1980—2015年氣候變化對中國城市綠色基礎設施的影響

王龍歡 賈炳浩 戈曉宇

0 引言

氣候變化背景下，城市的可持續發展面臨一系列風險挑戰。海平面上升導致沿海城市受到嚴重影響，糧食、土地、淡水資源供應面臨中斷風險；城市熱島效應加劇，城市生態環境質量惡化，危及人體健康和生命安全；極端天氣氣候事件頻發導致城市內澇風險增加[1-2]。隨著城市化進程加快，城市群生態脆弱性加劇，氣候變化的不利影響已經成為制約城市可持續發展的重大問題[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面影響。因此，如何適應氣候變化對城市環境帶來的影響，對推動氣候適應型城市建設十分必要。

綠色基礎設施是在盡量不改變自然環境的前提下，利用自然條件和自然規律的基礎設施建設[4]。在城市規劃與建設中，綠色基礎設施與綠地、綠道、生態網絡等互相聯系，形成具有自然生態功能和價值的開放空間體系，為城市和社區居民提供高品質的生活環境[5]。除了常規的綠地系統外，收集、凈化山區地表水資源，并將其納入城市供水系統，以此保障生態過程正常運行，創造可持續發展的人居環境，也是綠色基礎設施的重要功能之一。城市綠色基礎設施可以豐富城市景觀，改善城市環境質量，在減緩或降低城市發展面臨的災害風險方面發揮重要作用。

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、廣州在快速城鎮化的發展趨勢下，人口、資源與氣候、環境協調發展問題面臨嚴峻挑戰，城市適應氣候變化風險的能力十分薄弱[6]。通過營造生態健康、舒適人居環境的綠色基礎設施，為建設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系，對指導氣候韌性城市建設、提高城市應對氣候風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，國內外學者認識到氣候韌性城市發展的重要性，在緩解城市熱島效應、城市綠色基礎設施的降溫作用及機理等方面開展了大量研究工作[7-8]。一些學者從城市綠色基礎設施應對氣候變化的理念方面，詳細地分析了綠色基礎設施的生態價值，基于氣候因子探討了綠色基礎設施的設計策略[9-10]。Demuzere等從城市、鄰里和場地不同尺度構建了綠色基礎設施以適應氣候變化[11]；劉長松提出了風景園林應對氣候變化的設計策略[12]；李瀚以小城鎮為例探討了氣候適應型綠色基礎設施的設計方法[13]。除了理論研究，也有學者通過實測和模型模擬量化分析了城市空間與氣候的關系。Aleksandra等展示了不同國家在應對城市氣候問題時采取的綠色或藍色基礎設施方法，并從氣候變化對城市的影響、城市適應措施以及應對主題等方面進行了案例研究[14]；Galagoda等通過現場實驗、模擬和問卷調查研究了垂直綠化系統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的影響[16]。綜上所述，國內外關于氣候韌性城市的研究在城市規劃和綠色基礎設施領域已經取得一定的成果，但總體而言，氣候變化對綠色基礎設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計，基于數據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、城市綠色基礎設施形態特征演化，從而揭示氣候變化對城市綠色基礎設施的影響。最后，基于分析結果闡述綠色基礎設施建設應對氣候變化方面的啟示，以加快推動氣候韌性城市建設。

1 研究案例和數據來源

北京是中國的政治、經濟和文化交流中心，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，地理位置優越，是經濟、金融、貿易和航運中心，全市總陸域面積為6 787 km2。上海屬于北亞熱帶季風性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。廣州地處珠江入海口，是國家綜合性門戶城市、南方經濟中心，全市土地總面積7 287 km2。廣州屬海洋性亞熱帶季風氣候，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展過程占用了大量的耕地，土地利用格局發生了較大調整[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，城市生態環境問題突出，超大城市與城市群要通過城市基礎設施建設促進人口資源環境與經濟社會協調發展。這迫切需要評估城市規劃及其氣候環境效應，對于提高城市減緩與適應氣候變化能力具有重要意義。

本研究的土地利用變化數據來自中國土地利用現狀遙感監測數據庫（www.resdc.cn），該 數 據 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。在結果分析前使用地理信息系統軟件ArcGIS將土地利用數據轉化為NetCDF（nc）格式的文件，使用科學數據處理和可視化語言（The National Center for Atmospheric Research Command Language,NCL）將土地類型進行重分類后出圖，本研究中城市內耕地、林地、草地、水域均作為綠色基礎設施用地。氣候要素數據來自中國區域地面氣象要素驅動數據集，包括近地面氣溫（K）、近地面全風速（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°。該數據集是以國際上現有的再分析資料和衛星遙感數據為基礎，融合了中國氣象局常規氣象觀測數據制作而成，其精度介于氣象局地面觀測數據和衛星遙感數據之間，并好于國際上已有再分析產品[20-22]。為了同土地利用數據的年時間序列進行對比，氣象要素數據通過NCL軟件轉換為年時間序列。本研究采用一元線性回歸分析法分析北京、上海、廣州的綠色基礎設施面積及氣象要素的變化趨勢。

2 結果與討論

根據土地利用類型及重分類得到北京、上海、廣州的綠色基礎設施的時空分布（圖1）。總體來看：北京市綠色基礎設施主要分布在延慶、密云等生態涵養發展區，過去35年城市化過程中建設用地擴張較為明顯，城市用地整體集中在東南部地區；上海市綠色基礎設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，城市整體擴張強度大于北京；廣州市綠色基礎設施用地在1980—2015年減少了12%，主要集中于花都區、番禺市，荔灣區、越秀區，城市擴張強度遠小于上海。

1 城市綠色基礎設施變化Variation of urban green infrastructure

通過中國區域地面氣象要素驅動數據集，獲得3個城市1980—2015年氣候要素分布（圖2～5），結果表明：北京地區年降水空間分布不均，東北部降水高值區與地形關系密切[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致城市地表粗糙度變化及熱島效應，進而導致降水量增多[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 風速變化Variation of wind velocity

5 太陽輻射變化Variation of solar radiation

根據圖1可知，北京、上海、廣州1980年之后城市化進程加快，城市綠色基礎設施用地驟減，引起城市熱島效應增強（圖3）。北京東南部地區城市化使得年平均氣溫明顯升高，2015年北京北部城區城市綠色基礎設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產生的原因之一[25]。上海城市化進程加快，城區及近郊地區升溫明顯，遠郊地區金山區2015年年平均氣溫相較于1980年顯著增加。廣州地區高溫分布區域和城市分布基本一致，由于廣州地區城市綠色基礎設施變化相對北京、上海較小（圖1），因此，其氣溫變化并不顯著。

從風速的空間分布來看（圖4），沿海地區風速要高于內陸地區，上海東部沿海區風速增加，主要與濱海地區無地形阻擋有關。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，增強了對風力的削弱作用，引起風速下降，這在北京地區更為明顯。太陽輻射的變化也與城市建設有關，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大于太陽輻射減少的降溫效應[26]。

1980—2015年北京、上海、廣州綠色基礎設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年開始呈現顯著上升趨勢，年平均氣溫最高值出現在2007年左右（圖6）。利用一元線性回歸方法得到3個城市綠色基礎設施及氣候要素的變化趨勢（圖6中虛線），2000年左右，上海、廣州城市綠色基礎設施面積明顯增加，綠色基礎設施是構建生態宜居、綠色城市的重要保障，可以有效促進城市經濟與自然和諧發展，由氣溫變化可以發現綠色基礎設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的速率呈現波動式下降，這與城市擴張速度放緩有關。2014年溫度回升，這可能與厄爾尼諾事件有關，厄爾尼諾期間黑潮區海溫演變影響大氣環流的變化，冷空氣勢力不強，我國北方地區出現暖冬現象[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量，地表粗糙度增加，引起風速下降，這在上海地區較為明顯。

6 1980—2015年北京、上海、廣州綠色基礎設施、降水、溫度、風速、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 城市綠色基礎設施建設在應對氣候變化方面的啟示

全球變暖及城市化的疊加效應，使得城市更易受到氣候變化所帶來的負面影響。同時，城市生產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險形勢會更為嚴峻。另外，城市建筑集中、人口密集，是氣候變化的高風險地區，氣候變化背景下高溫熱浪、極端降水等事件頻發，對人體健康和社會經濟發展等方面都會帶來不利影響，進而制約城市發展。根據上述對3個典型城市的綠色基礎設施和氣候要素數據分析結果可看出，城市綠色基礎設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。因此，應對氣候變化的城市規劃設計可以通過合理調整土地利用格局、科學規劃綠色基礎設施、提高綠化覆蓋率以緩解氣候變化和極端事件影響。

3.1 城市規劃與城市綠色基礎設施配套，提高綠化覆蓋率

北京、上海、廣州根據城市園林綠化建設實際需要，出臺了一系列政策措施，統籌安排城市綠地、林地等具有生態功能的土地布局，有效促進了生態保護與建設。但城市人口密度過大、產業集中、高樓建筑密集，少量且獨立的公園、保護區難以發揮綠色基礎設施的作用，制約了城市人口、資源、環境的協調發展，也增加了綠色基礎設施建設任務的艱巨性，不利于適應氣候變化的韌性城市建設。因此城市規劃應與綠色基礎設施配套，通過更多的草地、濕地、森林等提高綠化覆蓋率。

3.2 以復合功能為導向增強綠色基礎設施

目前城市氣候仍然面臨嚴峻的環境問題，如：人口集中、高密度建筑帶來的城市通風差、夏季高溫熱浪及冬季大氣污染問題。如何改善城市人居環境、提高城市舒適度是城市綠色基礎設施建設的重要目標。因此，城市綠色基礎設施的規劃設計要注意保護景觀的連續性，并重視其復合功能，除了增加綠地面積強調綠化覆蓋率外，還要注重增強其他綠色基礎設施，例如建筑立面設計綠化墻、建筑屋頂嵌入綠色景觀、利用地形或設計斜坡有效儲存雨水、提高水資源循環利用等。同時注重因地制宜，考慮不同地區的差異和特色，以復合功能為導向完善城市綠色基礎設施建設。

4 結語

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、城市綠色基礎設施形態特征演化，揭示了氣候變化對城市綠色基礎設施的影響，以期為氣候適應型城市綠色基礎設施的布局規劃提供數據支撐。研究發現：受氣候變暖和城市化等人類活動影響，城市熱島效應增強，3個典型城市的年平均氣溫在過去35年呈現顯著上升趨勢；綠色基礎設施可改善城市熱環境，緩解熱島效應，3個城市2010年和2015年擴張速度減緩，導致溫度有所降低。

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設施的影響，后續研究將豐富研究區域并提高數據的精度，同時結合地球系統模式或氣候系統模式的未來預估結果，探討不同預估情景下，特別是國家碳達峰、碳中和戰略目標下，我國城市綠色基礎設施對氣候變化的響應及應對措施，從而為我國未來城市規劃與建設提供有效數據支撐。

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審查中心標準地圖服務系統［審圖號為 GS(2019)3266、GS(2019)3333］及廣州市規劃和自然資源局標準地圖服務［審圖號為粵 S(2020)-01-005］，土地利用數據來源于資源環境科學與數據中心（www.resdc.cn），氣象數據來源于國家青藏高原科學數據中心（data.tpdc.ac.cn）。