上海气候变化脆弱性评估与治理对策

车生泉 谢长坤

全球正面临着气候变化带来的严重影响。德国观察（German Watch）发布《2020年全球气候风险指数》（GlobalClimate RiskIndex2020） 报 告，1999—2018年，全世界因为1.2万多个极端天气事件，直接导致约49.5万人死亡和3.54万亿美元（按购买力平价计算，2020年7月11日人民币兑美元汇率7.052 3，约2 487万亿元人民币）的经济损失[1]。2018年联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）的《全球1.5℃增暖特别报告》估计，按照目前的情况，全球气温上升幅度将在2040年达到1.5 ℃的水平，造成的全球经济损失可能达到54万亿美元，呼吁所有领域都需要进行紧迫的、空前的、集体的气候行动[2]。中国2013年推出《国家适应气候变化战略》，2014年出台《国家应对气候变化规划（2014—2020年）》，2016—2017年国家陆续推出气候适应性城市试点建设方案和试点城市，建设气候适应性城市已经成为中国的迫切需要。

评估气候变化下城市的脆弱性及探究管理策略可为气候适应性城市管理和营建提供方向。广泛接受的气候变化脆弱性定义是IPCC给出的：系统容易遭受或者没有能力应对气候变化（包括气候变绿和极端气候事件）负面影响的程度，它是系统内的气候变化特征、幅度和变化速率及其敏感性和适应能力的函数，度量的是易受不利影响的倾向或习性，不是一个绝对的损害程度的度量单位。IPCC从1990年以来已经相继发布了5次气候变化相关评估报告，目前正在准备第6次报告，是关于气候变化问题及评估影响力较大的报告[3]。欧洲环境保护署（European Environment Agency，简称EEA），从环境脆弱性、社会经济脆弱性以及适应性措施3个方面评价了欧洲的气候变化脆弱性[4]。南太平洋应用地学委员会（South Pacific Applied Geoscience Commission，简称SOPAC）从风险、抵抗力、损害和退化角度筛选了57个指标，衡量气候变化对沿海国家的食物安全、人口压力、自然灾害以及生态环境等多方面影响[5]。Moss等[6]分别从人居环境、食品安全、人类健康、生态系统和水资源的敏感度，以及经济能力、人力资源、环境能力适应度综合评价了全球38个国家的气候变化脆弱性。近年来，在国际组织的支持下，中国也开展了不少区域性的气候变化脆弱性评价，如国际环境基金（Global Environment Facility，简称 GEF）资助研究了中国西部地区生态环境和经济系统对气候变异的脆弱性，预测了不同气候变化情景下的危害[7-8]；世界自然基金会（World Wildlife Fund，简称WWF）资助评估了长江流域内的农田、湿地、森林以及城市等多种生态系统的气候变化脆弱性[9]。在多年的研究积累下，中国初步划定了气候变化影响下的敏感区和脆弱区，这些气候变化下的区域脆弱性指标体系构建及评估工作，为中国城市气候变化脆弱性指标体系构建及治理对策提供了经验和理论参考。

上海是中国特大型沿海城市，是受海平面上升以及极端气候事件影响显著的区域，是亟须开展气候适应性研究和管理的典型城市。长三角区域海平面上升速度远高于华东其他地区，而上海是最显著区域，1978—2007年数据显示上海海平面平均每年上升达3.9 mm[10]。海平面上升可以明显加重上海海岸带侵蚀和盐水入侵。据研究，长江口海平面上升10 cm，盐水楔将向上游推进12 km[11]。上海强降水事件在不断增加，平均每10年可以增加1.1次[12]，这也导致城市的排水系统设计雨量从36 mm/h提高到40 mm/h[13]。特别是极端台风降雨事件可以造成大量损失，如2013年台风“菲特”造成全市12.1万人受灾，2人死亡，直接经济损失3.7亿元[14]。同样上海受极端高温影响显著[15-16]。上海建设预防气候性灾害的适应性城市势在必行。

因此，笔者以上海为研究对象，构建上海市气候变化城市脆弱性评价体系，开展现状评估，针对上海面临的气候变化问题，提出应对气候灾害的风险管理及城市优化策略，以期为上海预防气候性灾害、建设适应性城市提供参考依据。

1 上海市气候变化城市脆弱性评价体系构建及评估

1.1 指标框架及选取

1.1.1 指标框架构建

上海市位于东经 121°51′～122°12′、北纬30°40′～31°53′，地处中国东部，长江入海口，太平洋西岸。上海属于北亚热带海洋性季风气候，四季分明，日照充足，雨量充沛。上海全市土地面积为6 340.5 km2，占中国总面积的0.06%，是世界上超大型城市之一。在建立上海市气候变化城市脆弱性评价体系时应考虑超大型滨海城市的特性。

目前最常用的生态脆弱性评价模型框架多数源于“压力—状态—响应”（Pressure-State-Response，简称PSR）以及“驱动力—状态—响应”（Driving force-State-Response，简称DSR）理论基础[17]。也有综合2种理论，对模型进行细化和扩展的研究，如建立“驱动力—压力—状态—影响—响应”模型的欧洲环境署脆弱性模型等[18-19]。总体来看，基本思想均为从对象受到外界干扰、风险的压力，对象的承受能力以及对干扰的响应和适应能力方面进行综合评估。城市受气候变化影响过程也符合这样的模式，即城市在气候变化下受到外部（气象灾害）和内部（城市化程度）因素干扰产生压力，导致城市状态产生变化以及城市产生响应。本次气候脆弱性评估指标体系框架也采用PSR模型思路，在充分考虑上海特性的基础上，建立了目标、领域、主题及指标4个层次的指标框架（表1）。

1.1.2 指标组成

目标层是上海气候变化脆弱性评价指数，是对上海在气候变化下受到的压力大小、状态好坏以及响应能力的综合评价。

领域层由易损性、敏感性和适应性构成。易损性度量城市受到的压力大小，反映气候变化灾害及人类活动程度对城市带来的负荷大小；敏感性反映城市在气候变化下的状态稳定性，对城市的自然、经济、社会多个方面的合理性进行度量。适应性表征响应能力，代表城市在气候变化下的适应能力，包括经济、人力和社会资本、科技水平等实力。

主题层及指标层的要素选取主要参考常用的指标体系及区域的关注重点。易损性不仅要考虑城市受到气候灾害危害程度，同时也要考量人为胁迫程度。气候变化带来的灾害主要包括暴雨、高温以及台风等，可以使用相应灾害发生的频度度量城市的灾害压力。人为胁迫主要是城市化程度，包括人口大小以及人类活动的强度，可以用人口密度以及建设用地比例度量。

敏感性主题层从城市的系统组成出发，包含自然系统、经济系统、社会系统的敏感性。气候变化对城市自然系统影响主要体现在水文水资源、自然植被及生物多样性等方面，本研究中选择生态用地比例、综合物种指数以及水质质量反映城市自然系统的敏感性。气候变化对社会影响的敏感性主要体现在人居健康及社会稳定性上，本研究中选择最敏感的老人儿童的比例作为健康敏感性指标，以及就业率作为社会稳定性指标。气候变化对经济系统的影响主要在产业和能源结构上，本研究中选择受气候影响最显著的第一产业作为指示指标。

适应性主题层主要指城市的发展实力对气候灾害的维护能力，包括经济、人力和社会资本、科技水平等实力，本次选用人均GDP反映经济发达状况，用劳动力接受高等教育的比例体现人力社会资本实力，用科技投入占GDP比例体现城市在科技的投入和先进水平。

表1 上海市气候变化脆弱性评价指标体系及权重Tab.1 Assessment index system and weight of climate change vulnerability in Shanghai

表2 判断矩阵比率标度含义Tab.2 The ratio scale signification of the determining matrix

表3 一致性指标RITab.3 Consistency indicator RI

1.2 权重确定

目前，常用的权重确定方法有定量计算法，如熵权法、方差分析法和主成分分析法等，也有定性的方法，如层次分析法以及经验法等。定量的方法通常是基于样本的数据信息，受样本采集、选择以及变量波动性影响非常大，评估结果也是一个相对水平，应用范围也因此受到局限。定性的方法，如层次分析法，在处理难以完全定量的复杂问题时，通过符合逻辑的框架构建，结合理论和经验知识判断各个指标的相对重要性，采用系统的决策思维过程，对指标重要性进行模型计算和数量化，获得权重。该方法已经广泛用于社会学、景观评价等领域，也适合于本次研究。主要步骤包括：

1）层次结构模型构建，主要通过目标分析，分层分解为多项独立的因子，建立若干层次结构（即指标体系，表1）。

2）判断矩阵构建，邀请专家对每一层次的因子进行两两比对判断，构建矩阵。采用1～9标度法（表2），请行业专家对各层指标进行评判，填写判断矩阵。

3）单层次权重及一致性检验包括如下步骤：

首先，计算该层次的判断矩阵中每一行的元素乘积：

其次，计算Mi的n次方根：

第四，计算判断矩阵的最大特征值λmax：

式中，A为该层次的判断矩阵，W为权重列向量，Wi为权重向量的第i个分量，n为判断矩阵的阶数。

为判断矩阵的一致性需计算一致性指标CI值，原理如下：

CI＜0.1时，判断矩阵有可接受的一致性，否则要进行修正。

当n≥3时，为消除CI受阶数的影响，还需引入判断矩阵的平均随机一致性指标RI（RI值参照表3），对所构造的判断矩阵进行一致性检验。一般认为CR＜0.1时，判断矩阵有可接受的一致性。否则需要对判断矩阵进行修正，使之具有满意的一致性。

4）层次总权重确定。利用单层次权重的加权组合可以计算上一层的权重，即得到评价体系中各单项指标的权重值——层次总权重。

层次分析法所有过程可利用YAAHP软件完成，本次邀请行业内12名专家人员，其中包括气象局管理人员2名以及研究城市生态与规划、全球气候变化与公共健康、环境经济与政策方向的教授10名，分别对各指标间的相互重要性进行打分，将打分结果输入YAAHP软件，建立判断矩阵，检验一致性，确定了上海市气候变化脆弱性评价指标的权重（表1）。

表4 指标定义及评分Tab.4 Indexs definition and scoring

表5 脆弱性综合得分分级Tab.5 Classification of comprehensive vulnerability scores

1.3 指标得分及综合得分计算

确定各指标的定义以及评分标准（表4），将各指标反映气候变化脆弱性程度分为5个等级，评分为1～5分，5分代表气候变化下受影响较强，1分代表影响程度低。各指标的分级主要参考历史数据的变化特征、城市化变化过程特征、世界著名城市现状水平分布特征、国家城市建设和经济管控考核和分级管理办法等。如高温天数、暴雨天数以及台风天数指标的分级主要参考多年来相关指标的20%、40%、60%以及80%分位数。人口密度指标分级主要参考中国2017年全国城市人口密度现状分级情况。建设用地比例分级主要参考城市化梯度曲线变化特征。综合物种指数分级主要参考中国全国生态园林城市考核目标。劣V类水质比例分级主要参考中国对劣V类水管控目标及进度。老人儿童比例分级参考人口结构组成变化。失业率分级参考失业人口预警等级。第一产业比例参考中国现状分布特征。人均GDP参考世界城市发达程度分级。生态用地比例、劳动力接受高等教育比例、科技投入占GDP比例分级参考世界典型城市现状水平分级。

气候变化下城市脆弱性综合得分V计算采用加权计算方式：

式中，Xi为第i个指标得分，Pi为第i个指标权重。

将气候变化下城市脆弱性分为不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、极度脆弱5个等级，脆弱性综合得分越高表示受气候变化影响越大（表5）。

2 上海气候变化脆弱性现状评估

通过对最新的统计年鉴、气象数据、水质数据以及相关文献的查询，获得了上海市2018年各脆弱性指标的现状值（表6），并进行了评估（表7）。

上海气候变化脆弱性综合得分为2.77，总体来看属于中度脆弱。

上海在气候变化下易损性、敏感性和适应性得分分别为3.74、2.04以及2.25，可见易损性是上海在气候变化下面临的重要问题，也即上海面临气候灾害的压力较大。通过具体指标分析可知上海的气候灾害相关指标得分都在4.00及以上，说明气候变化下，高温、暴雨以及台风等发生次数受气候变化影响明显，对上海有较大威胁。另外城市化指标得分均为3.00，说明上海本身城市化程度较高，增强了城市的易损性，城市的脆弱性受人为干扰也较大。总体来看上海在气候变化下易损性得分较高，表现出了较高损害风险。

表6 上海市气候变化脆弱性指标现状值Tab.6 Values of climate change vulnerability indexes in Shanghai

表7 上海市气候变化脆弱性评估得分Tab.7 Scores of climate change vulnerability in Shanghai

敏感性指标总体表现良好（2.04分），但是由于老人儿童比例较高（4.00分），社会健康在气候变化下是极度敏感因素，表现出较强的脆弱性，在气候变化下，需要重点关注这些高敏感性群体的健康。生态用地比例得分为3.00，表现中等，生态用地是建设韧性城市的重要空间，有待进一步保护和提升。其他敏感性指标表现均较好，说明上海自然保护、经济结构调整以及就业福利等方面做得较好。

上海在适应性指标上表现良好（2.25分），除劳动力接受高等教育的比例得分为3.00外，其他指标得分为2.00，说明上海的经济实力以及科技投入方面均较优秀，人的素质技能可以进一步提高，增强上海在气候变化下的适应能力。

总体来讲，目前上海气候变化脆弱性为中度，上海在城市自然保护、经济结构调整、社会福利等方面表现较好，敏感性和适应性总体维持良好，但是气候变化下上海发生气候灾害概率增大，高度城市化的上海已经体现出了较明显的易损性，生态空间有待进一步保护提升，高敏感人群的健康需重点关注，人的素质技能可以进一步提升。

3 气候变化下上海面临的主要问题

根据上海气候变化脆弱性现状评估结果可知，上海在气候变化下可能面临的主要问题：

1）气候灾害频率增加，城市损害风险增加。上海气候变化易损性得分最高的是气候灾害。2018年上海极端高温天数发生18 d、暴雨5 d、台风侵袭4次，均接近近半个世纪以来上海极端天气年发生次数的80%分位数，极端气候发生频率较大①。气温升高可以增强蓝藻暴发的频率，扩大富营养化面积，严重影响水质和水环境。同样降雨规律的变化，可能导致长江下游径流量和径流年内分配变化，从而影响上海供水系统稳定性，影响水资源的可持续性。风暴潮频率和强度增加，严重影响国家安全和对基础设施建设造成不利影响，可能引发海水倒灌、农田盐碱化灾害，继而对上海的区域规划和产业结构产生影响。气候变化也对上海动植物的生存环境和条件产生了改变，对生物多样性也有较大的威胁。

2）城市化程度较高，人为活动负荷较高。根据评估结果发现城市化易损性得分较高。上海2018年人口密度为3 823人/km2，建筑用地比例达44.68%，人口密度高，是一个高能耗城市。而气候变化和能源的消耗互相影响，可能加剧能源供给与需求之间的矛盾。天气温度升高，会导致城市能源消耗加剧，同时增加碳排放量和增加碳交易成本。而且，近20年的历史数据表明城市能源消耗会释放数量可观的热能和污染物，进而显著改变上海地区的感知环境。上海碳排放率还将持续递增，年平均增长率达3%以上，且呈多元化结构[24]。这也表明上海正面临着生态环境保护和经济持续增长的双重挑战。

3）生态空间比例不高，韧性空间不足。上海在自然空间敏感性评估得分上较高的指标是生态空间比例，需要重点关注生态空间比例的提升。林地、绿地以及水体湿地等生态性空间占比约为46.77%，相对国际上典型生态城市较低。林地、绿地、水体等生态空间是城市生态效益生产的重要载体，对城市生物多样性保护、热岛效应消除、雨洪管控以及大气污染削减等有重要作用。需要制定生态空间管控规划，划定生态保护红线，提高生态用地比例，加强上海中心城区和郊区绿地林建设，重视水体湿地的保护与修复，增强生态用地的韧性功能。

4）脆弱人群比例较大，社会公共健康威胁增加。敏感性得分较高的另外一个指标是老人儿童比例。复杂多变的气候将严重影响公共健康并考验安全系统。其中，温度、极端气候、水资源平衡、降雨以及海平面上升等因素，增加了人体健康风险。由气候极端变化引起的人体热激反应以及由空气污染引起的哮喘和心肺功能异常，是上海目前所面临的最常见的公共健康威胁。由于上海老人儿童等脆弱群体数量较大，上海地区未来20～50年的公共健康系统将面临重大挑战。

4上海气候适应性城市建设策略及治理对策

针对在气候变化下上海面临的典型问题，提出相关策略。

1）加强气候变化影响的监测预警和综合管理。全面系统收集上海地区气候变化及城市响应资料，特别是近50～60年具有典型代表的气象资料，用于分析和模拟不同空间所观察到的气候灾害状态。建立气候灾害的紧急预警体系，深入研究气候变化预警的分析方法和改进措施，重点分析气候变化带来的长期或短期威胁的影响性评价。建立合理的气候灾害管理、监督以及协调机制，对气候变化带来的各类问题及风险进行综合管理。以公共安全和灾难应急机制为保障底线，构建城镇一级的防灾体系和市级范围内的防灾格局，系统搭建区域各部门的协商平台，对灾害以及天气变化趋势实施定时、定向模拟预测，并进行长期有效的修正、改进和完善。

2）增加基础设施的韧性和可持续性。根据长期和短期的气候变化模拟情况，提高防洪标准，特别是修改和增补相关配套设施标准。在生态—社会—经济敏感性较高地区修建绿色基础设施缓冲系统，加强生态海岸防护。整体考虑绿色基础设施与工程措施，统一管理机制以及环境标准规划，重视增加基础设施的韧性和效用。加大防汛、抗旱、防风等具有技术支持的基础设施建设，包括加强渠道的稳固和防渗、可持续开发浅层地下水、进行塑料大棚和温室等技术与设施投入等，完善相关配套工程。

3）优化产业结构，缓解气候变化下的能源压力。以减少能源消耗为目标，进行产业结构的调整，对高能耗、高排放以及高污染的企业进行转化，向轻工业和高新技术企业转型，鼓励推广清洁能源和可再生能源的企业。增强能源循环利用的技术和系统研发，提高能源利用效率。制定能源使用标准及排放标准，建立工厂能源节约评估及奖惩机制。从而有效缓解城市能源压力和污染状态，更好地应对气候变化带来的能源压力。

4）建立中长期气候变化对人体健康影响的发展评估和监测预警系统。定期进行适应性公共健康系统升级，开展风险评估，着力提高脆弱人群和外来常住人口对气候变化的适应能力。定期研究制定气候变化对健康影响的评价体系，建立多层级多部门的生态系统健康评价和环境预警系统，重点加强对极寒、极暖、灰霾和酸雨等极端危害人体健康天气的预警和防范，为决策者提供清晰、准确的健康影响报告。开发构建气候变化对人体健康影响的数字化及风险预警平台。

5）加强城市园林的韧性建设，优化城市气候适应及调节功能。城市园林是城市重要生态空间，在气候变化背景下，能够对城市热岛及洪涝灾害等方面有显著的调节作用。为了充分发挥城市园林在气候变化下的调节功能，建议严格控制城市建筑用地比例及范围，逐步提高园林绿地等生态用地比例；加强园林空间结构与生态功能关系研究，特别是园林在应对气候变化带来的高温、暴雨、台风以及污染等问题方面的机制研究，优化园林绿地在城市空间中的分布格局；加强园林工程的韧性建设，如开展海绵设施技术运用，环境功能型（降温增湿、固碳释氧）绿地群落营建技术研发等，提高单位园林空间的生态功能效益，促进韧性城市建设。

注释(Note)：

① 相关数据为作者分析2018年气象数据获得。