氣候適應(yīng)性城市中生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)性規(guī)劃研究進展及研究途徑

車生泉 李 鑫 梁安澤 CHE Shengquan, LI Xin, LIANG Anze

0 引言

氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)今社會普遍關(guān)注的全球性問題，威脅到了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。在過去的100年間，全球平均地表氣溫上升了0.74℃，未來100年全球平均地表溫度預(yù)計上升1.4—5.8℃。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）已分別于1990年、1994年、2001年、2007年和2013年相繼發(fā)布了5次評估報告，成為國際社會認(rèn)識和了解氣候變化問題的主要科學(xué)依據(jù)。其中，第2次評估報告首次提出了自然和人類系統(tǒng)面對氣候變化的脆弱性；第3次評估報告進一步對脆弱性提出了較完整的定義，認(rèn)為系統(tǒng)對氣候變化的脆弱性是氣候變化、系統(tǒng)敏感性與適應(yīng)性的組合；第4次評估報告又深入闡述了系統(tǒng)的脆弱性及適應(yīng)性能力方面的科學(xué)認(rèn)識；在IPCC第5次評估報告中，第二工作組報告從科學(xué)、技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟和社會等方面對氣候變化脆弱性、敏感性和適應(yīng)性進行全面評估，形成《氣候變化——影響、適應(yīng)和脆弱性》研究報告，強調(diào)了氣候變化導(dǎo)致災(zāi)害、社會經(jīng)濟發(fā)展聯(lián)系暴露度的綜合風(fēng)險與脆弱性和適應(yīng)性的聯(lián)系。此外，如何采用更廣泛的適應(yīng)性措施降低對氣候變化的脆弱性已成為該研究領(lǐng)域的重點問題。1997年，第一屆世界氣候大會宣言指出：“如果大氣中的二氧化碳含量仍像現(xiàn)在這樣不斷增加，氣溫上升到本世紀(jì)末將達到可觀測的程度，到下個世紀(jì)中葉將出現(xiàn)顯著的增溫現(xiàn)象。”聯(lián)合國氣候變化框架公約也明確指出，氣候變暖的主要原因是人類過度向大氣排放溫室氣體，增強了自然的溫室效應(yīng)。

城市是人類活動的主要區(qū)域，也是人類財富的主要聚集地。20世紀(jì)初，城市人口約2.5億，僅僅占世界人口約15%，而20世紀(jì)末，全球人口有接近一半居住在城市，城市的快速擴張使得城市對能源利用的需求迅速加大。全球經(jīng)濟迅速增長、城市擴張過程中能源利用增加的直接結(jié)果是全球溫室氣體的增加，調(diào)查也顯示溫室氣體中有70%以上來自城市地區(qū)。然而在快速城市化的背景下，城市的安全與抗風(fēng)險能力卻在減弱，世界自然基金會（WWF）2009年發(fā)布的報告《巨型城市面對的巨大壓力》指出，“許多城市在暴雨和洪水的威脅面前極端脆弱，大量的人員和資產(chǎn)在危機關(guān)頭的社會經(jīng)濟敏感性水平令人擔(dān)憂，這些城市在破壞性因素影響下缺乏自我保護能力”，在這樣的情況下，城市就成為全球應(yīng)對氣候變化的核心區(qū)域。但是城市由于其系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和氣候變化這一問題的復(fù)雜性，使得對城市系統(tǒng)應(yīng)對氣候變化的研究難度加大，起步較晚。

1 國內(nèi)外研究進展

由于城市系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于應(yīng)對氣候變化的現(xiàn)有研究主要有兩個方向。一個方向是研究單一因素與氣候變化的相互影響及適應(yīng)對策，與生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的有水資源管理、自然生態(tài)、公共健康等；另一個方向則是從整體角度研究，主要研究城市應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)對策。

水資源方面。Milly[1]等研究氣候變化影響下洪水的增多現(xiàn)象。Kathleen[2]等研究水資源與氣候變化的關(guān)系。Leopold L B、Jinkang Du和Okada N等[3-5]研究發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)流過程上看，城市高密度的硬化地面阻礙降雨下滲和滲透過程，提高地表的產(chǎn)流系數(shù)，加大了地表徑流量；從匯流過程上看，大部分地表徑流通過社會水循環(huán)由排水管網(wǎng)匯集到河道，增加了匯流的水力效率，導(dǎo)致河道洪峰流量增大，峰現(xiàn)時間提前。Nott Jonathan提出長時間的歷史洪水資料可以作為評估區(qū)域洪水災(zāi)害風(fēng)險的重要參考依據(jù)。Hans de Moel[6]利用荷蘭1900—2000年以及未來100年規(guī)劃的空間地理信息分析城市化對洪水產(chǎn)生的影響。Cutter、Mitchell、Clark G、Rygel L等[7-9]學(xué)者利用指標(biāo)體系從國家、市級尺度對洪水災(zāi)害風(fēng)險進行區(qū)劃和評估。Farley等[10]探討了氣候變化對俄勒岡山脈地區(qū)水資源脆弱性的影響，初步分析了氣候變化引起的敏感性與用水部門的適應(yīng)性和對策。Kelkar[11]等分析了印度Uttarakhand地區(qū)的氣候變化和水資源壓力的適應(yīng)性和脆弱性。Wu[12]等通過建立模擬水資源供需過程的系統(tǒng)動力模型，對巴音郭楞水資源脆弱性進行了評價。Chang[13]等利用水資源供需關(guān)系和水質(zhì)指標(biāo)，對哥倫比亞河流域水資源脆弱性進行了評價。國內(nèi)鄧慧平和趙明華[14]分析了氣候變化對山東省萊州灣地區(qū)水資源脆弱性的影響。唐國平等探討了氣候變化的水資源脆弱性及其評估方法。張建云和王國慶采用供需關(guān)系的指標(biāo)體系，評估了水資源脆弱性問題。Xia[15]等于2012年提出水資源脆弱性與系統(tǒng)的敏感性成正比，而與水資源系統(tǒng)的抗壓性成反比，構(gòu)建水資源脆弱性函數(shù)公式。

自然生態(tài)方面。研究發(fā)現(xiàn)氣候變化還會使得部分物種的適生面積縮小，生物多樣性下降；一些生態(tài)系統(tǒng)干旱頻率加大，荒漠化趨勢加重，脆弱性增加等。Jell[16]等在AIR-CLIM項目中，利用基于過程的平衡態(tài)陸地生物圈模型BIOME3對未來100年歐洲自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性進行研究，結(jié)果表明到2100年歐洲有9%—13%的范圍內(nèi)氣候變化對自然生態(tài)系統(tǒng)脆弱性有顯著影響，其中歐洲南部自然植被的脆弱性顯著增加，其主要原因是降水的減少。Simas[17]等采用生物地球化學(xué)模型與地形高程模型相結(jié)合，對歐洲西南部塔霍河流域自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性的研究表明，海平面上升95 cm時，下游沼澤單位面積的個體數(shù)將最終減為0，這意味著下游濕地生態(tài)系統(tǒng)將會徹底崩潰消失；而上游沼澤的個體密度下降約500個/m2時，生物量和生產(chǎn)力分別下降35%和50%，氣候變化使得該流域西北部的絕大部分濕地生態(tài)系統(tǒng)的個體數(shù)量下降，物種死亡率上升，生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性增加。而在對長江口濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究中，采用SPRC模型和IPCC脆弱性定義，構(gòu)建了氣候變化影響下長江口濱海濕地脆弱性評價模式，分析了氣候變化所導(dǎo)致的海平面上升對長江口濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的主要影響。

公共健康方面。Haines、Walpole和張燕等[18-20]研究指出，氣候變化及其引起的生態(tài)環(huán)境變化會導(dǎo)致死亡、營養(yǎng)不良和意外傷害的增加，傳染病的流行強度、范圍和傳播種類發(fā)生變化從而導(dǎo)致人群患病風(fēng)險和疾病負擔(dān)的加重，以及空氣污染等造成心肺系統(tǒng)疾病的增加等，對脆弱人群健康的影響則更為突出。張穎等通過在澳大利亞和中國的研究發(fā)現(xiàn)，溫度是對人體健康產(chǎn)生影響的主要因素，最高氣溫和最低氣溫對媒介傳播疾病、腸道傳染病等疾病都有明顯影響。也有研究顯示，平均氣溫的升高將增加傳染病、心腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、營養(yǎng)不良、損傷、精神障礙等各類疾病的患病風(fēng)險，造成疾病負擔(dān)的增加。熱浪天氣的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致中暑等一系列疾病的發(fā)生，對老年人、兒童、患病人群、貧困人群、戶外工作者等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。通過比較2003年中國上海熱浪和非熱浪期間的總死亡率、心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的相對危險度來評價熱浪的影響，研究發(fā)現(xiàn)熱浪會明顯增加心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病風(fēng)險，總死亡率也相應(yīng)增加。在澳大利亞的南部城市阿德萊德，熱浪與4%的救護車呼叫增高率、7%的日住院增加率以及4%的醫(yī)院急診住院增高率有關(guān)聯(lián)。美國芝加哥持續(xù)5天的高氣溫導(dǎo)致的死亡率比上年同期增加85%。英國倫敦1995年夏季高溫引起的死亡率增加16%。Costello等[21]綜述了應(yīng)對氣候變化應(yīng)采取的策略，指出提高氣候變化對健康影響的認(rèn)知水平是應(yīng)對氣候變化的非常重要的措施。

適應(yīng)性對策方面。Lara[22]等舉例闡述了城市氣候變化和適應(yīng)對策的相互影響，對華盛頓州的研究較為詳細地闡述了適應(yīng)的基本概念。彭仲仁[23]等認(rèn)為適應(yīng)氣候變化影響最為有效的方法是氣候變化的適應(yīng)性規(guī)劃；同時他從理論方法、方案實施和法律規(guī)章等方面分析了適應(yīng)性規(guī)劃遇到的問題和挑戰(zhàn)。孟婕等[24]總結(jié)了荷蘭在將城市適應(yīng)氣候概念融入城市規(guī)劃過程中遇到的幾種困境以及這些困境涉及的相關(guān)問題，在荷蘭城市規(guī)劃發(fā)展的基礎(chǔ)上，經(jīng)過試驗性的探討，最終得出將氣候適應(yīng)性措施融入城市規(guī)劃進程中的“三步走”策略。Dieter Grau[25]等指出，在全球氣候變化程度加劇的情況下，已經(jīng)出現(xiàn)具備氣候適應(yīng)性的城市生態(tài)區(qū)域設(shè)計理念。它從宏觀著眼，進行多學(xué)科合作，超出了對風(fēng)景園林定義的傳統(tǒng)理解。它將風(fēng)景園林的藝術(shù)性、人文關(guān)懷與工程的科學(xué)性結(jié)合，以市政工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用建模的方法，結(jié)合環(huán)境成本評估，在城市地上可見及地下不可見的部分進行藍綠基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。它在賦予城市生硬外表面以自然化、人性化、符合人與自然和諧共存標(biāo)準(zhǔn)的藍綠空間特征之余，切實地提出能夠幫助城市抵御氣候變化風(fēng)險、保障城市可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境開發(fā)策略。芝加哥的綠徑試點工程同樣大量應(yīng)用屋頂綠化等增綠設(shè)計手法，結(jié)合自然系統(tǒng)的水體循環(huán)過程達到應(yīng)有的氣候環(huán)境效益。德國巴登符騰堡州制定了屋頂綠化有關(guān)的法律標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，保證基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性設(shè)計，對城市應(yīng)對氣候變化起到場地規(guī)劃層面的控制約束作用。隨著氣候變暖，建筑從原來主要考慮冬季日照和保暖到現(xiàn)在需要考慮夏季遮陽和自然通風(fēng)，通過采用遮陽設(shè)施，創(chuàng)造居住小氣候。綠化對當(dāng)?shù)匚夂蛴兄e極的影響，一方面植被可以在夜間吸收CO2產(chǎn)生新鮮冷空氣，另一方面高覆蓋植被還可以降低熱負荷，所以應(yīng)盡可能地保護綠化空間，防止過度開發(fā)成建筑用地。通過發(fā)展高密度的居住區(qū)，提高能源供給效率和市政設(shè)施服務(wù)強度，并減少交通量，從而有效地降低CO2排放。降低房屋供暖能耗也有利于緩解空氣污染，因此供暖能耗與地形的關(guān)系也在規(guī)劃中給予充分考慮。

2 國際城市氣候適應(yīng)性規(guī)劃、政策等經(jīng)驗及其對我國城市的借鑒

全球約有1/5的城市制定了不同形式的適應(yīng)戰(zhàn)略，但很少制定具體詳實的行動計劃。目前最有代表性的城市適應(yīng)規(guī)劃有美國紐約的適應(yīng)計 劃（Cities: New York City: Climate Change Adaptation）、英國倫敦的適應(yīng)計劃（Climate Change Adaptation Strategy for London）、 美國芝加哥的氣候行動計劃（Chicago Climate Action Plan）、荷蘭鹿特丹的氣候防護計劃（The Rotterdam Climate Initiative，RCI）、厄 瓜 多爾基多市的氣候變化戰(zhàn)略（Quito's Climate Change Strategy）和南非德班的城市氣候保護計 劃（Climate Change Adaptation Planning）等。紐約市在2013年發(fā)布《一個更強大、更具韌性的紐約》，指出紐約的適應(yīng)計劃以建設(shè)韌性城市為理念，以提高城市抗擊未來氣象災(zāi)害風(fēng)險的能力為目標(biāo)，以提升城市未來競爭力為核心，以基礎(chǔ)設(shè)施和城市重建為切入點，以大規(guī)模資金投入為保障，全面構(gòu)建城市氣候防護體系，并根據(jù)氣候監(jiān)測結(jié)果及其他因素制定了符合自身情況的適應(yīng)目標(biāo)，將這些目標(biāo)植入總體規(guī)劃工作中以指導(dǎo)城市規(guī)劃具體行動。倫敦市在2011年推出了適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略《管理風(fēng)險和增強韌性》，以應(yīng)對長期以來困擾倫敦的持續(xù)洪澇、干旱和極端高溫等。而荷蘭鹿特丹的氣候防護計劃已于2006年啟動，通過在鹿特丹港口建立的碳存儲中心，將碳收集和儲存技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)濟市場，在保證鹿特丹經(jīng)濟發(fā)展的同時，減少CO2排放，預(yù)計截至2025年將減少12 t的CO2排放量。

針對氣候變化帶來的風(fēng)險所制定的城市適應(yīng)計劃，覆蓋的范圍和領(lǐng)域廣泛，設(shè)計不同的適應(yīng)目標(biāo)和重點領(lǐng)域，但其中一個顯著的共性就是強調(diào)城市對未來氣候風(fēng)險的綜合防護能力，以打造安全、韌性、宜居的城市為目標(biāo)。如改善住房、建設(shè)具有恢復(fù)能力的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)等措施，可以顯著減少城市地區(qū)的脆弱性和暴露度。加強有效的多層次城市風(fēng)險管理，將政策和激勵措施相結(jié)合，加強地方政府和社區(qū)適應(yīng)能力，與私營部門的協(xié)同作用以及適當(dāng)?shù)娜谫Y和體制發(fā)展，有利于城市適應(yīng)措施的實施。提高低收入人群和脆弱群體的能力、權(quán)利和影響及其與地方政府的合作關(guān)系，也有利于城市適應(yīng)氣候變化能力的提高。

我國注重開展極端天氣氣候事件和氣候適應(yīng)的相關(guān)工作，2013年發(fā)布了《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略》，強調(diào)了災(zāi)害風(fēng)險管理工作，并將基礎(chǔ)設(shè)施、人體健康作為重點任務(wù)，在區(qū)域格局中強調(diào)了氣候變化對城市化地區(qū)的影響。2014年發(fā)布的《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃》（2014—2020年）強調(diào)了提高城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)能力、提高人群健康領(lǐng)域適應(yīng)能力，以及加強防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)的重要性。

我國的這些政策以強調(diào)宏觀管理為主，針對性、可操作性不夠；系統(tǒng)性、整體性較差，難以做到統(tǒng)籌城市規(guī)劃、建設(shè)與管理的各個環(huán)節(jié)。國外紐約、倫敦等城市的氣候適應(yīng)性策略可以為我國城市提供借鑒，但由于地理氣候經(jīng)濟差異大，需要研究制定與我國城市的制度性、規(guī)范性、實施性相符的有效治理方案。

3 研究對策

通過利用第5次耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）等模型對城市不同時期的氣候進行模擬，基于自然極端天氣進行分類和統(tǒng)計學(xué)方法，建立氣候變化適應(yīng)性城市極端氣候的風(fēng)險評估體系。在此基礎(chǔ)上，分析目前城市管理制度和政策，并從生態(tài)、自然、經(jīng)濟、社會4個方面，解析城市應(yīng)對自然災(zāi)害的能力，建立適用于城市的短、中、長期氣候變化適應(yīng)性城市極端氣候的風(fēng)險評估體系，提出一套預(yù)警、預(yù)判、長短期評估、綜合管理以及監(jiān)督監(jiān)管策略（圖1）。

（1）短、中、長期氣候變化適應(yīng)性城市極端氣候的模擬和風(fēng)險預(yù)判

圖1 氣候適應(yīng)性城市可持續(xù)發(fā)展體系構(gòu)建

研究具有小尺度特定災(zāi)害預(yù)測功能和可視性強的城市氣候的預(yù)警策略。提升氣候觀察系統(tǒng)的效率，優(yōu)化計算機和數(shù)據(jù)模型，更好地理解地區(qū)氣候變化趨勢，結(jié)合計算機數(shù)學(xué)模型和氣象預(yù)警系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)和GIS等模型手段，對短、中、長期的風(fēng)險評判預(yù)估進行有效補充并提升其準(zhǔn)確度和實用性。同時針對短期天氣預(yù)警不確定性，以及特定小尺度區(qū)域極端氣候難以預(yù)測的普遍情況，研究建立完善的小尺度、短時間的氣候變化預(yù)判體系。在CMIP5模型結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究極端天氣對特定區(qū)域和周邊公共空間，如社區(qū)、公共交通、公共場所的影響和解決措施。

（2）氣候變化適應(yīng)性城市極端氣候脆弱性評價體系構(gòu)建

分析現(xiàn)有城市應(yīng)對氣候變化的短板和缺陷，建立適用于不同類型城市的氣候適應(yīng)性城市脆弱性評價體系。

以全球視角評估短期城市氣候變化的威脅，同時關(guān)注長期威脅。評估未來氣候變化趨勢、確定發(fā)生時間和受影響空間的大致范圍和程度，評估4個方面：社會層面，氣候變化對現(xiàn)有城市公共健康的影響，極端天氣下弱勢群體的安置；生態(tài)系統(tǒng)，城市自然水系和綠色基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和恢復(fù)力，城市綠地、濕地和森林系統(tǒng)的保護和發(fā)展，城市水網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛連通；經(jīng)濟配置，城市交通系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性、運輸海岸資源的渠道安全性；自然層面，水資源管理的全面和可持續(xù)性，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局的調(diào)整合理性。

就管理層面而言，檢驗和評估氣象部門的預(yù)警能力、政府應(yīng)對能力、城建機構(gòu)的管理能力、城市生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力、基礎(chǔ)設(shè)施的空間布局前瞻性，以及評估現(xiàn)有城市規(guī)劃草案以及相關(guān)機構(gòu)，如交通規(guī)劃、建筑設(shè)計、生態(tài)建設(shè)等的能力和任務(wù)匹配程度。評估極端天氣預(yù)警系統(tǒng)觀測頻度與覆蓋范圍、城市規(guī)劃設(shè)計規(guī)范以及城市生態(tài)空間布局合理性，如保護易受影響和重要區(qū)域，對受影響的區(qū)域進行適當(dāng)調(diào)節(jié)后仍然使用，以及避免開發(fā)和建設(shè)未來可能會受影響的區(qū)域，用于檢驗和找出城市面對極端天氣和突發(fā)情況下缺乏快速預(yù)判、有效響應(yīng)、韌性缺失等的原因和內(nèi)在機制，構(gòu)建上海市氣候適應(yīng)性城市脆弱性評價體系。

（3）有效應(yīng)對短、中、長期氣候變化的上海市城市治理對策探索

針對現(xiàn)有應(yīng)對極端氣候能力不足和缺乏長期有效應(yīng)對策略的現(xiàn)狀，從社會、自然、經(jīng)濟、生態(tài)4個方面出發(fā)，研究建立和實行彈性城市的發(fā)展策略，包括如何統(tǒng)籌短期目標(biāo)收益和長期目標(biāo)收益，從效益、成本、可實施性、高效、低能耗、社會公平等方面統(tǒng)籌兼顧。在社會層面，提升公共健康標(biāo)準(zhǔn)、城市交通能源布局和災(zāi)害天氣的及時響應(yīng)等；在自然層面，保護森林和自然群落環(huán)境，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局合理；在經(jīng)濟層面，結(jié)合社會、自然和生態(tài)等其他要素優(yōu)化資源配置以及能源供給，探索如何以經(jīng)濟手段刺激和鼓勵市民、企業(yè)和公司參與建設(shè)氣候適應(yīng)性城市，如綠色屋頂和建設(shè)海綿型城市等；在生態(tài)層面，研究如何在中、長期提升城市面對災(zāi)害管理策略中的主導(dǎo)地位，合理布局城市生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)、協(xié)同水系、綠色基礎(chǔ)設(shè)施與灰色基礎(chǔ)設(shè)施，保護城市濕地和森林并建設(shè)城市自然防災(zāi)生態(tài)廊道等。另外，需要思考如何制定氣候適應(yīng)性的城市規(guī)劃規(guī)范，對氣候變化影響下的地區(qū)和濱海區(qū)域的當(dāng)?shù)厥姓?guī)劃和法案進行更新。

4 討論

本文從生態(tài)、自然、社會、經(jīng)濟4個方面，探索并制定了一套具有全面協(xié)同合作機制、以快速垂直且扁平化傳達災(zāi)害響應(yīng)為特點的，集氣候預(yù)警、災(zāi)害識別、脆弱評估為一體的，全面細致的管理對策。

小尺度、短時間范圍內(nèi)的氣候變化風(fēng)險具有較強的不確定性和隨機性，其預(yù)測有較大難度。基于全球氣候變化風(fēng)險預(yù)測模型和本地氣候變化歷史數(shù)據(jù)，建立市域范圍內(nèi)不同時期氣候變化風(fēng)險的預(yù)測模型是本課題擬解決的關(guān)鍵問題之一。

同時，氣候變化對生態(tài)、自然、社會、經(jīng)濟有著不同特點和時間跨度的影響，而衡量不同方面脆弱性的方法亦不相同，綜合生態(tài)、自然、社會、經(jīng)濟的影響評估技術(shù)，建立城市綜合脆弱性的評估模型和方法是研究和實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。