城市热缓解的基于自然的解决方案与实施路径——以北京市为例

苏王新 常青

1 研究背景

在人口高度聚集的城市区域，热岛、干岛、雨岛现象加剧了城市气候变化与大气污染，以高温热浪为特征的极端高温事件导致人类死亡率和心脏病等发病率逐渐升高[1]。热岛效应与高温热浪已成为威胁当代人类福祉和健康生活的主要社会风险挑战之一[2]。世界各国政府与研究人员正不断探索各种措施以期缓解城市热岛与高温热浪带来的不利影响。目前，城市热缓解措施主要通过改变能量吸收、释放和交换的方式与过程来实现，例如通过节能降耗技术减少碳排放和人为热排放[3]；通过规划蓝绿基础设施，优化城市空间形态及结构、改善城市冠层粗糙度、增加通风廊道，进而改善风速风向、热岛昼夜环流和能量平衡[4-5]；通过立体绿化、冷材料的使用改善建筑能耗，通过透水性铺装或高反射率铺装等改善道路热环境[6-7]；通过植物种植设计，提升遮阳率与空气相对湿度，通过喷灌设施的设计增加空气及土壤相对湿度，改善公共空间热舒适性（thermal comfort）[8]等。以上每一项措施都能在不同程度上缓解城市热岛与高温热浪，但面对一个特定的城市如何有针对性地制定高效、可持续的热缓解方案，仍是当代城市人居环境科学领域关注的重要议题。

作为一种应对全球生物多样性丧失和气候变化双重危机的新理念，基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）为城市热缓解提供了一个稳健框架。NbS旨在保护、可持续管理、修复自然或改善生态系统，能高效地应对社会难题，为人类福祉和生物多样性提供益处[9]。NbS作为一系列生态系统相关方法的伞形概念①，主要关注“生物多样性和生态系统服务”，强调“经济、政策、规划、管理等方案措施”[10]。目前世界各国都在不断探索NbS，其中也不乏成功的案例实践研究，如意大利米兰的城市花园改造和“垂直森林”项目[11]、英国伦敦的可持续城市绿色建设实践[12]、美国曼哈顿下城沿海地区的适应气候变化行动规划[13]、中国成都的公园城市建设项目[14]等。这些案例实践均能为应对城市气候变化提供适应性规划管理参考，但未来如何统筹规划和实施这些NbS，有效应对城市热岛与高温热浪，仍不明确。

鉴于此，本研究旨在面向城市健康人居环境建设与管理实践需求，尝试在NbS框架下构建城市热缓解方案框架，以期能科学地指导地方实践。并以北京市为例探讨NbS的城市热缓解方案的实施路径，重点分析如何基于适宜尺度、结合生态系统完整性提升进行热缓解方案设计，同时结合已建成的北京市广阳谷城市森林公园项目，讨论热缓解设计方案的可行性、包容性治理、权衡机制、适应性管理、主流化及可持续性等，为制定应对城市热岛与高温热浪的健康空间治理决策提供参考。

2 基于NbS的城市热缓解方案框架

2020年，IUCN颁 布 的《IUCN基 于 自然的解决方案全球标准》（简称《NbS全球标准》）[15]提出八大基本准则，随之又颁布了《IUCN基于自然的解决方案全球标准使用指南》[16]（图1-1）。结合城市蓝绿基础设施降温机理的研究进展[17]，笔者基于NbS八大准则和案例实践，梳理了基于NbS的城市热缓解方案理论框架（图1-2）：1）优先识别应对城市热岛与高温热浪的社会挑战的关键区域；2）基于适宜尺度和面向生态系统完整性提升进行热缓解方案设计；3）最终分析热缓解方案实施的可行性与可持续性，以便将不同尺度的机会、风险和相关因素纳入其中，同时强调在设计和执行中进行协同规划治理和适应性管理，权衡长期人工干预所带来的风险、效益和成本之间的相互关系，使得热缓解设计能够与法定规划有机融合，在服务可持续发展目标、“碳中和”等国家战略与地区发展中做出重要贡献。

1 《NbS全球标准》八大准则的相互关联性[16]和基于NbS的热缓解方案框架Correlation between the eight criteria of the Global Standard for NbS[16] and the framework for NbS of Urban heat mitigation

2.1 优先识别热缓解的关键区域

2018年全球超过55%的人口居住在城市，预计到2050年将达到68%[18]。在全球气候变暖背景下，高密度的城市建成区热岛效应与高温热浪已对人类健康与生活环境造成了严重影响。为有效应对城市热岛与高温热浪的社会挑战，应优先考虑热环境改善需求最强烈的地区，进而构建热适应性的城市与社区。因此，基于NbS的城市热缓解方案工作的第一步是优先识别高温地区（城市热岛严重区域）和热脆弱地区（人口密集区域）[19]，作为热缓解关键区域，并收集整理各类NbS干预措施及其潜在的多种效益。

2.2 基于适宜尺度的热缓解设计

考虑到城市热岛与绿地降温均具有明显的尺度效应，基于NbS的城市热缓解方案应在适宜的尺度上进行规划设计（表1）。本研究基于不同尺度分析城市热环境与景观特征的相互关系，探究不同气候背景条件下城市热环境对景观特征变化响应的最敏感尺度，将其作为城市热缓解方案的最优尺度，从而实现潜在热缓解措施的最优降温效果。同时，在方案制定时也应考虑热缓解措施在促进生物多样性保护、生态系统完整性提升、生态系统服务改善等方面的益处。

表1 不同尺度下基于NbS的城市热缓解方案措施集Tab. 1 Nature-based Solutions of urban heat mitigation and measures at different scales

2.3 热缓解设计方案的可持续性

基于NbS的热缓解方案是应对气候变化挑战的政策、措施、行动和设计的重要组成部分，能够通过财政划拨、项目合作、绿色债券等获得资金来源，通过项目全过程的多方参与（政府方、公众方、项目方）、利益权衡和包容性治理，实现多元主体共享城市热缓解方案的益处。基于当代先进的设备和动态监测评估技术（表2），热缓解方案可以不断改善和升级热缓解措施，进而实现方案与措施的全生命周期管理。热缓解方案和措施也具备较强的兼容性，能够与“城市双修”“留白增绿”“公园城市”“城市森林公园”等生态文明建设与绿色发展政策的结合。这些政策的实施也有助于城市有效应对包括气候变化、水环境污染、生态环境退化以及生物多样性丧失等可持续发展危机，可成为健康人居环境治理的主要途径。

表2 可用于热缓解方案动态监测和评估的技术方法与模型Tab. 2 Technical methods and models for dynamic monitoring and evaluation of heat mitigation solutions

3 基于NbS的城市热缓解方案实施路径

以北京市为例，探索基于NbS的城市热缓解方案及实施路径，主要包括热岛风险区域识别、热环境特征（以地表温度为例）对景观组分变化响应的最优粒度分析、最优粒度下热单元的景观影响因素及热缓解措施（图2）。

2 技术路线图Technology roadmap

3.1 研究数据与方法

3.1.1 数据来源及处理

本研究应用的遥感数据为：2017年8月空间分辨率为1 m的国产高分二号（GF-2）遥感影像，2004、2009、2017年9月空间分辨率为30 m的Landsat影像，2020年空间分辨率为1 km的WorldPop人口数据。Landsat影像经过预处理后，在ENVI5.3软件平台，通过热红外波段（10.60～11.90 μm），使用大气校正法②进行地表温度（landsat surface temperature,LST）的反演计算。高分二号数据经预处理后，基于eCognition软件平台采用多尺度分割法（multiresolution segmentation）进行面向对象监督分类，将研究区土地覆被划分为不透水地表、植被、水体和裸地4种类型的景观组分。

3.1.2 网格分析与热单元识别

基于ArcGIS 10.6软件平台，考虑到遥感数据的栅格尺寸和规划设计的可实施性，分别 设 置100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 m共10种网格尺寸，统计以上不同大小网格单元的景观组分和LST平均值。使用SPSS 26.0软件平台进行皮尔逊相关性分析和线性回归分析，探讨景观组分与LST的相关系数随网格单元分辨率的变化特征，判断城市热缓解方案的适宜尺度。通过3期反演温度数据的叠加分析，获得研究区长期存在的热单元。

3.1.3 热环境与景观格局指数耦合分析

基于Fragstats4.2软件对景观格局特征（最大斑块指数和结合度指数）进行分析，通过皮尔逊相关性分析，探讨不同类型网格单元内LST平均值与景观组分（不透水地表、植被、裸地、水体）及其景观格局特征的相关性。

3.1.4 典型单元热缓解措施集构建

基于热环境与景观格局特征相关性分析，针对特定类型的典型热单元，从以下3个方面构建面向热脆弱性提升与生物多样性保护的热缓解方案措施。首先，保护现有完整性和健康程度较高的生态系统（绿地、水体等），以维持和提升现有降温服务功能；其次，通过建设城市绿地、生境花园、人工湿地、河岸缓冲带等，修复现状连通性较低的生态系统，提升其降温服务；最后，以人工营造为主对灰色基础设施进行生态化建设，重构建成环境的生态系统，包括屋顶绿化、绿篱绿墙及行道树等，将降温服务最大化。

3.2 研究结果

3.2.1 应对城市热岛与热浪的社会挑战及关键区域识别

伴随着快速的城市化和人口增长，北京市1978—2019年的常住人口从871.5万人增加到2 153.6万人，年平均气温从11.6℃上升到13.8℃[20]。基于多期Landsat数据的LST反演结果显示：城市化率高、人口密度集中的北京市五环路以内区域的热岛效应更加明显，热脆弱性更显著（图3）。因而，五环内区域可作为北京市应对城市热岛与高温热浪的关键区域。

3 北京市2004、2009、2017年地表温度和2020年人口密度Landsat surface temperature of Beijing in 2004, 2009 and 2017, and population density in 2020

3.2.2 热缓解方案适宜尺度的判定

基于10种不同大小的网格单元，分析其LST平均值与景观组分面积占比间的相关性，由此确定LST对植被和不透水地表等地表覆被特征变化响应的最稳健空间单元。经分析可知，不透水地表占比与LST平均值呈正相关，植被、水体占比与LST平均值呈负相关（图4）。不同大小网格单元内均呈现LST平均值与植被、不透水地表占比的相关系数明显高于与水体、裸地的相关系数，相关系数在300 m×300 m到500 m×500 m网格之间波动明显，在600 m×600 m网格中达到最大后趋于平缓，说明北京市五环内LST对植被和不透水地表等地表覆被特征变化响应在此粒度下最稳健。本研究将基于600 m×600 m的最佳网格尺度对热单元主导景观因素进行分析。

4 不同大小网格内LST与景观组分占比的皮尔逊和线性相关性系数Pearson correlation coefficient and linear regression coefficient between LST and landscape components with respect to grid size variation

3.2.3 基于最优粒度的热单元识别

基于3期地表温度反演结果，本研究采用自然间断法（Jenks）对五环内1 796个600 m×600 m的网格进行LST平均值的等级划分（图5-1～5-3）。网格的热等级特征显示，整体热点区域主要分布在南部。通过叠加分析，得到五环内典型单元（图5-4），整体结果显示：中温网格（30.56%）>次低温网格（23.26%）>次高温网格（21.7%）>高温网格（12.50%）>低温网格（11.98%）。

5 600 m×600 m网格单元的平均LST和类型Mean LST and type of 600 m×600 m grid units

3.2.4 热单元主导景观因素

根据网格热环境特征与景观组分相关性分析结果（表3）：高温网格内不透水地表占比与LST平均值呈显著正相关（0.741），与蓝绿空间占比呈显著负相关（–0.580）；低温网格中不透水地表占比与LST平均值呈显著正相关（0.891）、蓝绿空间占比与LST平均值呈显著负相关（–0.886）。与景观格局指数相关性显示：LST平均值与不透水地表的最大斑块指数和结合度指数均呈正相关，与蓝绿空间的最大斑块指数和结合度指数均呈负相关。这说明不透水地表斑块面积越小、结合度越低；蓝绿空间斑块面积越大、结合度越高，网格地表温度越低。

表3 不同类型网格单元景观特征与热环境相关性分析Tab. 3 Analysis of correlation between landscape characteristics and heat environment at different grid units

3.2.5 基于蓝绿基础设施的热缓解措施

基于NbS的热缓解方案强调通过蓝绿基础设施规划、设计与建设，结合生物多样性保护和生态修复等措施，减缓自然资源持续退化、减轻动植物栖息地的丧失和碎片化程度，促进生物多样性增长和生态系统完整性提升。基于热单元主导景观因素分析可知，在600 m×600 m的网格单元内，应在减少建筑、道路、广场等不透水地表面积和增加蓝绿空间面积的同时，尽量分散布局蓝绿空间，从而减少不透水地表连片分布。通过保护、修复和重构蓝绿基础设施结构与功能，在实现最大化降温服务的同时，提升生物多样性和生态系统完整性，也能够为人们提供更多美景欣赏、游憩交往、教育等社会文化服务。

针对不同典型热单元的景观特征，构建适应性的热缓解措施（图6）。具体而言，以连片裸地为主的典型热单元应以蓝绿基础设施网络修复为主要热缓解措施，优先使裸地转化为蓝绿空间，采用植被、水体、冷材料等措施以分散的形式创设低温环境，同时保护现有绿地，促进绿地生境中的群落完整性提升。以大型低层建筑为主的典型热单元应以重构蓝绿空间和优选地表铺装材料为主要热缓解措施，在大型厂房建设中，可应用高反射率材料、立体绿化、遮阳材料等措施来实现热缓解；其次可通过保护现有绿地、设计街头游园、修复裸地等措施进行热缓解。以小型低层建筑为主的典型热单元应以保护、重构和修复蓝绿基础设施网络相结合的措施实施热缓解，充分利用街巷转角空间、袋状空间③、腾退空间等进行“见缝插绿”，使用多种绿化方式构建城市森林公园、口袋公园、生境花园等，实现协同降温。交通型的典型热单元应以重构通风廊道为主要热缓解措施，结合现状绿地，围绕交通干道建设连通型绿道，形成城市风廊。

6 典型热单元的景观组分特征和缓解措施Landscape element characteristics of and mitigation measures for typical heat units

4 结果与讨论

本研究根据NbS全球标准的八大准则，梳理了基于NbS的城市热缓解方案，强调城市高温风险单元的识别，要求在适宜尺度下利用蓝绿基础设施进行热缓解规划设计。

4.1 基于NbS的城市热缓解方案的实施路径：以北京市为例

北京市五环内区域在城市热岛效应与人口密度方面均较高。五环内的热单元主要分布在南部，景观特征呈现为集中连片的建筑和不透水地表以及分散的裸地和蓝绿空间。张明顺等[19]对北京市高温脆弱性评价的空间分布结果显示北京市核心区域的脆弱性最高、南部和东北部地区次之。

不同城市因形态肌理和气候背景的差异性，城市热缓解实施的适宜尺度存在一定差别。印度勒克瑙市的最佳尺度为210 m×210 m到270 m×270 m[21]，南京市为300 m× 300 m网格[22]。针对不同城市的热缓解实施尺度分析是城市制定热缓解方案的前提和基础。北京市五环内地区作为应对高温与热浪社会挑战的关键区域，其适宜的热缓解实施尺度为600 m×600 m。具体针对连片裸地型、大型低层建筑型、小型低层建筑型和交通型4类典型热单元应采取适应性的热缓解措施。这些热缓解措施可以与“留白增绿”、城市森林公园等城市更新计划相结合，促进热缓解方案的实施及持续发展。

4.2 基于NbS的热缓解方案实施、决策与管理：基于城市森林公园的例证

2016—2020年，北京市新建城市森林公园52处，小微绿地和口袋公园460处，是基于NbS的热缓解方案的典型案例。作为热缓解措施的大胆尝试，城市森林公园的建设结合北京城市气候变化与低碳发展、“宜居之都”等政策，挖掘拓展了高质量绿色空间，具有经济可行性、社会-生态包容性、适应性和可持续性强的特点，可以协同中心城区的城市更新与生态建设计划。

广阳谷城市森林公园是北京中心城区的第一处城市森林公园，项目场地位于北京市西城区菜市口，一期占地3.4 hm2。该项目场地原为拆迁闲置地，以政策补贴为资金来源，同时强调政府管理者、场地所有者及周边居民等多方利益的权衡，成为周边居民日常休憩的城市森林公园。项目完成后，植被覆盖面积占比由原来的21%增加至84%，不仅改善了场地的热环境状况，而且提升了生态系统完整性。2018—2019年，经笔者课题组实地调查统计，广阳谷城市森林公园中植物共有58科152属222种，共记录38种鸟类815鸟次。根据笔者课题组实地调研数据定量评估显示：全园夏季日平均降温0.36 ℃、增湿89.38%、滞纳PM2.50.07 g·m-2、固碳释氧17.12 g·m-2；平均每日提供休闲游憩服务人数为52人、美景欣赏服务人数为186人。广阳谷城市森林公园已开展了多次生物多样性科普宣传活动、公园规划设计分享交流活动，能够使周边居民、政府管理机构和城市整体从中获益。以NbS理念为指导的城市森林公园特色示范性绿地建设，切合北京市拓展高质量绿色生态空间的发展需求，因而能够促使城市热缓解方案得到主流化与可持续发展。

4.3 基于NbS的热缓解方案存在的问题

存量发展时期的城市需要精细化管理，城市更新成为现阶段北京市城市发展的主要方向。绿化作为一种典型的热缓解方案，主要涉及城市更新中的城市森林、口袋公园、屋顶绿化等。小微绿地的参与式更新设计[23]更关注居民的切实需求，能够实现空间协同治理和适应性管理。2016年发布的《城市适应气候变化行动方案》[24]中强调：普遍实现适应气候变化相关指标纳入城乡规划体系；结合城市规划与土地利用实施适应气候变化战略，充分发挥城市生态绿化功能。

不可否认的是，目前基于NbS的热缓解方案实施仍面临着诸多问题。首先，热缓解方案与蓝绿基础设施规划设计、城市健康空间治理等政策结合有限。未来的城市更新计划、绿地系统规划及健康人居环境建设中应积极结合热缓解方案，除单一的热缓解措施外，还应挖掘自然途径与工程技术相结合的更高效的热缓解措施集，同时考虑对文化、行为、美学和心理[25]等层面的影响，增强城市应对和适应气候变化的能力。其次，利益相关者对NbS的接受程度较低，且多数受访者属于沉默者，对NbS持中立态度[26]。未来的热缓解规划设计中，应加强NbS理念的科普教育与宣传，将城市园林市政管理部门、区域管理和规划部门、当地居民和非政府绿化组织等利益相关方最关注的目标与NbS产生的共同利益相关联，并使不同的利益相关方加入城市热缓解方案的决策过程中。最后，传统的热缓解方案仅在实施之前进行敲定，缺乏动态设计，不能通过系统性和整体性的思想来塑造城市韧性景观。未来的热缓解方案需在克服多方障碍的同时，不断改进管理措施，实现可持续的热缓解设计。

注释(Notes)：

① 伞形概念（umbrella term），为涵盖性术语。

② 大气校正法是通过消除由大气影响所造成的辐射误差，反演地物表面真实反射率的过程。

③ 袋状空间指紧邻道路两侧，由临街构筑物三面围合而成的空间。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1-1引自参考文献[16]，图3、5底图源自北京市地理信息公共服务平台标准地图，审图号为京S(2021)023号，其余图表均由作者绘制。