北京西部生态涵养区气候承载能力初探

2021-01-16杨袁慧程宸李超付磊张伟琪

农学学报 2021年1期

杨袁慧程宸李超付磊张伟琪

摘要：利用歷史气象观测资料、卫星遥感影像资料，结合海拔高度、地形差异的影响，采用ArcGIS进行空间分析来研究北京西部生态涵养区的气候资源基本状况、主要气象灾害的风险区划，综合评判涵养区气候承载能力，以期为生态涵养区建设、资源优化开发与保护、生态旅游发展提供科学的气象参考。研究结果表明：（1）涵养区出现严寒、酷暑的概率相对较低，夏季山地区域更适宜于避暑旅游。（2）涵养区总体累积降雨量适中，降雨引发的灾害相对较少，宜居性较高。（3）涵养区具有很大的气候生产潜力，生态农业资源开发潜力和价值高。（4）涵养区夏季大部分时间人体感觉舒适、全年旅游舒适期长，具有休闲、避暑、生态旅游的气候条件优势。（5）涵养区高温灾害风险较低，宜于打造宜居、宜游胜地，真正践行绿色青山就是金山银山理念，创造区域经济价值。（6）涵养区东部平原内涝风险等级较高，需提前防范，做好城市排涝工作，及时规避风险；中西部深山区泥石流风险等级较高，要加强风险隐含点的防控与排查，科学防灾减灾。

关键词：生态涵养区；气候资源；气象灾害；气候承载能力；气候生产潜力；温湿指数；人体舒适度气象指数

中图分类号：P49文献标志码：A论文编号：cjas20191200298

基金项目：北京市气象局科技项目（BMBKJ201704018）；门头沟区青年人才培养资助项目。

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

中国是多山且幅员辽阔的国家，气候资源垂直变化大、地形效应显著是山地区域的突出特点[1]，当前有针对川藏、秦岭、南岭等大地形区研究其立体气候特征[2-6]，有基于气候资源开展气候适宜性、旅游气候舒适度等方面的研究[7-12]，为山地区域气候资源研究提供了很好的指引。气候资源的开发利用、气候资源的服务价值、气候资源的适宜性评价等，是生态文明建设的重要科学支撑，是习近平总书记“绿水青山就是金山银山”理念的重要实践，也是满足人民群众对美好生活向往最直接的体现。门头沟区作为北京西部绿色生态屏障、北京西部生态涵养区，山区面积占总面积的98.5%，西部山区与东部平原气候呈明显差异，如何充分发挥区域生态气候资源优势，综合评判气候资源承载能力，科学合理指导区域西部涵养区建设、资源优化开发与保护、生态旅游发展等，是气象服务于生态文明保障建设的重点。

笔者利用历史气象观测资料、卫星遥感影像资料，结合海拔高度、地形差异的影响，采用ArcGIS进行空间分析来研究研究气候资源基本状况、主要气象灾害的风险区划，进而综合评判涵养区的气候承载能力，旨在为落实区域功能定位提供气象服务保障，为实现以生态绿色产业为主导的经济社会可持续发展做出贡献。

1研究资料和方法

氣候资源的基本状况反映了地区气候资源条件及其对当地自然环境和人居生活所需的气候资源的支撑和供给状况[13]。研究选取北京西部生态涵养区——门头沟区作为研究区域（图1），涵养区地处华北平原向蒙古高原过渡的山地地带，处在东部湿润区和西部干旱区之间，位于暖温带向温带过渡地带，属中纬度大陆性季风气候，东部平原与西部山区海拔高差大，气候呈现明显的立体差异。研究选取区域内2个国家级气象观测站（1981—2016年）、31个加密区域自动气象站（2014—2016年）的观测值作为基础气象资料，选用ALOS卫星影像资料作为地形底图，选取平均气温、平均降水、气候生产潜力、表征人居环境气候舒适度的温湿指数以及表征旅游舒适期的人体舒适度气象指数5个指标来评价气候资源的基本状况[17-20]，选取高温、暴雨2个主要气象灾害来进行风险区划与评估，进而从资源与灾害2个方面来综合评判涵养区的气候承载能力。

2生态涵养区气候资源分析

2.1气温

涵养区垂直高差大，全境海拔高度大于800 m的中山占山地面积的一半，北部中山面积最大，占全区中山面积的2/3以上，平均海拔在1400 m以上，西部山区与东部平原气候差异明显。加密区域自动气象站中海拔最低处门头沟站85.5 m（13.6℃），最高处灵山站1669 m （4.3℃），平均递减率约为0.59℃/100 m，反映出气温明显的立体特征，导致区域内植被分布垂直带谱差异明显，立体自然生态景观丰富多样，不同海拔风景各异，从山底门城地区至灵山山顶，季节交替时可以感受到“一天有四季，处处景不同”，天然生态资源、旅游资源储备丰富。

2.1.1空间分布以年平均气温为指标，结合气候带分类指标划分，气温大体呈东高西低的趋势分布（图2），东部平原地带（海拔100～300 m）年平均气温为12～ 14℃，中东部低山及部分中山地带（海拔300～800 m）年平均气温为9～12℃，为山地北亚热带及暖温带气候类型；中西部中高山地带（海拔800～1000 m）年平均气温为8～9℃，为中温带气候类型；高山地带（海拔1000 m以上），如灵山、妙峰山等，年平均气温为3～8℃，为寒温带及亚寒带气候类型。涵养区内80%的区域年平均气温在10℃以上，属于暖温带、中温带，年平均气温较为适中，可以大力挖掘生态旅游资源。

2.1.2极值分析分析平均气温时序变化（图3），区域内四季分明，全年冬季最长，夏季次之，春、秋短促，入春较晚，常年4月上旬才正式进入春季，春季长约56天，冷暖空气交替活动频繁，气温回升快；入夏较早，一般5月下旬前后即进入夏季，夏季在全年中时间较长，约为100天，7月下旬8月上旬为华北地区主汛期，易出现暴雨、冰雹和雷雨大风等强对流天气；通常9月上旬进入秋季，长约52天，秋季冷暖适宜、少风少雨；正式进入冬季一般在10月下旬，冬季约有155天，季节漫长。东部平原地区夏季平均气温为25.1℃，西部山区为23.2℃，基本处于人体感觉舒适的气温范围内（18～25℃），尤其山地区域接近于最佳温度，与国内著名避暑城市或旅游地相比，适宜于夏季避暑旅游。

2.2降水

受海洋暖湿气团影响，涵养区内降水主要集中在6—9月，降水量年际变化大，且地区分布不均匀。降水量受中纬度大气环流不稳定和季风影响年季变化大，从空间分布来看（图4），自东向西逐渐减少，海拔较低的平原、低山等地降水量为550～800 mm，海拔较高的中高山地带降水量为400～550 mm。

降水量时序变化显示（图5），降水主要集中在7、8月，其次是6、9月，1—4月及11—12月几乎无降水。东部平原地区年平均降水量为567.6 mm，年平均降水日数71.6天，极端年最大雨量为970.1 mm，日最大降水量值为190.5 mm，其中6—8月降水量为408.6 mm，占全年降水量的72%；西部山区年平均降水量为449.6mm，年平均降水日数75.9天，极端年最大雨量为676.8 mm，日最大降水量值为145.8 mm，其中6—8月降水量为301.3 mm，占全年降水量的67%。

2.3气候生产潜力

评价一个地区气候资源最重要的依据之一就是气候生产潜力，通过对某区域农业气候生产潜力开展评估，可以直观地反映出该区域在当前以及未来情境下农业气候生产中的状况，如光、热、水等资源配置对于满足作物生产的需求情况，可以说，气候生产潜力是一个地区农业生产产量的上限[14-18]。

气候生产潜力由于地区光、温、水差异较大而呈明显差异。涵养区内气候生产潜力平均为939.3 g/（m2·a）各地分布在821.9～1141.7 g/（m2·a），从空间分布图（图6）可以看出，涵养区气候生产潜力整体呈现东高西低的趋势，差异较为明显，东部平原地区由于辐射、气温、降水等气候条件较好，作物生长发育所需要的光、温、水供给充足，因而能获得较高的产量，像永定镇、龙泉镇、军庄镇等地区的气候生产潜力均在1000 g/（m2·a）以上，中部地区次之，西部中高山地区生态环境状况较好，但这带地区辐射、气温等气候条件相对较差，不能满足作物生长的需求，一定程度上影响了作物的生产产量，造成气候生产潜力相对较低，在900 g/（m2·a）以下，尤其灵山高海拔地区气候生产潜力为821.9 g/（m2·a），达到全区最低值。

2.4人居环境气候舒适度

从与主要避暑旅游地夏季逐月温湿指数[19]的对比来看（表1），夏季3个月大部分时间人体感觉舒适，是避暑旅游的不错选择。东部平原地区THI72～76之间，其中6、8月为THI 72、74，人体感觉为“偏热，较舒适”；西部山区THI70～73之间，其中6月THI 70，人体感觉为“暖，舒适”，7、8月为THI 73、71，人体感觉为“偏热，较舒适”。总体而言，西部山区温湿指数优于东部平原地区，与承德、贵阳等避暑旅游胜地相当，更具有夏季避暑旅游的独特气候条件优势。

2.5旅游舒适期

研究显示（表2）[20]，东部平原地区3—11月BCMI 40～72，处于第3～6级之间，大部分人感觉舒适，比较适宜旅游或居住，全年旅游舒适期长达9个月，其中5、6、9月BCMI分别为61、68、62，为第5级，人体感觉最为舒适，最舒适期长达3个月，主要集中在春夏交替季节及初秋季节；西部山区3—10月BCMI为41～69，处于第3～5级之间，大部分人感覺舒适，比较适宜旅游或居住，全年旅游舒适期长达8个月，其中5—9月BCMI为59～69，为第5级，人体感觉最为舒适，最舒适期长达5个月之久，主要集中在晚春季节、夏季、初秋季节。对比主要旅游地的人体舒适度气象指数[20]，涵养区内旅游舒适期较长，与国内主要旅游地相当，全年有8～9个月相对比较适宜旅游或居住，尤其夏季最舒适期长，堪比宜居宜游胜地。

3生态涵养区主要气象灾害区划与评估

气象灾害风险区划与评估主要是在对致灾因子危险性、承灾体易损性等因子进行定量分析的基础上，根据风险度指数的大小将风险分为若干个等级的研究，以此来反映气象灾害风险分布的地区差异性[21]。研究主要采用气候统计方法分析自动气象站资料，结合文献收集、实地调查等方式，收集历史灾情、人口、社会经济、土地规划利用等资料，建立气象灾害风险评估基础数据库；采用评估因子分离的方法，分别对致灾因子危险性、承灾体易损性等因子进行评估；再建立各灾种气象风险评估模型，计算各灾种风险指数，利用ArcGIS空间分析与插值技术，绘制各灾种气象灾害风险区划图[22]。

3.1高温风险评估

高温带来的不适环境，不仅影响人体健康、增加相关疾病的发生率，还会导致城市资源紧张、交通事故增多、工作效率降低，同时带来不容忽视的生态问题。根据高温灾害的特点，致灾因子危险性主要与日最高温度、日最高温度≥35℃的总日数以及日最高温度≥35℃的最长持续日数相关，承灾体易损性则与区域人口密度、老年和14岁以下儿童的比例、土地利用情况等直接关联[23-24]。根据权重赋值法，利用ArcGIS空间分析与插值技术，得到涵养区的高温风险等级区划图（图7），分析发现，涵养区65%左右的区域为高温风险处于低或较低等级，主要分布在中西部中高山地带，高温天气出现概率低，且人口密集度低；仅20%不到的区域为高或较高等级，主要分布在东部平原地区，此区域为人口、经济高度密集区，除地形因素外，受城市热岛因素影响高温天气出现频率稍高，加上人口密集、经济发展等多方面社会因素，导致易损性较高，因而综合风险等级较高。

综合分析来看，涵养区高温灾害的风险较低，得天独厚的地理环境、气候环境优势，宜于打造宜居、宜游胜地，可大力发展休闲、避暑旅游产业，同时带动餐饮、住宿等连锁产业的发展，真正践行绿色青山就是金山银山理念，带来经济产业发展的同时带动区域经济发展，创造区域经济价值。

3.2暴雨风险评估

涵养区降雨主要集中在夏季，总量不大，但突发性强，极端性强，虽然降雨本身带来的灾害并不明显，但暴雨带来的次生灾害如城市内涝、泥石流等，造成的损失却是不可估量的，甚至给人民的生命、财产安全造成威胁，如何掌握暴雨风险区划，采用有效的灾害管理战略，科学预判和評估，避免或减轻暴雨灾害带来的损失是研究的意义所在。根据暴雨灾害的特点，致灾因子危险性主要与持续性暴雨的频次及强度、分时段短时暴雨的频次及强度相关，承灾体易损性则与区域人口密度、地均GDP、耕地面积比例等相关，同时结合暴雨造成的各类灾害隐患点数据综合分析[25]。考虑到涵养区的暴雨主要带来城市内涝与泥石流灾害的影响，故研究主要分析涵养区的城市内涝、泥石流风险等级区划与评估（图8）。

3.2.1内涝风险评估涵养区60%左右的区域内涝风险处于较低等级，主要分布在中西部中高山地带，除地形因素、地势较高外，植被茂密带来植被的根系截流作用大等也是削弱内涝危险性的较大因素，且人口密集度低、耕地面积少等也是降低易损性的因素；而东部平原地区，地势平坦不利于积水的排泄，且建筑物密集，导致不透水地表面积大，降水下渗作用弱，增加了内涝风险性，加之此区域为人口、经济高度密集区，导致易损性较高，因而综合风险为高或较高等级，在暴雨天气需提前防范，做好城市排涝工作，及时规避风险。

3.2.2泥石流风险评估暴雨是诱发地质灾害的主要因素，会引发山体滑坡，如泥石流发生时会携带大量的泥沙、石块等，突发性强、流速快、流量大、破坏性强，损失严重。涵养区60%左右的区域泥石流风险处于较高或高等级，主要分布在中西部中高山地带，以及村落聚集区，由于该地区经济、人口相对集中，且有一定的海拔高度，属于山地，暴雨诱发泥石流灾害的概率相对要高；北部地区，由于其发生暴雨的频次较低，致灾因子危险性等级相对低些，因而泥石流风险等级较低。由于涵养区不断加强防灾减灾能力建设，加强风险隐含点的防控与排查，完成西部深山区险村险户的转移，该地区人口分布稀少，虽然泥石流灾害发生风险高，但带来的社会、经济损失并不大，这也正是科学防灾减灾的要义所在。

4生态涵养区气候资源服务价值分析

研究利用历史气象观测资料、卫星遥感影像资料，结合海拔高度、地形差异的影响，并采用ArcGIS进行空间分析来研究北京西部生态涵养区的气候资源基本状况、主要气象灾害的风险区划，进而综合评判涵养区的气候承载能力。结果表明：

（1）涵养区气温垂直差异显著，呈现东高西低的分布态势，80%的区域年平均气温在10℃以上，属于暖温带、中温带，较为适宜居住；从极值来看，出现严寒、酷暑的概率相对较低，山地区域更适宜于夏季避暑；从季节划分来看，四季分明，冬季最长，夏季次之，春秋短促，夏季山地区域平均气温为23.2℃，接近于人体感觉最佳温度，适宜避暑旅游。

（2）涵养区降水主要集中在6—9月，降水量年际变化大，且地区分布不均匀，自东向西逐渐减少，东部山前平原地区及低山区域降水明显多于中高山地区，总体累积降雨量适中，出现干旱、洪涝等气象灾害的风险相对较低，宜居性较好。

（3）涵养区气候生产潜力优良，尤其东部平原地区、中部低山区域，由于太阳辐射、气温、降水条件较好，光、温、水供给充足，气候生产潜力较高，可科学合理的规划开发该地区的气候资源，实现气候资源的最大化开发与可持续发展。

（4）涵养区平原地区温湿指数在72～76之间，西部山区温湿指数在70～73之间，夏季大部分时间人体感觉舒适，与主要避暑旅游地比较温湿指数相当，具有夏季避暑旅游的独特气候条件优势。

（5）涵养区平原地区3—11月比较适宜旅游或居住，其中5、6、9月为最舒适期，西部山区3—10月比较适宜旅游或居住，最舒适期为5—9月，长达5个月之久，全年有8～9个月相对比较适宜旅游或居住，堪比宜居宜游胜地。

（6）涵养区高温灾害的风险较低，宜于打造宜居、宜游胜地，真正践行绿色青山就是金山银山理念，创造区域经济价值。

（7）涵养区东部平原地区的内涝风险等级较高，在暴雨天气需提前防范，做好城市排涝工作，及时规避风险；中西部深山区的泥石流风险等级较高，要加强风险隐含点的防控与排查，完成险村险户的转移，科学防灾减灾。

开展涵养区的气候承载能力研究，为区域生态涵养区建设、资源优化开发与保护、生态旅游发展提供科学的气象指导和参考，真正践行绿水青山就是金山银山理念，扛起生态文明建设大旗，推进区域产业转型升级，打造绿色GDP，助力打造“绿水青山门头沟”城市品牌，具有重要的现实意义，是时代发展的迫切需要。

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