北京西部生態涵養區氣候承載能力初探

楊袁慧 程宸 李超 付磊 張偉琪

摘要：利用歷史氣象觀測資料、衛星遙感影像資料，結合海拔高度、地形差異的影響，采用ArcGIS進行空間分析來研究北京西部生態涵養區的氣候資源基本狀況、主要氣象災害的風險區劃，綜合評判涵養區氣候承載能力，以期為生態涵養區建設、資源優化開發與保護、生態旅游發展提供科學的氣象參考。研究結果表明：（1）涵養區出現嚴寒、酷暑的概率相對較低，夏季山地區域更適宜于避暑旅游。（2）涵養區總體累積降雨量適中，降雨引發的災害相對較少，宜居性較高。（3）涵養區具有很大的氣候生產潛力，生態農業資源開發潛力和價值高。（4）涵養區夏季大部分時間人體感覺舒適、全年旅游舒適期長，具有休閑、避暑、生態旅游的氣候條件優勢。（5）涵養區高溫災害風險較低，宜于打造宜居、宜游勝地，真正踐行綠色青山就是金山銀山理念，創造區域經濟價值。（6）涵養區東部平原內澇風險等級較高，需提前防范，做好城市排澇工作，及時規避風險；中西部深山區泥石流風險等級較高，要加強風險隱含點的防控與排查，科學防災減災。

關鍵詞：生態涵養區；氣候資源；氣象災害；氣候承載能力；氣候生產潛力；溫濕指數；人體舒適度氣象指數

中圖分類號：P49文獻標志碼：A論文編號：cjas20191200298

基金項目：北京市氣象局科技項目（BMBKJ201704018）；門頭溝區青年人才培養資助項目。

Climate Carrying Capacity in Ecological Conservation Area of Western Beijing： A Preliminary Study

Yang Yuanhui1， Cheng Chen2， Li Chao1， Fu Lei1， Zhang Weiqi1

（1Mentougou Meteorological Bureau， Beijing 102300， China；

2Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract： Based on historical meteorological observation data， satellite remote sensing image data， and the influence of altitude and terrain differences， we used ArcGIS spatial analysis to study the basic situation of climate resources and risk division of major meteorological disasters of ecological conservation area in western Beijing， comprehensively evaluated its climate carrying capacity of climate resources， aiming to provide meteorological references for constructing ecological conservation area， optimizing the protection of resources， and developing ecological tourism. The results show that： （1） in the western Beijing ecological conservation area， the probability of severe cold and extreme heat is relatively low， mountain areas are more suitable for summer tourism； （2） the overall cumulative rainfall is moderate， rain-induced disasters are relatively few， and the habitability is good； （3） ecological conservation area has great potential for climate production and high potential and value for the development of ecological agricultural resources； （4） most of the time in summer， the human body feels comfortable， the whole year travel comfortable period is long， and the area has advantages of climate conditions for leisure， summer， and ecological tourism； （5） the high temperature disaster risk is relatively low， and the area is suitable for building a livable and touring resort， truly practicing the concept of“green mountains is golden mountains”and creating regional economic value； （6） the risk level of waterlogging in the eastern plain is relatively high， so precautions should be taken in advance to avoid the risk in time； the risk level of debris flow is high in deep mountains of central and western areas， so the prevention and control should be strengthened and the hidden risks should be investigated ahead of time to mitigate the disasters in a scientific way.

Keywords： Ecological Conservation Area； Climate Resources； Meteorological Disasters； Climate Carrying Capacity； Climatic Production Potential； Temperature-humidity Index； Body Comfort Meteorological Index

0引言

中國是多山且幅員遼闊的國家，氣候資源垂直變化大、地形效應顯著是山地區域的突出特點[1]，當前有針對川藏、秦嶺、南嶺等大地形區研究其立體氣候特征[2-6]，有基于氣候資源開展氣候適宜性、旅游氣候舒適度等方面的研究[7-12]，為山地區域氣候資源研究提供了很好的指引。氣候資源的開發利用、氣候資源的服務價值、氣候資源的適宜性評價等，是生態文明建設的重要科學支撐，是習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”理念的重要實踐，也是滿足人民群眾對美好生活向往最直接的體現。門頭溝區作為北京西部綠色生態屏障、北京西部生態涵養區，山區面積占總面積的98.5%，西部山區與東部平原氣候呈明顯差異，如何充分發揮區域生態氣候資源優勢，綜合評判氣候資源承載能力，科學合理指導區域西部涵養區建設、資源優化開發與保護、生態旅游發展等，是氣象服務于生態文明保障建設的重點。

筆者利用歷史氣象觀測資料、衛星遙感影像資料，結合海拔高度、地形差異的影響，采用ArcGIS進行空間分析來研究研究氣候資源基本狀況、主要氣象災害的風險區劃，進而綜合評判涵養區的氣候承載能力，旨在為落實區域功能定位提供氣象服務保障，為實現以生態綠色產業為主導的經濟社會可持續發展做出貢獻。

1研究資料和方法

氣候資源的基本狀況反映了地區氣候資源條件及其對當地自然環境和人居生活所需的氣候資源的支撐和供給狀況[13]。研究選取北京西部生態涵養區——門頭溝區作為研究區域（圖1），涵養區地處華北平原向蒙古高原過渡的山地地帶，處在東部濕潤區和西部干旱區之間，位于暖溫帶向溫帶過渡地帶，屬中緯度大陸性季風氣候，東部平原與西部山區海拔高差大，氣候呈現明顯的立體差異。研究選取區域內2個國家級氣象觀測站（1981—2016年）、31個加密區域自動氣象站（2014—2016年）的觀測值作為基礎氣象資料，選用ALOS衛星影像資料作為地形底圖，選取平均氣溫、平均降水、氣候生產潛力、表征人居環境氣候舒適度的溫濕指數以及表征旅游舒適期的人體舒適度氣象指數5個指標來評價氣候資源的基本狀況[17-20]，選取高溫、暴雨2個主要氣象災害來進行風險區劃與評估，進而從資源與災害2個方面來綜合評判涵養區的氣候承載能力。

2生態涵養區氣候資源分析

2.1氣溫

涵養區垂直高差大，全境海拔高度大于800 m的中山占山地面積的一半，北部中山面積最大，占全區中山面積的2/3以上，平均海拔在1400 m以上，西部山區與東部平原氣候差異明顯。加密區域自動氣象站中海拔最低處門頭溝站85.5 m（13.6℃），最高處靈山站1669 m （4.3℃），平均遞減率約為0.59℃/100 m，反映出氣溫明顯的立體特征，導致區域內植被分布垂直帶譜差異明顯，立體自然生態景觀豐富多樣，不同海拔風景各異，從山底門城地區至靈山山頂，季節交替時可以感受到“一天有四季，處處景不同”，天然生態資源、旅游資源儲備豐富。

2.1.1空間分布以年平均氣溫為指標，結合氣候帶分類指標劃分，氣溫大體呈東高西低的趨勢分布（圖2），東部平原地帶（海拔100～300 m）年平均氣溫為12～ 14℃，中東部低山及部分中山地帶（海拔300～800 m）年平均氣溫為9～12℃，為山地北亞熱帶及暖溫帶氣候類型；中西部中高山地帶（海拔800～1000 m）年平均氣溫為8～9℃，為中溫帶氣候類型；高山地帶（海拔1000 m以上），如靈山、妙峰山等，年平均氣溫為3～8℃，為寒溫帶及亞寒帶氣候類型。涵養區內80%的區域年平均氣溫在10℃以上，屬于暖溫帶、中溫帶，年平均氣溫較為適中，可以大力挖掘生態旅游資源。

2.1.2極值分析分析平均氣溫時序變化（圖3），區域內四季分明，全年冬季最長，夏季次之，春、秋短促，入春較晚，常年4月上旬才正式進入春季，春季長約56天，冷暖空氣交替活動頻繁，氣溫回升快；入夏較早，一般5月下旬前后即進入夏季，夏季在全年中時間較長，約為100天，7月下旬8月上旬為華北地區主汛期，易出現暴雨、冰雹和雷雨大風等強對流天氣；通常9月上旬進入秋季，長約52天，秋季冷暖適宜、少風少雨；正式進入冬季一般在10月下旬，冬季約有155天，季節漫長。東部平原地區夏季平均氣溫為25.1℃，西部山區為23.2℃，基本處于人體感覺舒適的氣溫范圍內（18～25℃），尤其山地區域接近于最佳溫度，與國內著名避暑城市或旅游地相比，適宜于夏季避暑旅游。

2.2降水

受海洋暖濕氣團影響，涵養區內降水主要集中在6—9月，降水量年際變化大，且地區分布不均勻。降水量受中緯度大氣環流不穩定和季風影響年季變化大，從空間分布來看（圖4），自東向西逐漸減少，海拔較低的平原、低山等地降水量為550～800 mm，海拔較高的中高山地帶降水量為400～550 mm。

降水量時序變化顯示（圖5），降水主要集中在7、8月，其次是6、9月，1—4月及11—12月幾乎無降水。東部平原地區年平均降水量為567.6 mm，年平均降水日數71.6天，極端年最大雨量為970.1 mm，日最大降水量值為190.5 mm，其中6—8月降水量為408.6 mm，占全年降水量的72%；西部山區年平均降水量為449.6mm，年平均降水日數75.9天，極端年最大雨量為676.8 mm，日最大降水量值為145.8 mm，其中6—8月降水量為301.3 mm，占全年降水量的67%。

2.3氣候生產潛力

評價一個地區氣候資源最重要的依據之一就是氣候生產潛力，通過對某區域農業氣候生產潛力開展評估，可以直觀地反映出該區域在當前以及未來情境下農業氣候生產中的狀況，如光、熱、水等資源配置對于滿足作物生產的需求情況，可以說，氣候生產潛力是一個地區農業生產產量的上限[14-18]。

氣候生產潛力由于地區光、溫、水差異較大而呈明顯差異。涵養區內氣候生產潛力平均為939.3 g/（m2·a）各地分布在821.9～1141.7 g/（m2·a），從空間分布圖（圖6）可以看出，涵養區氣候生產潛力整體呈現東高西低的趨勢，差異較為明顯，東部平原地區由于輻射、氣溫、降水等氣候條件較好，作物生長發育所需要的光、溫、水供給充足，因而能獲得較高的產量，像永定鎮、龍泉鎮、軍莊鎮等地區的氣候生產潛力均在1000 g/（m2·a）以上，中部地區次之，西部中高山地區生態環境狀況較好，但這帶地區輻射、氣溫等氣候條件相對較差，不能滿足作物生長的需求，一定程度上影響了作物的生產產量，造成氣候生產潛力相對較低，在900 g/（m2·a）以下，尤其靈山高海拔地區氣候生產潛力為821.9 g/（m2·a），達到全區最低值。

2.4人居環境氣候舒適度

從與主要避暑旅游地夏季逐月溫濕指數[19]的對比來看（表1），夏季3個月大部分時間人體感覺舒適，是避暑旅游的不錯選擇。東部平原地區THI72～76之間，其中6、8月為THI 72、74，人體感覺為“偏熱，較舒適”；西部山區THI70～73之間，其中6月THI 70，人體感覺為“暖，舒適”，7、8月為THI 73、71，人體感覺為“偏熱，較舒適”。總體而言，西部山區溫濕指數優于東部平原地區，與承德、貴陽等避暑旅游勝地相當，更具有夏季避暑旅游的獨特氣候條件優勢。

2.5旅游舒適期

研究顯示（表2）[20]，東部平原地區3—11月BCMI 40～72，處于第3～6級之間，大部分人感覺舒適，比較適宜旅游或居住，全年旅游舒適期長達9個月，其中5、6、9月BCMI分別為61、68、62，為第5級，人體感覺最為舒適，最舒適期長達3個月，主要集中在春夏交替季節及初秋季節；西部山區3—10月BCMI為41～69，處于第3～5級之間，大部分人感覺舒適，比較適宜旅游或居住，全年旅游舒適期長達8個月，其中5—9月BCMI為59～69，為第5級，人體感覺最為舒適，最舒適期長達5個月之久，主要集中在晚春季節、夏季、初秋季節。對比主要旅游地的人體舒適度氣象指數[20]，涵養區內旅游舒適期較長，與國內主要旅游地相當，全年有8～9個月相對比較適宜旅游或居住，尤其夏季最舒適期長，堪比宜居宜游勝地。

3生態涵養區主要氣象災害區劃與評估

氣象災害風險區劃與評估主要是在對致災因子危險性、承災體易損性等因子進行定量分析的基礎上，根據風險度指數的大小將風險分為若干個等級的研究，以此來反映氣象災害風險分布的地區差異性[21]。研究主要采用氣候統計方法分析自動氣象站資料，結合文獻收集、實地調查等方式，收集歷史災情、人口、社會經濟、土地規劃利用等資料，建立氣象災害風險評估基礎數據庫；采用評估因子分離的方法，分別對致災因子危險性、承災體易損性等因子進行評估；再建立各災種氣象風險評估模型，計算各災種風險指數，利用ArcGIS空間分析與插值技術，繪制各災種氣象災害風險區劃圖[22]。

3.1高溫風險評估

高溫帶來的不適環境，不僅影響人體健康、增加相關疾病的發生率，還會導致城市資源緊張、交通事故增多、工作效率降低，同時帶來不容忽視的生態問題。根據高溫災害的特點，致災因子危險性主要與日最高溫度、日最高溫度≥35℃的總日數以及日最高溫度≥35℃的最長持續日數相關，承災體易損性則與區域人口密度、老年和14歲以下兒童的比例、土地利用情況等直接關聯[23-24]。根據權重賦值法，利用ArcGIS空間分析與插值技術，得到涵養區的高溫風險等級區劃圖（圖7），分析發現，涵養區65%左右的區域為高溫風險處于低或較低等級，主要分布在中西部中高山地帶，高溫天氣出現概率低，且人口密集度低；僅20%不到的區域為高或較高等級，主要分布在東部平原地區，此區域為人口、經濟高度密集區，除地形因素外，受城市熱島因素影響高溫天氣出現頻率稍高，加上人口密集、經濟發展等多方面社會因素，導致易損性較高，因而綜合風險等級較高。

綜合分析來看，涵養區高溫災害的風險較低，得天獨厚的地理環境、氣候環境優勢，宜于打造宜居、宜游勝地，可大力發展休閑、避暑旅游產業，同時帶動餐飲、住宿等連鎖產業的發展，真正踐行綠色青山就是金山銀山理念，帶來經濟產業發展的同時帶動區域經濟發展，創造區域經濟價值。

3.2暴雨風險評估

涵養區降雨主要集中在夏季，總量不大，但突發性強，極端性強，雖然降雨本身帶來的災害并不明顯，但暴雨帶來的次生災害如城市內澇、泥石流等，造成的損失卻是不可估量的，甚至給人民的生命、財產安全造成威脅，如何掌握暴雨風險區劃，采用有效的災害管理戰略，科學預判和評估，避免或減輕暴雨災害帶來的損失是研究的意義所在。根據暴雨災害的特點，致災因子危險性主要與持續性暴雨的頻次及強度、分時段短時暴雨的頻次及強度相關，承災體易損性則與區域人口密度、地均GDP、耕地面積比例等相關，同時結合暴雨造成的各類災害隱患點數據綜合分析[25]。考慮到涵養區的暴雨主要帶來城市內澇與泥石流災害的影響，故研究主要分析涵養區的城市內澇、泥石流風險等級區劃與評估（圖8）。

3.2.1內澇風險評估涵養區60%左右的區域內澇風險處于較低等級，主要分布在中西部中高山地帶，除地形因素、地勢較高外，植被茂密帶來植被的根系截流作用大等也是削弱內澇危險性的較大因素，且人口密集度低、耕地面積少等也是降低易損性的因素；而東部平原地區，地勢平坦不利于積水的排泄，且建筑物密集，導致不透水地表面積大，降水下滲作用弱，增加了內澇風險性，加之此區域為人口、經濟高度密集區，導致易損性較高，因而綜合風險為高或較高等級，在暴雨天氣需提前防范，做好城市排澇工作，及時規避風險。

3.2.2泥石流風險評估暴雨是誘發地質災害的主要因素，會引發山體滑坡，如泥石流發生時會攜帶大量的泥沙、石塊等，突發性強、流速快、流量大、破壞性強，損失嚴重。涵養區60%左右的區域泥石流風險處于較高或高等級，主要分布在中西部中高山地帶，以及村落聚集區，由于該地區經濟、人口相對集中，且有一定的海拔高度，屬于山地，暴雨誘發泥石流災害的概率相對要高；北部地區，由于其發生暴雨的頻次較低，致災因子危險性等級相對低些，因而泥石流風險等級較低。由于涵養區不斷加強防災減災能力建設，加強風險隱含點的防控與排查，完成西部深山區險村險戶的轉移，該地區人口分布稀少，雖然泥石流災害發生風險高，但帶來的社會、經濟損失并不大，這也正是科學防災減災的要義所在。

4生態涵養區氣候資源服務價值分析

研究利用歷史氣象觀測資料、衛星遙感影像資料，結合海拔高度、地形差異的影響，并采用ArcGIS進行空間分析來研究北京西部生態涵養區的氣候資源基本狀況、主要氣象災害的風險區劃，進而綜合評判涵養區的氣候承載能力。結果表明：

（1）涵養區氣溫垂直差異顯著，呈現東高西低的分布態勢，80%的區域年平均氣溫在10℃以上，屬于暖溫帶、中溫帶，較為適宜居住；從極值來看，出現嚴寒、酷暑的概率相對較低，山地區域更適宜于夏季避暑；從季節劃分來看，四季分明，冬季最長，夏季次之，春秋短促，夏季山地區域平均氣溫為23.2℃，接近于人體感覺最佳溫度，適宜避暑旅游。

（2）涵養區降水主要集中在6—9月，降水量年際變化大，且地區分布不均勻，自東向西逐漸減少，東部山前平原地區及低山區域降水明顯多于中高山地區，總體累積降雨量適中，出現干旱、洪澇等氣象災害的風險相對較低，宜居性較好。

（3）涵養區氣候生產潛力優良，尤其東部平原地區、中部低山區域，由于太陽輻射、氣溫、降水條件較好，光、溫、水供給充足，氣候生產潛力較高，可科學合理的規劃開發該地區的氣候資源，實現氣候資源的最大化開發與可持續發展。

（4）涵養區平原地區溫濕指數在72～76之間，西部山區溫濕指數在70～73之間，夏季大部分時間人體感覺舒適，與主要避暑旅游地比較溫濕指數相當，具有夏季避暑旅游的獨特氣候條件優勢。

（5）涵養區平原地區3—11月比較適宜旅游或居住，其中5、6、9月為最舒適期，西部山區3—10月比較適宜旅游或居住，最舒適期為5—9月，長達5個月之久，全年有8～9個月相對比較適宜旅游或居住，堪比宜居宜游勝地。

（6）涵養區高溫災害的風險較低，宜于打造宜居、宜游勝地，真正踐行綠色青山就是金山銀山理念，創造區域經濟價值。

（7）涵養區東部平原地區的內澇風險等級較高，在暴雨天氣需提前防范，做好城市排澇工作，及時規避風險；中西部深山區的泥石流風險等級較高，要加強風險隱含點的防控與排查，完成險村險戶的轉移，科學防災減災。

開展涵養區的氣候承載能力研究，為區域生態涵養區建設、資源優化開發與保護、生態旅游發展提供科學的氣象指導和參考，真正踐行綠水青山就是金山銀山理念，扛起生態文明建設大旗，推進區域產業轉型升級，打造綠色GDP，助力打造“綠水青山門頭溝”城市品牌，具有重要的現實意義，是時代發展的迫切需要。

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