基于DPSIR模型的海口市气候承载力评估研究

张明洁， 李文韬， 张京红， 张亚杰

（1.海南省气候中心，海口 570203； 2.海南省气象局，海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

海口市是生态环境脆弱区，属于热带季风海洋性气候，气象灾害频发，气候变化下台风、强降水、高温等极端气候灾害引起的城市内涝、风暴潮、干旱等次生灾害对该市的社会发展和人民生活造成了严重影响，如2008年初的寒潮、2014年的超强台风“威马逊”、2015年5月中旬—6月下旬历史同期罕见的高温天气过程等.

气候承载力是气候系统对可持续发展的承载能力，指在一定的时间和空间范围内，气候资源（如光、温、水、风等）对社会经济某一领域（如农业、水资源、生态系统、人口、社会经济规模等）乃至整个区域社会经济可持续发展的支撑能力［1］. 关于气候承载力，国内外学者也做过相应研究，闫胜军等［2］、卢燕宇等［3］、吴翔等［4］、岳溪柳等［5］从天然气候资源、气候压力、适应和应对能力等方面各有侧重的选取评价指标，建立评估模型，分别对上海、皖江城市带、南昌市、北京地区等内陆城市的气候承载力进行了评价分析，但总体上对气候承载力的研究还处于起步阶段，在评价体系的建立、评估指标、技术方法以及研究区域上还有待进一步深入、完善和扩展.

另一方面，由欧洲环境局制定的DPSIR（Driving forces-Pressure-State-Impact-Response）模型［6］，将一个系统的评价指标分为驱动力、压力、状态、影响力和响应等5种类型体系，每种类型体系又分成若干种指标，并且涵盖自然资源利用、环境保护和社会经济发展等多个领域，具有内容全面、逻辑性强等优点，已被广泛应用于城市、土地、环境、可持续发展等诸多领域并取得了一定的研究成果［7-10］. 该模型可以将城市气候安全及相关的环境问题、社会经济发展状况、政府政策导向等方面按照因果顺序有机的整合在一起，为评估城市气候承载力提供了较好的研究思路，具有很强的指导作用.

基于气候承载力评估研究中评估指标构建、评估方法选取存在的差异，借鉴已有的研究成果，在DPSIR概念模型（图1）指导下，结合对海口市的气候特征、社会经济发展状况的分析，对海口市气候承载力进行评估研究. DPSIR框架下的城市气候承载力评估以城市气候资源环境可持续发展为基础，保障人口、资源、环境、经济、社会、交通等城市系统内部要素协调发展，能够探索发现制约城市气候承载力均衡发展的“木桶效应”［11］. 本文从驱动力、压力、状态、影响力和响应能力等角度出发，建立了一套由一系列既具有层次性和结构性，又相互联系、相互独立的指标构成的城市气候承载力评价指标体系，并采用主客观相结合的方法赋予各指标权重，在此基础上建立海口市气候承载力综合评估指数，开展海口市气候承载力评估研究.

图1 城市气候承载力DPSIR概念模型Fig.1 DPSIR conceptual model of urbanclimate carrying capacity

1 数据来源

研究过程中评价指标的原始数据主要包括气象数据和社会经济统计数据，考虑到数据的可获得性，气象数据来源于海南省气象局数据库2000—2017年气温、降水、相对湿度、日照时数、风速等气象观测数据；人口密度、耕地面积、国民生产总值等统计数据来源于2000—2017年的《海南省统计年鉴》和《海口市统计年鉴》.

2 研究方法

2.1 评价指标体系的建立

根据前文的分析，针对城市气候承载力评价的要求，按照全面性、代表性、科学性和可获得的原则，在DPSIR框架模型指导下，从驱动力、压力、状态、影响力和响应能力等角度出发，归纳选取反映城市气候承载力的各项指标. 并运用因子分析、征询有关专家意见等对指标进行取舍，建立了气候承载力评价指标体系，以期能全面反映海口市气候承载力状况.

2.1.1 驱动力 系城市气候承载力发生变化的潜在原因，主要指人类经济社会活动状况及气候自然变化规律等. 研究过程中通过对比分析，选择能够代表影响气候承载力的人类活动和气候指标作为驱动力的评价因子.

2.1.2 压力 系驱动力作用带来的结果，是直接施加于气候承载力并能够促使其发生变化的原因. 人类活动和社会经济生产活动给气候系统带来的压力直接反映了人类生存环境的质量和社会经济发展中存在的问题. 因此选用海口市城市和社会经济发展方面的指标作为压力评价因子.

2.1.3 状态 系气候承载力基于上述压力下所处的状况，主要表现为气候资源及其对经济社会发展的支撑力水平. 选择能够反映城市气候状况的指标作为状态的评价因子.

2.1.4 影响力 系城市气候承载力所处的状态对社会经济发展和自然资源环境的影响，选择能够代表这种影响的社会经济统计指标和灾害统计指标作为影响的评价因子.

2.1.5 响应力 系针对状态和影响中具体指标的变化趋势所采取的对策和制定的积极政策，受社会经济发展水平、经济发展结构、科技发展创新、生活环境改善等多种因素影响. 因此，从这几个方面选择污染治理、环境投资、科技投入等作为评价因子.

以上具体选择的各项指标见表1.

表1 海口市气候承载力评价指标体系及其权重Tab.1 The evaluation index system and weight of climate carrying capacity of Haikou

2.2 复合指标的计算

评价指标中的复合指标气候生产潜力和综合舒适度指数的计算方法如下：

2.2.1 气候生产潜力 气候生产潜力指一个地区光、热、水等要素的数量及其配合协调程度，本文采用Thomthwaite Memorial 模型计算气候生产潜力. 该模型以实际蒸散量为变量，综合了光、温、水等气候因子，是代表性较强的综合气候指标［12-13］，计算公式如下：

2.2.2 综合舒适度指数 采用基于温湿指数和风效指数建立的综合舒适度指数作为计算海口居住环境舒适度的评价指标：R=0.65×H+0.35×K［14］. 其中，H和K分别代表温湿指数和风效指数，计算方法见《人居环境气候舒适度评价》（GB/T 27963—2011）［15］.

2.3 权重的确定

评价指标的权重既是其在评价体系中重要程度和贡献大小的体现，也直接影响到评估结果的精度、客观和公正. 采用熵权法和层次分析法分别确定客观权重和主观权重，并将二者相结合得到的综合权重作为评价指标的权重，可以更加全面、准确地反映评价指标的重要程度.

为了消除指标量纲不同带来的不利影响，首先采用离差标准化方法对指标进行归一化处理［11］.

正向指标：

逆向指标：

式中：Xi为无量纲化处理后第i个指标的均一化值，范围0～1；Xmax和Xmin分别为该指标的最大值和最小值.

然后分别采用层次分析法和熵权法对评价指标进行主观和客观赋权.

1）层次分析法. 城市气候承载力评价指标体系分3个层次（表1），根据专家对各指标两两比较后按照1～9比率标度法进行打分，分别构造准则层对目标层的判断矩阵和指标层对准则层的判断矩阵，参考文献［16-17］的方法，计算得到各指标的权重.

2）熵权法. 熵权法利用评价对象在某项指标上值的差异大小来确定权重，是一种客观的综合评价方法. 根据熵的特性，通过计算熵值来判断某个指标的离散程度，离散程度越大，该指标对综合评价的影响越大，则其权重越大［23-25］. 步骤如下：

①假设有n个评价对象，每个评价对象有m个指标，计算第i项指标的信息效用值di：

3）综合权重. 参考文献［7］的方法计算评价指标的综合权重：

由此得到各评价指标的综合权重（表1），在评价指标体系的33 个指标中，权重排在前25%的指标依次是：第三产业占比、民用汽车拥有量、货物周转量、城镇化率、年降水量、竣工房屋面积、旅客周转量、人均粮食产量. 这个排序结果与进入21世纪以来海口市的经济发展、人口问题、旅游业发展、第三产业发展、国际旅游岛建设、国家“一带一路”倡议带动等密不可分. 进一步分析发现，各分系统中权重较大的指标分别是城镇化率、货物周转量（区位优势重要）、年降水量、人均粮食产量、第三产业占比，说明这5个指标是影响海口市气候承载力的关键因素，也是未来相关政策措施的主要作用点.

2.4 评估模型的建立

基于DPSIR概念模型，利用城市气候承载力的驱动力、压力、状态、影响和响应5个因子，构建定量化的评估模型：

其中：Y表示城市气候承载力；D、P、S、I、R分别表示5个因子；W1、W2、W3、W4、W5分别为5个因子权重.

根据建立的海口市气候承载力评价指标体系（表1），采用加权指数求和的方法得到驱动力、压力、状态、响应和影响5个指数，见式（7）～（11）：

式中：Di和di分别代表表征驱动力水平的评价指标及其权重（表1）；Pi和pi分别代表表征压力水平的评价指标及其权重；Sk和sk分别代表表征气候承载力状态水平的评价指标及其权重；Ia和ia分别代表表征影响水平的评价指标及其权重；Rb和rb分别代表气候承载力响应水平的评价指标及其权重.m、n、l、q、t分别为驱动力、压力、状态、响应和影响5个方面的指标个数.

3 结果分析

将各指标标准化后的值及其权重代入气候承载力定量评估模型式（6）～（11），得到2000—2017 年海口市气候承载力的评估值（图2）.

图2 2000—2017年海口市气候承载力及其指标值变化Fig.2 The climate carrying capacity of Haikou and its sub-index change from 2000 to 2017

1）驱动力. 由图2 可以看出，2000—2017年海口市气候承载力的驱动力指数先微弱上升，从2001 年开始下降，2003 年后开始稳定上升，在2014年达到峰值后出现下降，2016年又开始上升，总体上驱动力指数处于逐年缓慢上升状态. 从指标层面分析，除耕地面积在波动中下降外，其余指标总体上均处于上升态势，但波动情况差异较大. 人均地区生产总值和城镇化率增长较快，分别是研究初期（2000年）的4.23倍和1.15倍，特别是人均地区生产总值，在驱动力系统中所占权重较大，且处于稳定上升状态，成为影响驱动力水平的主要因素. 驱动力水平的上升状态也表明海口市气候承载力的驱动力系统状态良好，是气候承载力水平不断增长的重要保障.

2）压力. 随着驱动力的增强，海口市气候承载力所承受的压力总体上呈现快速上升趋势，具体可分为3个阶段：2000—2008年逐年稳定上升阶段，并在2008年局部达到最大值. 此后，在2009年明显下降后又回归波动上升态势. 压力指数的变化是由于海口市作为海南省的政治、经济、科技、文化中心和国家“一带一路”倡议支点城市，区位优势特殊，随着国际旅游岛建设加快，其城市化快速发展. 由于科技水平的提高和生产技术的革新，单位GDP能耗不断下降，随着人口增长和社会发展，城市竣工房屋面积、民用汽车拥有量、旅客周转量急剧增加，分别是研究初期2000年的12.01倍、19.31倍、5.02倍. 随着经济的发展，城市废水、废气和工业固体废物排放量也不断增长，这些因素相互叠加导致城市下垫面性质发生不可逆转的改变，也增加了大气中二氧化碳等温室气体的含量，同时人为释放热量也不断增加，这些都给城市气候造成较大压力. 也就是说，城市的发展是在气候资源承受较大压力的基础上实现的，城市经济发展对海口市的气候承载力造成了一定的负面影响.

3）状态. 在驱动力和压力持续增强的情况下，城市气候承载力的状态指数呈现出在波动中缓慢增长的趋势，且波动幅度较大. 这是由于在气候变化背景下，海口市的极端天气气候事件增多，如登陆海南岛的热带气旋强度增强、极端强降水事件增多、城市热岛效应增加等，导致海口市年降水量、年极大风速等年际间波动较大，又由于这些指标在气候承载力的状态系统中所占权重较大，导致状态水平波动幅度较大.

4）影响. 影响指数是承载力状态对城市各方面发展影响程度的反映，海口市在这方面处于小幅波动但无明显上升或下降趋势的状态，原因一是海口市不断加快生态保护和建设，持续推进植树造林，改善森林质量，严格保护森林和湿地等重要生态资源，保护海洋生态环境；二是强化城市规划引领，开展创建“全国文明城市和国家卫生城市”工作，科学规划城市生命线系统、加强排水防涝，提升城市综合适应能力；三是统筹优化水资源管理，加强水利基础设施建设，加快水土流失治理，健全防汛抗旱应急工程体系，加强水源地建设保护，加大节水型社会建设力度；四是强化科技支撑，坚持气象部门应对气候变化的基础性科技部门的战略定位，加强监测、预警、影响评估，构建全市适应气候变化网络体系. 以上这些政策措施有效地支撑了海口市适应气候变化的能力.

5）响应. 响应指数具有明显的上升趋势，波动幅度很小，表明海口市政府在城市快速发展过程中制定和采取了积极的环境治理保护对策和措施、完善城市基础设施规划、加大科技投入，且具有稳定性和延续性，特别是“绿化宝岛大行动”、水环境治理、大气治理等一批重大环境保护工程以及海绵城市、绿色建筑、地下管廊、积水改造等一系列城市基础设施工程的大力开展成效明显，有效地缓解了城市气候资源压力，促使城市气候承载力水平不断提升.

6）气候承载力. 在驱动力、压力、状态、影响和响应5个分指数的综合叠加下，海口市气候承载力水平总体上呈现波动中不断上升的趋势，且上升趋势与响应指数一致，说明海口市的政策措施对气候承载力水平的提升起到了积极的推动作用. 但在城市气候压力水平持续不断增加的作用下，再加上海口市气候承载力本身的脆弱性，使得该市气候承载力水平提高的难度加大. 近些年来，海口市不断注重从资源、环境、经济和社会发展多方面采取措施，适应和减缓城市气候承载力的压力，提升响应能力，这已经并将持续对提升海口市的气候承载力产生积极作用.

4 结论与讨论

1）由于气候资源与城市社会经济发展之间相互作用十分复杂，很难用一个或几个指标的简单组合来量化气候承载力对城市社会经济发展的影响. 本文结合城市气候承载力发展的内涵和海口市城市发展现状，基于DPSIR框架模型建立了气候承载力的概念模型，为综合分析和描述城市气候承载力中资源、环境、社会经济发展的关系提供了一个基本框架. 从驱动力、压力、状态、影响和响应5个方面构建的城市气候承载力评价指标体系，蕴含了“为什么发生、发生了什么、如何应对”的因果关系，具有全面、层次和灵活的特点.

2）在利用层次分析法和熵权法分别对评价指标进行主观赋权和客观赋权的基础上，对所得结果进行科学组合计算出指标的综合权重，提高了评价结果的精确性、客观性和科学性. 在上述研究基础上，计算得到气候承载力评估综合指数，并利用其对2000—2017年海口市气候承载力水平进行了系统评估和分析. 结果表明，海口市气候承载力综合评估指数和5个分指数均呈波动上升趋势，其中，压力指数快速上升且波动幅度最大，表明气候对城市经济发展的制约作用越来越明显，综合评价指数的上升趋势与响应指数一致，说明海口市的政策措施对气候承载力水平的提升起到了积极的推动作用.

3）由本文研究结果可知，虽然海口市气候承载力水平呈逐年上升状态，但气候对海口市社会经济发展水平的制约作用十分明显. 未来有必要在海口城市气候承载力、气候变化脆弱性科学研究和影响评估的基础上，结合城市定位，完善城市规划和法规政策，开展城市水资源、社会经济、生态环境、旅游等重点领域气候变化适应技术研究，提高城市适应气候变化的能力，改善海口市当下及未来的气候承载力水平，减轻气候变化对经济社会发展和人民生活的不利影响.