斷點法將計算結(jié)果分為5個等級。2018年沈陽市總?cè)丝诿芏?、兒童人口密度和老年人口密度呈相似特征，整體呈中間高邊緣低的空間特征，市中心與邊緣區(qū)差異較大，高密度區(qū)與次高密度區(qū)集中分布于沈陽市一環(huán)內(nèi)。

2.3 沈陽市高溫暴露風(fēng)險空間識別

運用前文所提的街區(qū)尺度下高溫天氣風(fēng)險空間識別的定量評價方式，計算沈陽市三環(huán)內(nèi)各街道高溫天氣風(fēng)險空間相關(guān)指數(shù)，結(jié)果如圖4所示，沈陽市三環(huán)內(nèi)暴露風(fēng)險空間整體呈內(nèi)高外低的分布特征。其中高暴露風(fēng)險空間面積占整個沈陽市三環(huán)面積的6.19%，較高暴露風(fēng)險空間面積占整個沈陽市三環(huán)面積的16.81%，中暴露風(fēng)險空間面積占整個沈陽市三環(huán)面積的18.63%，較低暴露風(fēng)險空間面積占整個沈陽市三環(huán)面積的51.74%，低暴露風(fēng)險空間面積占整個沈陽市三環(huán)面積的6.63%。城市核心區(qū)多表現(xiàn)出高和極高風(fēng)險性，距城市中心越遠，風(fēng)險性越低，中心城南部風(fēng)險性數(shù)值下降速度更快。沈陽市三環(huán)各區(qū)中沈河區(qū)暴露風(fēng)險最高，皇姑區(qū)位列第二，鐵西區(qū)位列第三，可看出高暴露風(fēng)險空間分布于城市中心和老城區(qū)。

圖4 沈陽市100m×100m尺度下高溫天氣風(fēng)險空間評價結(jié)果

將評價后的柵格結(jié)果落入各街道并求平均值的計算公式，得出各街區(qū)的風(fēng)險值（見圖5），從整體分布來看，中心區(qū)街道風(fēng)險值高于邊緣地區(qū)，三環(huán)內(nèi)西部街區(qū)風(fēng)險值降低較緩慢，風(fēng)險較高，東部街道次之，南部和北部街區(qū)風(fēng)險值降低較快。在三環(huán)內(nèi)所有街道中處于高風(fēng)險區(qū)的街道依次為大西街道、黃河街道和濱河街道，低暴露風(fēng)險指數(shù)最低的為造化街道，第二為東湖街道，第三為文官街道（見表2）。

圖5 沈陽市三環(huán)內(nèi)街區(qū)尺度下高溫天氣風(fēng)險街區(qū)評價結(jié)果

表2 沈陽市各風(fēng)險區(qū)各區(qū)街道占比

通過統(tǒng)計沈陽市三環(huán)內(nèi)各風(fēng)險區(qū)各區(qū)街道數(shù)量可看出，高風(fēng)險區(qū)內(nèi)沈河區(qū)與鐵西區(qū)包含的街道數(shù)量最大，風(fēng)險度越大，較高風(fēng)險區(qū)中大東區(qū)包含的街道數(shù)量最大，該數(shù)據(jù)同樣說明沈陽市中心城區(qū)和老城區(qū)是高溫天氣下高暴露風(fēng)險區(qū)。

由以上分析可知，沈陽市高溫天氣發(fā)生天數(shù)和強度自2000年以來有增強趨勢，增大對居民健康的影響。通過運用ENVI遙感反演技術(shù)、ArcGIS軟件和可視化平臺展現(xiàn)了沈陽市三環(huán)內(nèi)高溫區(qū)在中部和西部集中，南部和北部分散的特征，低溫區(qū)主要分布于渾河和公園綠地地區(qū)，呈分散布局方式。結(jié)合沈陽市高溫暴露風(fēng)險評價體系，沈陽市三環(huán)內(nèi)55個街道高溫暴露風(fēng)險空間分布不均衡，呈內(nèi)高外低、西北高東南低的分布特征，高暴露風(fēng)險區(qū)與次高暴露風(fēng)險區(qū)集中分布于城中心和西部，該區(qū)內(nèi)居民在高溫災(zāi)害事件中面臨風(fēng)險較大。

3 調(diào)控措施

為增強城市對高溫氣候的擾動能力，發(fā)揮街道應(yīng)對高溫風(fēng)險潛力，此次研究從街區(qū)尺度下提出調(diào)控策略，優(yōu)化人居環(huán)境，適應(yīng)高溫天氣，減緩高溫風(fēng)險。早在2000年，國外學(xué)者已經(jīng)開展自然解決途徑的探索，雖然具體理解有差異，實質(zhì)均可分為保護、恢復(fù)和重建自然生態(tài)系統(tǒng)，從而達到應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的目的。英國、澳大利亞、意大利等國提出自然解決途徑降低高溫天氣事件影響的策略，即提高城市綠植覆蓋面積和數(shù)量，具體策略包括積極建設(shè)城市森林和公園以改善城市熱島問題，使用多孔人行道和建設(shè)綠色屋頂?shù)确绞礁纳凭幼…h(huán)境，同時注重綠色基礎(chǔ)設(shè)施間結(jié)構(gòu)的多樣性、冗余性和連通性。

本文在借鑒國外經(jīng)驗的同時，首先分析沈陽市植被覆蓋度情況，通過ENVI遙感反演軟件得到沈陽市三環(huán)內(nèi)綠地率，如圖6所示。綠地率不足12.5%的面積占三環(huán)內(nèi)面積的10%，且多集中于城中心；綠地率在12.6%～25.0%占三環(huán)內(nèi)面積的30%；25.1%～30.0%的綠地率占三環(huán)內(nèi)面積的28%。三環(huán)內(nèi)綠地率小于30.0%的綠地率面積占比高達68%，提升植被覆蓋度成為沈陽市三環(huán)內(nèi)減緩高溫天氣對城市居民影響的有效手段。

圖6 沈陽市2018年8月2日ENVI植被覆蓋度結(jié)果

從街區(qū)尺度考慮，以大西街道為例，該街道是沈陽市三環(huán)內(nèi)高溫暴露風(fēng)險最大的街道，如圖7所示。大西街道建筑密度大且植被覆蓋率低，難以增加大面積綠化活動場地，可從道路、墻體及屋頂3個方面進行調(diào)控，如圖8所示[6]。

圖7 大西街道現(xiàn)狀

圖8 街區(qū)尺度下綠化調(diào)控策略

1）道路調(diào)控措施 根據(jù)沈陽市不同道路等級，沈陽市主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)，在林杏街、奉天街和西順城街主干道采用對稱的樹組合，形成街道風(fēng)廊以改善熱環(huán)境，在東西走向的大西路采用不對稱的樹組合，在支路上采用單排樹形式，改善人居環(huán)境。

2）墻體綠化調(diào)控措施 植物應(yīng)選擇夏日遮陽、冬日落葉的類型，從而保障在夏季可調(diào)節(jié)高溫天氣，在冬季不影響房間采光。根據(jù)墻體情況，有表面織物且圍護效果好的墻面可選擇攀爬類綠墻，對于可建設(shè)培養(yǎng)基的墻面可選擇模塊化培育基綠墻和水培槽培養(yǎng)基綠墻。

3）屋頂綠化調(diào)控措施 根據(jù)沈陽市氣候條件，宜選擇耐寒耐旱植物，根據(jù)不同樓體承重結(jié)構(gòu)，按基土厚度分為5類，種植不同高度植物。通過這些有效手段，降低高溫災(zāi)害風(fēng)險，改善人居環(huán)境，為居民提供可持續(xù)發(fā)展的生活環(huán)境。

4 結(jié)語

此次研究還存在評價體系指標選取、人口數(shù)據(jù)誤差、自然解決途徑策略調(diào)控的局限性。在評價體系指標選取時只選取少數(shù)必要因素，采用高溫遙感反演數(shù)據(jù)與人口密度數(shù)據(jù)在ArcGIS進行適宜性評價時，溫度遙感反演數(shù)據(jù)為2018年，人口數(shù)據(jù)為第六次人口普查數(shù)據(jù)，為消除歷史性，結(jié)合NASA網(wǎng)站提供的人口預(yù)測數(shù)據(jù)進行修訂，數(shù)據(jù)存在微差[7]，調(diào)控措施和相關(guān)設(shè)計未進行數(shù)值量化并評估等，這也將為日后的相關(guān)研究提供方向。