1980—2015年气候变化对中国城市绿色基础设施的影响

王龙欢 贾炳浩 戈晓宇

0 引言

气候变化背景下，城市的可持续发展面临一系列风险挑战。海平面上升导致沿海城市受到严重影响，粮食、土地、淡水资源供应面临中断风险；城市热岛效应加剧，城市生态环境质量恶化，危及人体健康和生命安全；极端天气气候事件频发导致城市内涝风险增加[1-2]。随着城市化进程加快，城市群生态脆弱性加剧，气候变化的不利影响已经成为制约城市可持续发展的重大问题[3]。不合理的城市空间布局会进一步加剧气候变化带来的负面影响。因此，如何适应气候变化对城市环境带来的影响，对推动气候适应型城市建设十分必要。

绿色基础设施是在尽量不改变自然环境的前提下，利用自然条件和自然规律的基础设施建设[4]。在城市规划与建设中，绿色基础设施与绿地、绿道、生态网络等互相联系，形成具有自然生态功能和价值的开放空间体系，为城市和社区居民提供高品质的生活环境[5]。除了常规的绿地系统外，收集、净化山区地表水资源，并将其纳入城市供水系统，以此保障生态过程正常运行，创造可持续发展的人居环境，也是绿色基础设施的重要功能之一。城市绿色基础设施可以丰富城市景观，改善城市环境质量，在减缓或降低城市发展面临的灾害风险方面发挥重要作用。

作为京津冀、长三角、珠三角三大城市群中的典型城市，北京、上海、广州在快速城镇化的发展趋势下，人口、资源与气候、环境协调发展问题面临严峻挑战，城市适应气候变化风险的能力十分薄弱[6]。通过营造生态健康、舒适人居环境的绿色基础设施，为建设安全宜居的气候韧性城市做出贡献；同时探究其时空分布特征及与气候要素的关系，对指导气候韧性城市建设、提高城市应对气候风险的综合防护能力具有重要意义。近年来，随着城市化进程加快，国内外学者认识到气候韧性城市发展的重要性，在缓解城市热岛效应、城市绿色基础设施的降温作用及机理等方面开展了大量研究工作[7-8]。一些学者从城市绿色基础设施应对气候变化的理念方面，详细地分析了绿色基础设施的生态价值，基于气候因子探讨了绿色基础设施的设计策略[9-10]。Demuzere等从城市、邻里和场地不同尺度构建了绿色基础设施以适应气候变化[11]；刘长松提出了风景园林应对气候变化的设计策略[12]；李瀚以小城镇为例探讨了气候适应型绿色基础设施的设计方法[13]。除了理论研究，也有学者通过实测和模型模拟量化分析了城市空间与气候的关系。Aleksandra等展示了不同国家在应对城市气候问题时采取的绿色或蓝色基础设施方法，并从气候变化对城市的影响、城市适应措施以及应对主题等方面进行了案例研究[14]；Galagoda等通过现场实验、模拟和问卷调查研究了垂直绿化系统对热带微气候变化和人体舒适度的影响[15]；Bass等利用气象模式模拟了屋顶绿化对缓解城市热岛效应的影响[16]。综上所述，国内外关于气候韧性城市的研究在城市规划和绿色基础设施领域已经取得一定的成果，但总体而言，气候变化对绿色基础设施影响的研究仍然相对较少，且已有研究主要集中于理论框架设计，基于数据资料的定量刻画研究仍较缺乏。本研究以北京、上海、广州为研究案例，从空间分异和时序演变特征角度，分析了1980—2015年气候要素、城市绿色基础设施形态特征演化，从而揭示气候变化对城市绿色基础设施的影响。最后，基于分析结果阐述绿色基础设施建设应对气候变化方面的启示，以加快推动气候韧性城市建设。

1 研究案例和数据来源

北京是中国的政治、经济和文化交流中心，具有重要的国际影响力，位于华北平原西北部，背靠燕山，参照《北京市城市总体规划（2016—2035）》[17]，总陆域面积为16 410 km2，气候为暖温带半湿润半干旱季风气候。上海地处太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江三角洲前缘，地理位置优越，是经济、金融、贸易和航运中心，全市总陆域面积为6 787 km2。上海属于北亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。广州地处珠江入海口，是国家综合性门户城市、南方经济中心，全市土地总面积7 287 km2。广州属海洋性亚热带季风气候，光热充足、温暖多雨。选取北京、上海、广州为研究案例的主要原因是城市快速发展过程占用了大量的耕地，土地利用格局发生了较大调整[18-19]。在气候变化与城市扩张双重影响下，城市极端天气气候事件增加，城市生态环境问题突出，超大城市与城市群要通过城市基础设施建设促进人口资源环境与经济社会协调发展。这迫切需要评估城市规划及其气候环境效应，对于提高城市减缓与适应气候变化能力具有重要意义。

本研究的土地利用变化数据来自中国土地利用现状遥感监测数据库（www.resdc.cn），该 数 据 集 包 括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期，空间分辨率为1 km。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型及25个二级类型。在结果分析前使用地理信息系统软件ArcGIS将土地利用数据转化为NetCDF（nc）格式的文件，使用科学数据处理和可视化语言（The National Center for Atmospheric Research Command Language,NCL）将土地类型进行重分类后出图，本研究中城市内耕地、林地、草地、水域均作为绿色基础设施用地。气候要素数据来自中国区域地面气象要素驱动数据集，包括近地面气温（K）、近地面全风速（m/s）、地面向下短波辐射（W/m2）、地面降水率（mm/a），时间分辨率为3 h，空间分辨率为0.1°×0.1°。该数据集是以国际上现有的再分析资料和卫星遥感数据为基础，融合了中国气象局常规气象观测数据制作而成，其精度介于气象局地面观测数据和卫星遥感数据之间，并好于国际上已有再分析产品[20-22]。为了同土地利用数据的年时间序列进行对比，气象要素数据通过NCL软件转换为年时间序列。本研究采用一元线性回归分析法分析北京、上海、广州的绿色基础设施面积及气象要素的变化趋势。

2 结果与讨论

根据土地利用类型及重分类得到北京、上海、广州的绿色基础设施的时空分布（图1）。总体来看：北京市绿色基础设施主要分布在延庆、密云等生态涵养发展区，过去35年城市化过程中建设用地扩张较为明显，城市用地整体集中在东南部地区；上海市绿色基础设施用地在城市化进程中急剧减少，城市用地集中于中部地区，城市整体扩张强度大于北京；广州市绿色基础设施用地在1980—2015年减少了12%，主要集中于花都区、番禺市，荔湾区、越秀区，城市扩张强度远小于上海。

1 城市绿色基础设施变化Variation of urban green infrastructure

通过中国区域地面气象要素驱动数据集，获得3个城市1980—2015年气候要素分布（图2～5），结果表明：北京地区年降水空间分布不均，东北部降水高值区与地形关系密切[23]。1995年相对于1980年降水增加显著，可能原因之一是城市化进程加快导致城市地表粗糙度变化及热岛效应，进而导致降水量增多[24]。上海、广州的年降水量变化与北京类似，1980—2005年城市化进程加快对降水影响显著，年降水量整体呈现增加的趋势。

2 降水量变化Variation of precipitation

3 气温变化Variation of surface temperature

4 风速变化Variation of wind velocity

5 太阳辐射变化Variation of solar radiation

根据图1可知，北京、上海、广州1980年之后城市化进程加快，城市绿色基础设施用地骤减，引起城市热岛效应增强（图3）。北京东南部地区城市化使得年平均气温明显升高，2015年北京北部城区城市绿色基础设施用地增加并不显著，升温仍然明显，这说明人口增加带来的人为热也是城市热岛效应产生的原因之一[25]。上海城市化进程加快，城区及近郊地区升温明显，远郊地区金山区2015年年平均气温相较于1980年显著增加。广州地区高温分布区域和城市分布基本一致，由于广州地区城市绿色基础设施变化相对北京、上海较小（图1），因此，其气温变化并不显著。

从风速的空间分布来看（图4），沿海地区风速要高于内陆地区，上海东部沿海区风速增加，主要与滨海地区无地形阻挡有关。由于城市化进程改变了城市下垫面，例如城市高楼增加了地表粗糙度，增强了对风力的削弱作用，引起风速下降，这在北京地区更为明显。太阳辐射的变化也与城市建设有关，3个城市的入射太阳辐射略有减少（图5），但近年来气温升高，这说明城市化的升温效应大于太阳辐射减少的降温效应[26]。

1980—2015年北京、上海、广州绿色基础设施面积及气候要素的时间序列和趋势显示：受全球气候变暖和城市化等人类活动影响，3个城市的年平均气温自1980年开始呈现显著上升趋势，年平均气温最高值出现在2007年左右（图6）。利用一元线性回归方法得到3个城市绿色基础设施及气候要素的变化趋势（图6中虚线），2000年左右，上海、广州城市绿色基础设施面积明显增加，绿色基础设施是构建生态宜居、绿色城市的重要保障，可以有效促进城市经济与自然和谐发展，由气温变化可以发现绿色基础设施对温度降低具有显著效果。2000—2005年上海、广州气温开始降低（降温速率分别为-0.02 K/a，0.01 K/a），北京市气温升高速率明显减小。2007—2015年北京市气温以-0.03 K/a的速率呈现波动式下降，这与城市扩张速度放缓有关。2014年温度回升，这可能与厄尔尼诺事件有关，厄尔尼诺期间黑潮区海温演变影响大气环流的变化，冷空气势力不强，我国北方地区出现暖冬现象[27-28]。2005—2015年，虽然城市扩张速率减小，但城市化进程增加了城市高楼的数量，地表粗糙度增加，引起风速下降，这在上海地区较为明显。

6 1980—2015年北京、上海、广州绿色基础设施、降水、温度、风速、太阳辐射的年际变化Annual variations of green infrastructure, precipitation,temperature, wind velocity and solar radiation in Beijing,Shanghai and Guangzhou (1980-2015)

3 城市绿色基础设施建设在应对气候变化方面的启示

全球变暖及城市化的叠加效应，使得城市更易受到气候变化所带来的负面影响。同时，城市生产生活排放的二氧化碳和污染物占比很大，随着城市面积扩张与城市人口增加，未来城市面临的气候变化风险形势会更为严峻。另外，城市建筑集中、人口密集，是气候变化的高风险地区，气候变化背景下高温热浪、极端降水等事件频发，对人体健康和社会经济发展等方面都会带来不利影响，进而制约城市发展。根据上述对3个典型城市的绿色基础设施和气候要素数据分析结果可看出，城市绿色基础设施可通过改变土地利用格局影响城市水分、能量过程，减缓城市热岛效应。因此，应对气候变化的城市规划设计可以通过合理调整土地利用格局、科学规划绿色基础设施、提高绿化覆盖率以缓解气候变化和极端事件影响。

3.1 城市规划与城市绿色基础设施配套，提高绿化覆盖率

北京、上海、广州根据城市园林绿化建设实际需要，出台了一系列政策措施，统筹安排城市绿地、林地等具有生态功能的土地布局，有效促进了生态保护与建设。但城市人口密度过大、产业集中、高楼建筑密集，少量且独立的公园、保护区难以发挥绿色基础设施的作用，制约了城市人口、资源、环境的协调发展，也增加了绿色基础设施建设任务的艰巨性，不利于适应气候变化的韧性城市建设。因此城市规划应与绿色基础设施配套，通过更多的草地、湿地、森林等提高绿化覆盖率。

3.2 以复合功能为导向增强绿色基础设施

目前城市气候仍然面临严峻的环境问题，如：人口集中、高密度建筑带来的城市通风差、夏季高温热浪及冬季大气污染问题。如何改善城市人居环境、提高城市舒适度是城市绿色基础设施建设的重要目标。因此，城市绿色基础设施的规划设计要注意保护景观的连续性，并重视其复合功能，除了增加绿地面积强调绿化覆盖率外，还要注重增强其他绿色基础设施，例如建筑立面设计绿化墙、建筑屋顶嵌入绿色景观、利用地形或设计斜坡有效储存雨水、提高水资源循环利用等。同时注重因地制宜，考虑不同地区的差异和特色，以复合功能为导向完善城市绿色基础设施建设。

4 结语

笔者以北京、上海、广州为研究案例，从时序变化、空间分异2个层面，分析了过去35年（1980—2015年）的气候要素、城市绿色基础设施形态特征演化，揭示了气候变化对城市绿色基础设施的影响，以期为气候适应型城市绿色基础设施的布局规划提供数据支撑。研究发现：受气候变暖和城市化等人类活动影响，城市热岛效应增强，3个典型城市的年平均气温在过去35年呈现显著上升趋势；绿色基础设施可改善城市热环境，缓解热岛效应，3个城市2010年和2015年扩张速度减缓，导致温度有所降低。

本研究主要从时空演变角度分析了气候变化对城市绿色基础设施的影响，后续研究将丰富研究区域并提高数据的精度，同时结合地球系统模式或气候系统模式的未来预估结果，探讨不同预估情景下，特别是国家碳达峰、碳中和战略目标下，我国城市绿色基础设施对气候变化的响应及应对措施，从而为我国未来城市规划与建设提供有效数据支撑。

图片来源(Sources of Figures)：

文中图片均由作者绘制，图 1～5 底图来自中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统［审图号为 GS(2019)3266、GS(2019)3333］及广州市规划和自然资源局标准地图服务［审图号为粤 S(2020)-01-005］，土地利用数据来源于资源环境科学与数据中心（www.resdc.cn），气象数据来源于国家青藏高原科学数据中心（data.tpdc.ac.cn）。