王曉云， 王昕瑤， 李忠良， 程 宸， 曾憲寧

(1.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇南京 210044； 2.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100081；3.北京市氣候中心，北京 100089)

人們對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一味追求，造成了城鎮(zhèn)規(guī)模迅速擴(kuò)張，建筑物群密度變大，工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，同時帶來了許多環(huán)境問題[1-5]，例如加劇了北京地區(qū)夏季高溫及秋冬季節(jié)重霾污染問題[5-7]。隨著城鎮(zhèn)環(huán)境問題的突顯，尊重自然、順應(yīng)自然的生態(tài)文明理念在規(guī)劃中被提到了前所未有的高度。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，在城鎮(zhèn)用地密集地區(qū)適當(dāng)增加綠地和水體，對原本不良的城鎮(zhèn)氣象條件有明顯改善趨勢[8]，因此在北京地區(qū)調(diào)整城鎮(zhèn)用地布局，增加、恢復(fù)綠地和水體用地，改善北京城鎮(zhèn)環(huán)境問題迫在眉睫。國務(wù)院在2005年通過了2004—2020年北京城市總體規(guī)劃方案(下簡稱2020年北京總規(guī))，總規(guī)中在主城區(qū)減少城鎮(zhèn)用地，退耕還林、還草，并建立綠化隔離帶，完善多條楔形綠地，在永定河和溫榆河進(jìn)行恢復(fù)水體、擴(kuò)寬河道，用綠地和水體分割原城區(qū)“攤大餅”式的城鎮(zhèn)用地空間布局。北京地區(qū)已由原來的增量規(guī)劃階段轉(zhuǎn)型進(jìn)入存量規(guī)劃階段，要求提高城鎮(zhèn)發(fā)展質(zhì)量和優(yōu)化城鎮(zhèn)發(fā)展環(huán)境，達(dá)到人與生態(tài)的和諧發(fā)展，目標(biāo)在2050年左右，北京將建設(shè)成為經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)全面協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展城市。

許多學(xué)者在過去城市氣象的模擬中，利用數(shù)值模擬替換土地利用類型的方法對城鎮(zhèn)用地和非城鎮(zhèn)用地做敏感性試驗，對比城鎮(zhèn)用地改變帶來的氣象環(huán)境影響[9-11]，例如王詠薇等利用區(qū)域邊界層模式對小區(qū)、城市尺度的城市規(guī)劃方案進(jìn)行數(shù)值模擬，為城市總體規(guī)劃提供依據(jù)[12]。在城鎮(zhèn)規(guī)劃定量指標(biāo)方面，國家建設(shè)部自1992年開展“國家生態(tài)園林城市”創(chuàng)建，在標(biāo)準(zhǔn)處提出建成區(qū)道路廣場用地中透水面積的比重、城市熱島效應(yīng)程度等基本指標(biāo)，王曉云等提出一套包含熱島強(qiáng)度、小風(fēng)區(qū)面積、人體舒適度等的城鎮(zhèn)規(guī)劃大氣環(huán)境影響定量評估指標(biāo)[13-14]，得到較為廣泛應(yīng)用。

目前在為規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)的研究中，結(jié)合實(shí)際規(guī)劃方案給出土地定量控制指標(biāo)的研究仍然較少。因此，本研究在前期對2020年北京市城市總體規(guī)劃中城市土地利用變化對氣象環(huán)境影響研究的基礎(chǔ)上，選取夏季晴天典型個例，采用天氣研究與預(yù)測模型(weather research & forecasting model，WRF)中尺度數(shù)值模式，對北京市六環(huán)以內(nèi)2010年現(xiàn)狀土地利用及2020年北京市城市總體規(guī)劃土地利用方案下的近地面氣象場進(jìn)行模擬，進(jìn)一步分析綠地、水體等城市生態(tài)用地規(guī)劃布局對城市地區(qū)近地面氣象條件的影響，為北京地區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃提供初步定量控制指標(biāo)依據(jù)，為北京地區(qū)合理規(guī)劃提供科學(xué)決策建議。

1 案例介紹及模擬設(shè)計

北京地處115.7°～117.4°E，39.4°～41.6°N之間，位于華北平原西北隅，三面環(huán)山，具有典型的北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。2010年北京的城鎮(zhèn)用地存在“攤大餅”的空間分布形式(圖1-a)，而在2020年北京總規(guī)中提出“抑制城中心發(fā)展，發(fā)展周邊衛(wèi)星城鎮(zhèn)”，強(qiáng)調(diào)大規(guī)模綠地建設(shè)和舊城改造(圖1-b)。對比2010年和2020年土地利用變化(圖1-c)，六環(huán)以內(nèi)，土地利用類型無變化地區(qū)占58.0%，14.1%的用地變?yōu)槌擎?zhèn)，24.3%的用地變?yōu)榫G地，3.6%的用地變?yōu)樗w。

本研究選取北京時間2011年7月8日20：00至10日00：00作為典型模擬個例，該時間段北京地區(qū)受到高壓控制，天氣晴朗，背景天氣較為穩(wěn)定，可以突出土地利用類型改變造成的局地氣象環(huán)境變化。利用WRF模式，為實(shí)現(xiàn)高分辨率模擬，采取同一中心經(jīng)緯度下的4重嵌套進(jìn)行模擬，各嵌套區(qū)域如圖2所示。試驗案例中心經(jīng)緯度為116.371°E、39.916°N，4重網(wǎng)格數(shù)分別為100×100、172×172、205×205、97×88，水平格距分別為18、6、2 km和666 m，其中最內(nèi)層模擬區(qū)域(第4重網(wǎng)格范圍)覆蓋北京六環(huán)以內(nèi)的中心城區(qū)(圖2)。從2011年7月8日20：00(北京時)開始向后積分36 h，其中前 4 h 作為模式Spin-up時間，取積分后12～36 h作為典型個例模擬結(jié)果，積分時間步長為30 s，逐時輸出模擬結(jié)果。氣象初始場使用NCEP 1°×1°全球再分析資料，分別將2010年 30-meter Global Land Cover Dataset(http：//www.globallandcover.com/Chinese/GLC30Download/download.aspx)中北京地區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)和2020年北京總規(guī)30 m土地利用類型數(shù)據(jù)替換了USGS中原始下墊面，分3組模擬試驗，第4層嵌套下墊面數(shù)據(jù)選擇USGS 30″、2010年北京30 m土地利用類型數(shù)據(jù)、2020北京總規(guī)30 m土地利用類型數(shù)據(jù)，試驗名稱分別為case-USGS、case-2010和case-2020。

利用模擬時間段內(nèi)區(qū)域自動氣象站觀測數(shù)據(jù)與模擬試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計檢驗(表1)，可見將WRF模式原始下墊面更新為2010年北京30 m土地利用資料后，氣象站所在地區(qū)的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果吻合度較高，2 m氣溫模擬結(jié)果與觀測結(jié)果間的平均偏差由0.74 ℃減小為0.69 ℃，10 m風(fēng)速模擬結(jié)果平均偏差由1.22 m/s減小至0.68 m/s，城市下墊面現(xiàn)狀資料的更新可有效提高城市地區(qū)氣象環(huán)境模擬效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 六環(huán)內(nèi)氣象要素變化情況

對比case-USGS和case-2010模擬結(jié)果，近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化分布與土地利用類型變化分布基本一致，增加的大面積綠地，達(dá)到了較好的降溫增濕作用。在永定河和溫榆河地區(qū)的河道修復(fù)、水體增加，也對六環(huán)內(nèi)地區(qū)有明顯的增溫增濕作用。綠地增加提升了主城區(qū)植被覆蓋率，從而達(dá)到降溫增濕的效果，下墊面粗糙度降低，造成風(fēng)速增大，減小城市小風(fēng)區(qū)面積[15-17]。

利用地理信息系統(tǒng)GIS工具分析WRF模式模擬結(jié)果，研究2020年北京總規(guī)中六環(huán)內(nèi)土地利用變化與近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)北京六環(huán)內(nèi)實(shí)施2020年總規(guī)中的土地利用規(guī)劃后，近地面平均氣象要素均有改善趨勢，說明在城鎮(zhèn)化建設(shè)中，規(guī)劃中植入的大量綠地建設(shè)平衡了新城快速發(fā)展可能帶來的環(huán)境惡化現(xiàn)象，甚至有改善趨勢，堅持了經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展的理念。

表1 氣象要素模擬值與觀測數(shù)值驗證統(tǒng)計

2.2 綠地增加對城市近地面氣象條件的影響

2020年北京總規(guī)中城區(qū)綠化主要依托于綠化隔離帶和楔形綠地，綠化隔離帶控制中心城向外蔓延的生態(tài)屏障，楔形綠地連接中心城與外圍地區(qū)，目標(biāo)是建立與城市建設(shè)互補(bǔ)的生態(tài)廊道，美化城市景觀，暢通城市風(fēng)場，降低熱島效應(yīng)。

選取六環(huán)內(nèi)土地利用類型變?yōu)榫G地的地區(qū)(約占總面積25%)，統(tǒng)計綠地增加造成氣溫、風(fēng)速和比濕變化，如表2所示?？梢娋G地增加使得六環(huán)內(nèi)近地面日均氣溫降低0.81 ℃，日均風(fēng)速增加0.43 m/s，日均比濕增加0.32 g/kg。對比 02：00—04：00與14：00—16：00時均值發(fā)現(xiàn)，2 m氣溫均值降幅在02：00—04：00較大，達(dá)0.61 ℃，10 m風(fēng)速和2 m比濕恰好與氣溫相反，在14：00—16：00較大，風(fēng)速增加 0.66 m/s，比濕增加0.55 g/kg。

對綠地增加區(qū)域各氣象要素不同變化幅度所占的面積百分比統(tǒng)計結(jié)果(表3)表明，在綠地增加地區(qū)近地面氣溫日均值降幅最大，六環(huán)內(nèi)93%的綠地增加地區(qū)有降溫趨勢，其中大部分地區(qū)降幅在2.0 ℃以內(nèi)，降幅在0.5～<2.0 ℃的地區(qū)占 67.90%。02：00—04：00綠地降溫更為明顯，降幅在 0.5～<1.5 ℃ 的地區(qū)占到56.22%。六環(huán)內(nèi)綠地增加對近地面日均風(fēng)速有所增加，平均增幅都在1.5 m/s內(nèi)，14：00—16：00的增幅明顯，增幅在0.5～<1.5 m/s以上的面積占54.70%。綠地增加對日均比濕有增加作用，至少69.42%的地區(qū)增幅在1 g/kg以內(nèi)。 14：00—16：00的比濕增幅最大，增幅0.5～<1.5 g/kg的地區(qū)占58.34%。綠地增加地區(qū)近地面氣溫、風(fēng)速、比濕都有明顯的改善趨勢，建議在規(guī)劃主城區(qū)時適當(dāng)增加綠地用地，有效改善城鎮(zhèn)用地密集地區(qū)已形成的不良的局地城市環(huán)境。

表2 綠地用地增加地區(qū)2 m氣溫、10 m風(fēng)速、2 m比濕的變化情況統(tǒng)計

注：ΔT為溫度的變化，ΔU為風(fēng)速的變化，ΔQ為比濕的變化。下同。

表3 綠地增加區(qū)域氣象條件不同變化幅度面積百分比

注：面積百分比=ΔS/S變?yōu)椴莸亍?00%，ΔT=0 ℃處誤差取±0.2。下同。

2.3 水體增加對城市近地面氣象條件的影響

2020年北京總規(guī)六環(huán)附近水體中溫榆河、永定河等作為排水河道，計劃在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改善水質(zhì)，增加河道用水，同時河道兩側(cè)綠化帶寬達(dá)到100～200 m；對于中心城現(xiàn)有湖泊計劃擴(kuò)大水面，調(diào)蓄汛期洪水，調(diào)節(jié)城市小氣候，改善城市景觀。

選取六環(huán)內(nèi)土地利用類型變?yōu)樗w用地的地區(qū)(約占總面積4%)，分析土地利用變化對近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化情況。統(tǒng)計水體用地增加造成氣溫、風(fēng)速和比濕變化情況，如表4所示?？梢娏h(huán)內(nèi)水體增加引起了近地面氣象要素日變化，日平均氣溫降低0.49 ℃，風(fēng)速增加0.13 m/s，比濕增加1.32 g/kg。對比02：00—04：00與14：00—16：00平均值，發(fā)現(xiàn)氣溫降幅、風(fēng)速和比濕的增幅都在14：00—16：00較大， 氣溫降低2.25 ℃，風(fēng)速增加1.33 m/s，比濕增加1.45 g/kg。

表4 水體恢復(fù)地區(qū)2 m氣溫、10 m風(fēng)速、2 m比濕的變化情況統(tǒng)計

根據(jù)表5統(tǒng)計結(jié)果，在恢復(fù)水體、擴(kuò)寬河道地區(qū)近地面氣溫日均值降幅最大，六環(huán)內(nèi)63.58%的水體增加地區(qū)有降溫趨勢，其中大部分地區(qū)降幅在2 ℃以內(nèi)，降幅在0.5～<1.5 ℃的地區(qū)占45.21%。14：00—16：00較02：00—04：00水體降溫更為明顯，降幅在1.5～<2.5 ℃的地區(qū)占到44.76%。六環(huán)內(nèi)水體恢復(fù)對近地面日均風(fēng)速有所增加，平均增幅都在 1.5 m/s 內(nèi)。水體增加對日均比濕有明顯增加作用，47.69%的地區(qū)增幅在1 g/kg及以上。14：00—16：00的比濕增幅最大，增幅大于等于1.5 g/kg的地區(qū)占42.39%。2020年北京總規(guī)中主城區(qū)水體增加、河道恢復(fù)，有效改善城鎮(zhèn)用地密集的地區(qū)已形成的高溫、干燥、小風(fēng)的城市氣象環(huán)境。

表5 水體恢復(fù)區(qū)域主要?dú)庀髼l件不同變化幅度面積百分比

2.4 綠地增加地區(qū)典型案例分析

南六環(huán)內(nèi)城鎮(zhèn)用地密集，在2020年北京總規(guī)中植入大片綠地，控制中心城向外擴(kuò)張，所以選取南六環(huán)內(nèi)的新增綠地作為典型案例進(jìn)行分析。學(xué)者們通過敏感性試驗發(fā)現(xiàn)，城市中綠地覆蓋率越高，對局地氣象條件改變越大；在有關(guān)綠地空間分布的研究中發(fā)現(xiàn)，同面積大小分散式綠地布局較集中式綠地對城市局地環(huán)境改善效果更好，且綠地占有率達(dá)到60%時，城市中熱環(huán)境被打破[18]，但結(jié)合實(shí)際案例研究綠地對城市氣象條件影響的定量分析較少。因此，本研究結(jié)合南六環(huán)土地利用變化情況(圖3)，討論2020年北京總規(guī)中相同綠地增長率下集中式和分散式綠地布局對氣象條件的影響差異，及選擇3.5 km×3.5 km檢測窗口截取綠地增幅不同區(qū)域樣本(藍(lán)框)，分析綠地增長率與近地面氣溫、風(fēng)速、比濕的變化間關(guān)系。

結(jié)合南六環(huán)土地利用變化情況，根據(jù)表6統(tǒng)計結(jié)果得出，2020年北京總規(guī)中相同面積分散式空間布局綠地較集中式綠地對氣象條件的改善效果更好。但相較不同綠地增長率對局地氣象條件的影響，綠地的空間分布影響較小。因此，本研究重點(diǎn)研究城區(qū)中綠地增長率對氣象條件影響，并提出規(guī)劃方案的定量建議。

檢測窗截取樣本分析結(jié)果如圖4所示。圖4-a中，2 m氣溫降幅隨綠地增長率變大，降幅最明顯的在19：00—21：00，從日均線和19：00—21：00均線都可以看出，在綠地增長率達(dá)到20%～25%時，以及02：00—04：00在綠地增長率超過40%時，2 m氣溫降幅突然變大。圖4-b中，10 m風(fēng)速總體呈平緩上升趨勢，在14：00—16：00均線增幅最為明顯，風(fēng)速增幅達(dá) 1.0 m/s。圖4-c中， 2 m比濕增幅在14：00—16：00 均線最為明顯，在綠地增長率超過45%，2 m比濕出現(xiàn)急速增長，從日均線和02：00—04：00均線來看，趨勢較為一致。結(jié)合典型案例模擬結(jié)果，在南六環(huán)內(nèi)城鎮(zhèn)用地密集地區(qū)植入分散式綠地，當(dāng)綠地增長率超過40%，對近地面氣溫有明顯改善；綠地增加對風(fēng)速的改善較為平緩；綠地增長率超過45%，比濕有明顯提升。綜上，在城市覆蓋率高的區(qū)域，綠地增長率超過45%，綠地對近地面氣溫、風(fēng)速和濕度均有明顯改善。因此，建議在未來規(guī)劃新城建設(shè)時，注意植入分散式綠地，且綠地增長率盡量超過45%，預(yù)計綠地對局地氣象環(huán)境的改善效果將達(dá)到最優(yōu)，提高城鎮(zhèn)發(fā)展質(zhì)量、優(yōu)化城鎮(zhèn)發(fā)展環(huán)境，達(dá)到人與生態(tài)的和諧發(fā)展。

表6 不同綠地空間布局對氣象條件的影響

3 總結(jié)與展望

本研究利用WRF模式，分別模擬了2010年北京30 m土地利用狀況下和2020年北京總規(guī)方案土地利用實(shí)施后的晴天典型天氣近地面氣象場，對比2種土地利用類型變化所產(chǎn)生的氣象環(huán)境差異，重點(diǎn)評估了規(guī)劃中綠地和水體的增加對近地面氣象條件的影響。同時，選取南六環(huán)內(nèi)典型綠地增加地區(qū)作為案例，分析了綠地增長與近地面氣象條件變化的定量關(guān)系。得到以下主要結(jié)論：2020年北京總規(guī)中新城的建設(shè)、綠地的增加和水體的恢復(fù)，對夏季六環(huán)內(nèi)高溫、小風(fēng)、低濕的氣象環(huán)境有改善趨勢，對氣象環(huán)境的影響控制較為合理。六環(huán)內(nèi)2020年規(guī)劃方案中的綠地增長地區(qū)，將出現(xiàn)近地面氣溫降低、風(fēng)速增加、比濕提升的改善趨勢，其中67.90%綠地增長區(qū)域氣溫降幅在0.5～<2.0 ℃之間，夜間(02：00—04：00)降幅較日間大，風(fēng)速增幅主要在0.2～1.0 m/s之間，日間(14：00—16：00)增幅較大，可達(dá)0.5～1.5 m/s，比濕降幅為0.2～1.0 g/kg，日間增幅明顯，最大增幅超過2 g/kg。在水體恢復(fù)地區(qū)，對近地面氣溫、風(fēng)速、比濕改善尤為明顯。六環(huán)內(nèi)63.58%的水體增加地區(qū)有降溫趨勢，其中大部分地區(qū)降幅在2 ℃以內(nèi)，降幅在0.5～<1.5 ℃的地區(qū)占 45.21%。六環(huán)內(nèi)水體恢復(fù)對近地面日均風(fēng)速有所增加，平均增幅都在1.5 m/s內(nèi)。水體增加對日均比濕有明顯增加作用，47.69%的地區(qū)增幅在1 g/kg及以上。以2020年北京總規(guī)中南六環(huán)內(nèi)土地利用變化作為案例，統(tǒng)計結(jié)果表明綠地增長率與近地面氣溫降幅、風(fēng)速和比濕增幅都呈線性正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)綠地增長率超過45%時，氣溫和比濕均會出現(xiàn)突破性改變，綠地增長對風(fēng)速影響呈平緩上升趨勢。初步建議在未來規(guī)劃中城市用地密集地區(qū)，注意構(gòu)建分散式綠地布局，綠地增長率盡量超過45%，將綠地對局地氣象環(huán)境的改善效果達(dá)到最優(yōu)。

本研究在對2020年北京總規(guī)的近地面氣象要素進(jìn)行模擬時，同時模擬了2015年7月7日、8月12日2個相似天氣背景的晴天個例，模擬結(jié)果趨勢與本研究結(jié)論一致。在未來的研究中，將做更長時間尺度的模擬(如冬夏季各3個月)，了解綠地和水體在不同季節(jié)對局地氣象條件的影響差異，分析不同綠地分布對氣象條件的影響差異，結(jié)合精細(xì)化的綠地、水體空間布局，進(jìn)一步研究綠地和水體對局地氣象條件影響的定量分析，為未來北京城市規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境改善提出更精細(xì)、合理、完善的可控指標(biāo)。