基于應對局地氣候變化需求的深圳城市氣候服務

李磊

（深圳市氣象局，深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040）

0 引言

深圳作為國內首個經濟特區，在過去近40年所經歷的快速城市化進程在全球范圍內都屈指可數，在短時間內，深圳由一個小縣城迅速擴張為人口過兩千萬的特大城市。與快速城市化進程伴隨而來的是城市下墊面物理特性和地氣之間物質能量交換的改變，這必然會影響到城市的局地氣候環境[1]。城市化的氣候效應盡管對城市人居環境存在有利的一方面，但更多的是不利影響——例如局地升溫導致的城市熱環境惡化——而在城市規劃中科學考慮氣候因素并做出合理的規劃舉措，是緩解這種不利影響的有力措施[2]。

深圳自2006年以來，針對城市可持續發展的需要展開了大量的研究，并基于研究成果展開了若干服務，其中主要的服務對象便是城市規劃部門，本文對這些研究成果進行了回顧和初步梳理，以期實現拋磚引玉，為國內同行更好開展有關工作提供參考。

1 深圳的氣候環境問題

深圳雖然被公認為國內四個一線城市之一，但其土地面積卻很小，不足2000 km2，且境內多丘陵、山地，土地資源十分緊缺。為了獲取城市發展所需要的更多空間，必須采取相對較高密度的建設策略，而這意味著單位面積上的樓宇更多、人為熱排放更強，地表與大氣之間的物理能量交換過程更復雜，局地天氣、氣候的不確定性也更強。在全球氣候增暖和城市化快速發展的雙重夾擊中，深圳市的災害性天氣氣候事件發生了明顯的變化，包括：極端降水事件加劇；高溫日數明顯增加，持續高溫加劇等[3]，這些變化無疑給城市帶來了相當明顯的沖擊。

數據分析表明，深圳在過去幾十年中經歷了一個迅速增溫的過程，其同期增溫速率遠超過毗鄰的大都市——香港，達到了約0.35±0.04 ℃/10 a，且城市化對升溫的貢獻率可能超過了80%[4]。與此同時，深圳暴雨也呈日益增強的趨勢，體現在：1）雨日減少但大暴雨日數卻增加；2）短歷時降水強度顯著增強（表1）。

表1 深圳市2個時段不同歷時多年年最大雨量平均值（單位：mm） Table 1 The average value of the yearly maximum precipitation for different duration in two periods of Shenzhen(unit: mm)

除了氣候變化帶來的不確定性外，城市發展自身也使得深圳在氣候變化面前的脆弱性和暴露度都有所增加，單位土地面積上的人口、經濟總量急劇的增加，放大了在氣象災害面前的風險。深圳近年來幾乎每年都會出現因為極端強降水而導致的城市內澇和大范圍的地面交通擁堵，盡管人員傷亡事件較少，但因氣象災害造成的經濟損失卻并不少。

得益于早期開拓者們的高瞻遠矚，深圳的城市總體規劃理念相當先進，全市的組團式規劃格局得以長期保留，通過基本生態控制線制度保留了大量生態用地，使得山林和城市綠地一起將城市建成區分割分散。已有研究[5]表明，組團式的城市總體布局十分有利于城市氣候環境質量的保持。然而組團內的高密度建設仍然在一定程度上導致了近地面風速的減小，過于密集的高樓不利于山嶺和海上新鮮風的引入，容易導致廢熱和大氣污染物的積累，令組團內的微氣候環境質量不易得到改善。

深圳市的灰霾日數從1980年代中期開始增多，經過20余年的震蕩上升，到2004年灰霾日數達到了187 d。灰霾日數的增加是大氣環境質量惡化的表現，2000年代，中期深圳公眾和媒體對深圳大氣環境質量的擔憂達到了空前程度。然而從2005年開始，深圳的灰霾日卻突然開始轉呈下降趨勢，到2017年，經過10年的持續振蕩下降，灰霾日數已下降到了21 d，恢復到了1990年代初期的水平（圖1）。由此可見，深圳市的大氣環境質量在過去近40年中經歷了從惡化到好轉的過程，將深圳的灰霾日數與人均國內生產總值（GDP）進行擬合，發現其擬合曲線完全符合環境經濟學中經典的庫茲涅茨曲線[6]。

圖1 深圳市灰霾日數歷年變化 Fig. 1 The yearly varation of the number of haze days in Shenzhen

因此，在審視深圳的城市氣候問題時，應一分為二地來看：一方面，在全球氣候變暖和快速城市化的雙重影響下，城市氣候環境問題已然較為凸顯，體現在城市正在變得越來越熱、極端暴雨的影響越來越明顯、灰霾仍然會在大氣靜穩、不利于擴散的時候襲擾深圳；另一方面，深圳在保護和維持優良的城市氣候環境方面也已經取得了顯著的成效，尤其是由于保持了組團式規劃格局、確立了生態控制線制度并及時實現了城市產業轉型升級，深圳在城市高密度發展的同時仍然保持了優良的大氣環境質量。

2 基于可持續發展的城市氣候服務

綜上所述，深圳的氣候服務所面臨的使命是，針對深圳土地資源緊約束條件下必然要高密度發展的客觀現實，充分利用城市氣候科學的研究成果，為深圳的可持續發展提供科技和理論支撐。實際上，從1938年德國斯圖加特議會聘請氣象學家開展城市氣候研究、參與城市建設與管理開始，國際上氣候研究為城市發展服務的例子便屢見不鮮。法蘭克福、東京、紐約、香港等國際大都市都有氣候服務城市建設與發展的案例，具體集中在城市布局與通風潛力、綠地系統規劃與熱環境、工業園區選址、降水與低影響開發等領域。在過去10年中，深圳的城市氣候服務充分借鑒了國際上的經驗，將服務的發力點主要集中在城市規劃、海綿城市建設和自然通風評估三個領域，這些服務在支撐城市可持續發展方面已經起到了一定的作用。

2.1 城市總體規劃的氣象影響評估

深圳氣象部門深度介入城市規劃工作始于2006年，那一年深圳市啟動了新一輪城市總體規劃的修編工作，當時無論是政府決策者還是普通市民，都已經意識到氣候環境對城市發展的影響，并逐漸認同氣象因素已經成為制約城市發展的一個重要因子，因此當年城市規劃的主管部門在總規修編中設置了氣象專題——《城市建設的氣象影響評估》。該專題主要內容分為4個部分，分別是城市建設對氣候的已有影響、未來城市發展影響的預評估、深圳城市氣候環境優化的發展策略以及城市建設氣候環境跟蹤管理機制。

在未來城市發展影響的預評估部分，課題組利用了當時比較先進的邊界層氣象模式對未來情境深圳的風速、熱島變化的可能趨勢進行了分析，發現：1）高密度建設與城市能耗增高有可能導致深圳城市熱島現象進一步加劇，如果未來能耗提高33%，則深圳城區的大部分地區普遍會出現1.0 ℃以內的升溫，高密度建設區會出現高達2～4 ℃的升溫[7]；2）建筑密度的加大與建筑物平均高度的升高，將有可能導致深圳近地層平均風速下降，下降幅度平均為0.2 m/s左右，這會導致近地層的擴散條件進一步惡化，對大氣環境質量的改善極為不利；3）由于高密度建設與能耗升高，城市的熱環境將變得更復雜，由此激發的對流將變得更為強烈和難以預測，這有可能引起夏季極端和異常降水的增多，并增加了降水的不可預測性。從專題完成后的實際觀測數據來看，情景預測取得了相當程度的成功，城市記錄到的夏季高溫仍然呈震蕩上升趨勢，高溫的歷史紀錄被不斷刷新；極端降水也頻繁出現，自2012年開始，深圳頻繁記錄到100 mm以上的滑動1 h雨量，而這在之前極為罕見。

基于發現的問題和預判將出現的問題，對如何實現在城市持續快速發展進程中保持深圳氣候環境的高質量提出了一系列策略，總體上歸結為十六字方針“主動適應、有序調整、氣候優化、環境友好”。其中，“主動適應”是指在城市規劃過程中，應主動考慮深圳當前的氣候環境特征，在城市建設布局各方面采取措施，適應深圳的氣候環境特征，避免“逆天而行”遭到大自然的懲罰；“有序調整”則是指在城市規劃中，對城市建設布局進行調整，利用政策有序引導城市的生產、生活、交通等活動。在十六字方針的大前提下，提出了一系列具體的策略建議，包括：1）應維持組團式規劃的總體布局；2）工業企業的選址布局應避免氣流易輻合區域；3）應盡量提高綠地面積并且使綠地的分布盡量分散；4）在建成區內應大力提倡城市立體綠化；5）應該考慮主導風向依山勢和生態廊道布置通風廊道；6）緊鄰交通干道兩側建筑物的平均高度與干道寬度的比值不宜超過2.0；7）降低公交出行成本，提高私車出行成本，積極有效地引導城市居民轉變出行方式；8）建立統一的經濟補償機制，對在區域環保治理中做出較大犧牲的地區進行經濟補償。

《城市建設的氣象影響評估》專題最終完成時間為2007年，如今回頭審視，該項研究的成效相當顯著——它與之前所開展的城市規劃氣候可行性論證相比，立意和站位都更高，不僅側重空間布局氣候效應的分析、研判，更關注城市運行中的管理、政策層面的內容；不僅關注自然科學領域的問題，更注重將自然科學的分析結論與社會管理的有關科學相結合，為深圳如何在高速發展的過程中，維持城市氣候環境的品質提供了大量有益的建議。從那時開始，在城市規劃、建設過程中要注意保護氣候環境的意識開始深入人心，深圳政府各相關部門根據自己的職能，出臺了相關規定、工作方案、標準等管理文件，明確了保護城市氣候環境的相關條款，從而為將深圳建成一個氣候環境品質較高的現代化城市提供了政策保障[8]。除此之外，深圳氣象部門也更加明確了自己如何參與到類似工作中，真正理解了把熟知的“氣象”專業語言轉化為服務對象所在行業的“普通話”的重要性。

2.2 深圳海綿城市建設

盡管在當前的深圳，海綿城市建設幾乎已成了應對極端暴雨沖擊理所當然的選擇，然而在2015年申報第一批海綿城市國家試點時，深圳卻并未通過審批。而另一方面，極端暴雨的沖擊并未因試點申報失敗而停止對深圳的沖擊，2016年全年創紀錄地觀測到了6次單站1 h雨量過100 mm的事件，海綿城市建設在當時已經顯得刻不容緩。

作為深圳市負責氣候監測的權威機構，深圳市國家氣候觀象臺在全市建立了上百個自動氣象站，站點的數量直至今日仍然在增加中，這些站點中至少有100個已經積累了10年以上的逐分鐘資料，為更深刻地理解深圳的暴雨特征、規律提供了堅實的保障[9]。

深圳市氣象局是全國較早推出滑動雨量產品的氣象部門之一，相較于過去單純采用固定小時間隔雨量統計的方法，滑動小時雨量監測更能反映實際的雨強。如圖2所示，若根據傳統業務規定按固定小時間隔記錄雨量，則在00：00—02：00，記錄到的最大小時雨量只有150 mm。如果用這個數據去做決策服務，則有可能導致防災應急部門低估災害，因為事實上，在00：00—02：00，有1 h實際上出現了300 mm降水，遠大于按固定小時間隔統計的小時雨量數據。為避免這種情況發生，深圳市氣象局的決策服務基本上都是基于滑動雨量數據展開，通過Oracle數據庫在后臺自動生成多種歷時的滑動雨量產品，包括0.5、1、2、3、6、12 h等[10]。

圖2 滑動雨量產品的概念 Fig. 2 The concept of the moving accumulated precipitation

分析不同歷時滑動雨量事件出現的頻次，可發現過去并未被認識到的規律，例如在西部城市建成區上空，短歷時強降雨（例如0.5 h 30 mm降水）出現的頻次比較多；而在東部山區，則長歷時強降水出現的頻次比較多（圖3），這表明兩個區域的防災重心或許會有不同，例如對城市建成區應更關注短時強降水引發的內澇，而東部山區應更關注長歷時暴雨引發的地質災害——這對于深圳海綿城市建設當然也是有指導意義的。基于海量觀測數據和科學分析，深圳市氣象局于2016年完成了一份題為《深圳暴雨、大風及孕災環境特征變化及防御建議》的決策服務報告，明確指出“在所有災害性天氣中，暴雨對深圳的影響最為明顯”，建議“針對深圳孕災環境特征，市政府可以通過適當的措施，補強孕災環境的薄弱環節，提升城市抵御大災的能力”，強調應“盡快推進海綿城市建設，通過低沖擊開發減少暴雨影響”，“盡管在2015年新公布的財政部確定資助的16個海綿城市試點中未見深圳，但即使是利用自有資金，深圳仍應盡快推進海綿城市建設”。這份報告為深圳正式啟動海綿城市建設起了重要助推作用。

圖3 不同歷時滑動雨量頻次 （a）0.5 h 30 mm以上雨量；（b）3 h 60 mm以上雨量） Fig. 3 The number of events with different precipitation intensities(a) 30 mm rainfall in 0.5 h; (b) 60 mm rainfall in 3 h)

除了發揮助推作用外，在海綿城市建設的過程中，深圳市氣象部門還做了幾件具體的事情：一是提供基礎數據，為測算徑流保證率的控制雨量提供基礎數據；第二是牽頭修訂新的暴雨強度公式，為海綿城市的技術設計提供標準；第三是參與暴雨雨型的設計工作。深圳市氣象局采集的分鐘級雨量數據，包括深圳國家基本站雨量自記紙電子化后的分鐘級雨量數據，為上述工作提供了堅實的基礎保障[11]。

除了為海綿城市設施建設提供基礎支撐外，深圳氣象部門還在兩個方面持續推進有關工作：1）針對海綿城市的專項預警服務，基于雷達數據和臨近預報方法為部分海綿設施的啟用和停用提供指導，例如當暴雨來臨前便有針對性地發提示給海綿設施管理部門，讓其啟動泵站，并跟蹤提供逐分鐘的雨量觀測/預測數據；2）對海綿城市建設的氣候效應進行跟蹤評估，評價海綿城市建設是否在降低熱島強度、提升氣候環境品質方面有正貢獻（圖4）。

2.3 城市自然通風評估

高密度城市建設使得城市建成區的高層建筑日益增多，顯著的增加了粗糙度，對近地層風速的阻尼作用非常明顯，在深圳的蔡屋圍社區，年平均風速從20世紀90年代的3.2 m/s下降至當前的1.8 m/s的水平，風速下降的趨勢十分顯著。近地層風速的下降當然會給局地氣候環境品質帶來不利影響，例如在夏季自然風驅散城市能耗所產生廢熱的效率會降低，夏季的室外舒適度會因此而下降，而且近地層污染物的擴散效率也會降低，因此，如何獲得城市地區更好的自然通風潛力，成為深圳城市規劃中特別關注的一個問題。

圖4 海綿城市建設熱島效應跟蹤評價 （a）當前深圳海綿城市試點區域；（b）光明新區近年熱島強度變化Fig. 4 The evaluation of the urban heat island effect on the sponge city construction(a) the pilot sponge city areas; (b) the yearly variation of the urban heat island intensity

深圳毗鄰的香港在2003年成為非典（SARS）襲擊的重災區，事后分析表明，過高的建設密度導致空氣流通不暢，是香港地區SARS橫行肆虐的重要原因。為此，香港于2003年底啟動了空氣流通性評估（air ventilation assessment，AVA）可行性研究[12]，指出“空氣流通”對于保持城市的空氣環境質量至關重要，在研究結果基礎上，香港政府在《香港規劃標準與準則》中正式加入了“空氣流通指引”，并將風洞實驗評估作為空氣流通性評估的首選方法[13]。

受香港同行的啟發，深圳市國家氣候觀象臺匯同深圳大學建筑與城市規劃學院于2010年開始啟動了城市自然通風評估技術體系的研究工作。研究小組意識到，對包括深圳在內的多數內地城市而言，風洞實驗評估周期長、成本高，并不適合作為通風評估的主要方法進行推廣，因而在整個體系的研究中，提出了以數值模擬為核心的評估方法[14]。證明數值模擬方法在自然通風評估中的可用性只是建立整個體系的第一步，更重要的任務是要明確評估對象、評估指標、評估范圍、背景風場數據，以及評估的管理流程等問題。

研究小組通過與深圳市規劃管理部門的多輪溝通、討論，最終形成的深圳自然通風評估框架包括管理辦法、評估方法和技術支撐三個方面（圖5）。

圖5 深圳自然通風評估的整體框架[15] Fig. 5 The framework of natural ventilation assessment in Shenzhen[15]

管理辦法的核心內容是篩選什么項目應開展自然通風評估，例如：1）根據建設規模和性質，對于建設規模或開發強度較大的規劃、建設項目，應進行自然通風評估。包括用地大于5 hm2，或者總建筑面積超過10萬 m2的項目，以及其他可能產生潛在通風影響的項目；2）根據空間形態，鑒于工業區和城中村建筑體量密集、高度均勻，不利于人行高度城市通風，對位于工業區和城中村片區內的新建項目或城市更新項目，應進行自然通風評估；3）根據城市背景風場特征，根據對深圳城市氣象的觀測，對位于深圳弱風區（即多年平均風速較小的敏感區），或者位于濱海1 km范圍內（即風力較好的優勢區）的項目，應進行自然通風評估。

研究小組提出根據深圳城市空間和近地面風場特征，從評估范圍和評估標準等方面提出評估方法和技術導則。

1）評估范圍：深圳自然通風評估規定了項目的評估范圍，其中包括：a.目標區域，即項目用地邊界線內的范圍；b. 影響區域，即從項目用地邊界線向外擴展1H的范圍，H為評估范圍內的最高建筑高度；c. 建模區域，即從影響區域邊界向外擴展2H的范圍，反映項目周邊的建筑物、構筑物以及地形地貌特征的影響。其中目標區域和影響區域的數據都必須作為自然通風的評估指標（圖6）。

圖6 評估范圍的層次劃分[15] Fig. 6 The sco pe of thenatural ventilation assessment[15]

2）評估標準：通風評估選取能夠反映建筑群通風效能的人行標高風速比作為基本評價標準，并根據16風向的頻率進行加權平均計算。對于深圳高密度城市空間而言，某項目評估范圍內的風速比數值越大，則自然通風越通暢，其對城市總體風環境所造成的影響也越小。

技術支撐是指開展自然通風評估所涉及的兩項關鍵技術：1）基于GIS的快速建模及網格劃分技術，實現了城市周邊環境的自動建模，提高了自然通風評估的可操作性；2）背景風場數據，由深圳市國家氣候觀象臺負責提供，盡管深圳已有的自動氣象站空間密度已相當高，但仍然難以滿足以公里為格距的網格化評估管理的需求。為此，深圳市國家氣候觀象臺與美國國家大氣研究中心（NCAR）合作，利用其基于張弛逼近（Nudging）的四維數據同化（FDDA）技術，生成了覆蓋深圳全市范圍的1 km格距背景風場數據集，并通過深圳市細網格氣候信息平臺對全社會免費發布（圖7），這其中的技術細節可參見文獻[16]。

圖7 深圳市細網格氣候信息平臺展示的1 km×1 km網格內的風玫瑰 Fig. 7 The fine resolution gridded climatic information platform and its wind rose product with a resolution of 1 km×1 km

在2012年頒布的《深圳市城市更新單元規劃編制技術規定（試行）》中明確提出“對拆遷范圍面積不小于10 hm2的更新單元，應進行建筑物理環境專項研究，研究單元空間組織、建筑布局等對區域小氣候的影響”。截至2017年，全深圳總共已經有近100個項目進行了自然通風評估，為保障高密度建設的同時，城市氣候環境品質仍然維持在可接受范圍內起到了積極作用。

3 結論與展望

過去十余年時間，深圳市氣象部門基于城市可持續發展的需求，展開了大量城市氣候研究和服務，并已經取得了不少成就，這使得深圳在高密度發展和人口高度密集的背景下，仍然保持了較好的氣候環境品質（宜居的氣候環境品質本身也是深圳吸引越來越多人口的重要原因）。這些成果的取得這一方面得益于深圳市決策者對于氣候環境的高度重視，另一方面也與深圳市氣象部門的特殊體制有關，由于深圳市氣象局長期為屬地管理體制，如何為地方經濟發展服務，成為其天然使命，也促使其更好地思考與城市可持續發展的問題，并主動融入推進有關工作不斷取得進展。

然而應該看到，隨著經濟水平的提高和人民對美好生活的向往和要求不斷提升，氣象為城市可持續發展和科學規劃建設服務的步伐不應該也不可能停止，未來無論是觀測研究、評價方法研究還是策略研究都將朝著更精細化的方向發展，以應對城市發展中可能出現的各種新問題。有理由相信，隨著物聯網、大數據和人工智能等新興技術的發展以及城市居民對安全、舒適不斷提高的需求，深圳在氣象科學和規劃科學、管理科學的交叉領域有望取得更多成果，城市的氣候環境品質也將有望得到進一步的提升。

致謝：本文在寫作過程中得到了深圳市城市規劃設計研究院有限公司俞露高級規劃師和深圳大學建筑與城市規劃學院袁磊教授的大力支持，在此表示感謝。