喀斯特山地城市气候图的编制及应用——以贵阳市为例

邵丽丽，孟庆林，高 培

(1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640; 2.贵州民族大学 建筑工程学院，贵阳 550025)

目前，全球正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告认为，20世纪中期以来，全球变暖的主要原因是人类活动的影响[1]。人类活动最直接的结果就是快速且持续的城市化。城市化是不可避免且不可逆的。城市化进程中，人口聚集、城市用地增加、人为热排放增多及城市下垫面的改变造成城市、气候和环境之间的矛盾。城市气候影响着人们的生活健康，空气质量和建筑能耗。如果长期暴露在高温天气下，还会增加患心脏病和脑部疾病的风险，以及与热有关的死亡率[2]。

城市气候研究致力于通过城市规划和设计等手段解决城市气候问题，改善城市居住环境，已经成为城市发展研究的重要方向。城市内部气候差异很大，不同的土地利用类型和城市形态显示出不同的局地气候。在局地尺度上，将气候学与城市规划学联系起来的常用研究方法有2种：一是由Stewart等[3]提出的城市局地气候分区(local climate zone，LCZ)，二是由德国研究者于20世纪50年代提出的城市气候图(urban climatic map，UCMap)。LCZ对不同的城市形态和下垫面组合进行气候分区，并不反映城市实际的气候状况，且只能呈现城市热环境，不包括城市风环境、湿环境等其他气候环境。UCMap将气候要素和规划要素整合并在二维空间图中展示出来，说明城市气候在热负荷、通风潜力甚至空气质量等方面的现象和存在的问题，便于设计师理解[4]。UCMap法首先将城市划分为几个具有特定特征的城市气候区，然后从城市气候角度制定规划导引和改进策略。

目前，世界上已有20多个国家相继开展了城市气候图的相关研究[5]。本世纪初，中国香港学者将城市气候图的研究方法引入香港，并针对高密度的环境进行气候问题评估，指导气候问题改善的研究和实践[6]。近年来，北京[7]、西安[8]、宁波[9]、深圳[10]、广州[11]、大连[12]等城市也积极开展城市气候图的相关研究，对城市规划实践的指导应用颇有成效[13]。通过相关文献研究发现，城市环境气候图的研究大多集中在发达城市，对复杂地理环境下的城市研究较少。我国幅员辽阔，各地的地理气候条件差异较大，需要因地制宜编制城市气候图。如山地城市因地形影响，近地面粗糙度大，即作用于空气的摩擦力大，导致风速较低，加之城市的建设在坡度相对平整且用地条件好的地方，使得平整地近地面粗糙度增加，加剧了山地城市的通风不畅，容易造成污染物聚集等问题。喀斯特城市因土层浅薄、植被稀疏和石漠化等地貌的影响，不仅在城市建设区存在高温区域，而且在郊区也存在许多高温区域。这使得复杂地理环境下，城市气候图的研究比平原城市更加复杂，需要考虑更多的影响因素。本文以喀斯特山地城市贵阳市为研究对象，通过UCMap方法，结合地形地貌特征及城市形态学相关指标，评估贵阳市城市局地环境气候，编制城市气候图并对贵阳市城市气候进行了分区。该图能够快速地确定对城市环境气候有价值和亟待改善的区域。最后，提出改善城市气候环境的策略和指引，指导城市建设。

1 研究区域概况

贵阳市是中国贵州省省会，位于中国西南部，云贵高原东部。贵阳市海拔540～1 740 m，平均海拔高度在1 100 m左右，总地势西南高、东北低，属于以山地、丘陵为主的丘原盆地地区。辖区内喀斯特地貌面积占全市总面积的85%。贵阳的森林覆盖率为52.2%，城区被群山包围，是享誉全国的森林城市。

贵阳市属于亚热带湿润温和型气候，夏无酷暑，冬无严寒，全年平均气温为15.3℃，全年各月平均气温在4.6～23.7 ℃，年平均相对湿度为77%，年平均降水量为1 129.5 mm。每年日照时数≥6 h的天数为63～166 d，属于太阳能资源一般区。

贵阳具有得天独厚的生态环境和凉爽的气候条件。但是，近年来，贵阳城市化进程加速，城市规模迅速扩大，人口聚集速度大幅增加，中心城区人口和建设用地已大大超过现行总体规划的预期[14]。贵阳地区年平均温度呈波动上升趋势，且增速略高于全国平均水平[15]。贵阳市极端气温温暖系列指数呈上升趋势，多次出现异常高温天气[16]。贵阳城市的发展在规模、密度和垂直化方面都有显著的变化并影响着城市气候。城市气候图评估的范围在1～1 000 km2，它适用于评估整个城市或大城市中的面积较大的区域。本文以贵阳市中心区为研究对象，构建适用于喀斯特山地城市的城市气候图。研究区域(见图1)包含整个老城区——南明区和云岩区，以及西北部观山湖区、东北部乌当区和南部花溪区的部分区域。所选区域范围在贵阳市环城高速以内，基本涵盖了贵阳中心城区的建筑。

图1 研究区域在城市中的位置示意图

2 研究数据与研究方法

UCMap构建在对一系列气候气象数据、地形地貌信息和城市规划要素等的综合分析与叠加上[17]。城市形态主要影响城市热气候和空气流动模式，在现有UCMap的研究中，城市热岛和城市通风是重点考虑的2个方面，评估因子的选取也围绕这2个方面的作用大小进行选择和分类赋值。评估因子能够充分描述城市形态特征和城市所在地的地形地貌特征对城市气候的潜在影响。本文利用GIS平台构建贵阳市中心区的城市气候图，其编制流程如图2所示。

图2 喀斯特山地城市环境气候图编制流程框图

2.1 评估因子筛选

评估因子的选择不仅借鉴了中国香港[6]、北京[7]和深圳[10]等地城市气候图研究和编制中常规要考虑的影响因素，而且根据喀斯特山地城市地形地貌特征对城市热环境和风环境的影响，增加了适用于喀斯特山地城市的评估因子，如岩石荒地分布和地表粗糙度。

2.1.1城市热负荷评估因子

喀斯特山地城市贵阳市的热负荷图层评估因子包括建筑体积密度、海拔高程、绿化覆盖、水体分布、岩石荒地分布5个因子。

1) 建筑体积密度。建筑阻挡了来自地面的长波辐射，使得向天空释放能量的速度减慢，进而影响城市下垫面的储热和散热能力，城市中心的冷却速度比郊区慢，且储热大，产生更高的温度。建筑体积密度表示一定用地面积上所有建筑的体积总和与该地块面积的比值，单位为m3/m2。建筑体积密度与城市热岛强度有很强的相关性[18]。建筑体积密度越大，长波散热被遮挡得越多，降温效率越低，因此建筑体积密度是一个衡量建筑储热和散热能力的参数。

2) 海拔高程。随着海拔高程的增加，气温呈下降趋势。在标准大气压下，海拔高程每升高100 m，气温下降约0.65 ℃。山地城市贵阳市海拔跨度较大，在540 ～1 740 m，而居住区大多分布在 1 100～1 200 m，因此，本文取贵阳中心老城区喷水池海拔高度1 070 m为基准点，进行分类赋值。

3) 绿化覆盖。城市绿化空间具有调节城市气候的作用，因为植物可以遮挡阳光并通过蒸腾作用降低空气温度。夏季，城市中有绿化区域人行高度处的温度明显低于无绿化地区。

4) 水体分布。贵阳中部南明河流经中心老城区，西部有阿哈湖水库，南部有花溪水库和松柏山水库，这些自然水体占地面积大，有明显的降温、增湿作用，能够缓解城市热岛效应。

5) 岩石荒地分布。贵阳是典型的喀斯特区域，其土层浅薄，植被稀疏且生长缓慢。喀斯特土壤一旦失去植被的保护后，地表水下渗，松散的土层被地表径流所侵蚀，土壤流失，母岩出露，产生石漠化，出露的石灰岩热容大。有研究表明[19-22]，贵阳不仅存在城中区高于郊区的“常规热岛”，郊区也存在着大面积高温的“异常热岛”，而这些郊区高温所在区域并不是建设用地，主要分布在低植被覆盖的区域。这些区域植被稀疏，岩石出露，岩石的热容比土壤大，所以就有郊区大面积出现高温的“异常热岛”现象。因此，对于喀斯特城市，喀斯特地貌的分布对城市气候也有较大的影响。需要将代表喀斯特地貌的分布的指标作为热负荷的评估因子之一。

2.1.2城市通风潜力评估因子

贵阳市的通风潜力评估因子包括建筑密度、植被粗糙度、开阔空间、地表粗糙度4个因子。

1) 建筑密度。不同的空间形态呈现了不同的城市空气动力学粗糙度，影响城市通风。建筑密度是反映城市不同空间形态的指标，与当地风速放大系数具有显著相关性。研究表明：建筑密度与风速放大系数成反比，即建筑密度越高，风速放大系数越低。

2) 植被粗糙度。不同的绿地形态，也存在不同的粗糙度，在贵阳城市绿地组成中，荒地和草地的粗糙度最小，有利于城市通风。而森林和建筑对通风无促进作用。

3) 开阔空间。开阔空间指水体及其周边 200 m内的空间。一方面，因为水体的粗糙度非常小，有利于通风。另一方面，因为水体和周边下垫面受太阳辐射增温程度不同，温差形成局部的气流循环，能够促进城市的通风。

4) 地表粗糙度。从地形学角度，地表粗糙度指特定的区域内地球表面与其投影面积之比，是地面凹凸不平程度的定量表征。贵阳市坡地大于25°的用地面积约占总面积的18.45%，地形以起伏度大于30°的丘陵山地为主，城区内部坡道多，建筑依坡、依山而建，易形成山坡风[23]。因此，采用地表粗糙度来反映大气候背景下山地动力作用对城市通风的影响。地表粗糙度通过DEM数据计算出坡度后，使用式(1)通过Arc GIS栅格计算器得出。

(1)

式中：K为地表粗糙度，S为坡度。

以上评估因子中，建筑数据来源于百度地图且经过核对；海拔高程数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台的ASTER GDEM V2 DEM高程数据，其空间分辨率为30 m；土地利用数据来自清华大学发表的10 m分辨率的土地覆盖图[24]。

因筛选得到的各个评估因子具有不同的量纲和数量级，为了方便后续的图层叠加，需要对各个数据进行分类赋值，利用GIS重分类功能对评估因子进行分类和赋值操作，划分的等级及赋值见表1。

表1 评估因子等级划分和分类值

2.2 确定评估因子的权重

不同的评估因子对城市热负荷和通风潜力的影响程度不同，需要计算各因子的权重以表征其对城市气候影响的水平差异。本文采用熵权法[25]确定各个因子的权重，该方法是一种客观的综合评价方法，可以避免主观因素的影响。计算式见(2)～(6)，各个评估因子的计算结果见表2。

正向指标：

(2)

负向指标：

(3)

信息熵：

(4)

dj=1-Ej

(5)

权重：

(6)

式中：Xij表示第j个指标的第i项数据的数值(j=1，2，…，n，i=1，2，…，m)；Xmax为该数据最大值；Xmin为该数据最小值；Xij为各指标数据归一化后的值；Ej为第j个指标的熵值；k为常数；n为分析单元数量；dj为第j个指标的差异性系数；Wj为第j个指标的权重。

表2 评估因子的权重

2.3 城市气候图分析单元

为便于后续的叠加运算，需要对研究区进行单元划分，现有的研究中分析单元尺度在100～500 m之间。根据梁颢严[26]对广州地区多尺度网格热环境影响因素的分析表明，100 m网格的周边环境指标对热岛影响大于网格内指标的影响，200 m网格的内指标对热岛影响大于网格外指标的影响。因此，气候单元的尺度不是越小越适合，而是需要根据各个城市不同的城市形态决定，保证网格内的气候环境相对独立。因此，研究采用地理学中空间自相关理论，即距离较近的物体比距离较远的物体表现出更多的相似性，判定合理的单元尺度。研究采用普通克里金法半方差函数模型确定单元尺度[27]。图3显示了建筑高度的半方差随着2个建筑之间距离的增加而增加，并在225 m左右达到一个基台，即225 m范围内的建筑在高度上具有较强的自相关性和相对均匀性。为了便于研究，贵阳市城市气候分析单元尺度为200 m。

图3 建筑高度的半方差函数模型曲线

3 贵阳市城市气候分区和评估

3.1 贵阳市热负荷分析和评估

将建筑体积密度、海拔高程、绿化覆盖、水体分布、岩石荒地分布按照表1的权重进行加权叠加，得到贵阳市热负荷评估示意图(图4)。由于贵阳自然条件的限制，不能连片发展，因此贵阳的热负荷最高的区域并没有像其他城市一样集中在一个中心区，而是分布在不同的区域，具有显著的空间差异性。其中，热负荷最高且面积最大的地区位于老城区：紫林庵、喷水池、中山西路和文昌阁片区，该片区以商业或商住用地为主，属于贵阳市繁华商圈地带。该区域建筑密度较大，由大型裙楼建筑及高层建筑组成。因老城区受喀斯特地貌为主的地形限制，山多坡陡，平川地少，20世纪仅在30 km2多的岩溶盆地内建设发展，建设用地稀缺，在20%的建设用地空间内聚集了贵阳市53%的人口，中心布局高度集中，导致中心区热负荷大。其他热负荷最大值分布在新建的花果园片区，经开区长城嘉苑和缤纷广场周边，观山湖区会展中心附近及花溪大学城商住区。这些地段都具备建筑体量大且密集，布局杂乱的特征。

图4 贵阳市热负荷评估示意图

3.2 贵阳市通风潜力分析和评估

将建筑密度、植被粗糙度、开阔空间、地表粗糙度分别按照10.9%、45.4%、34.4%和9.3%的权重进行加权叠加，得到贵阳市通风潜力评估示意图(图5)。通风潜力大小在空间分布上没有明显的规律。高通风潜力区域位于阿哈湖水库以及流经老城区的南明河周边。林地及坡度较大的地区对风的阻力较大。建成区受建筑密度和地形的影响，通风潜力最差。这与周雪帆等[28]采用中尺度气象模拟模型WRF(weather & research forecasting model)对贵阳市城区范围内风环境的模拟结果基本一致。贵阳市风环境受地形影响较大，中心城区逆温天气多，风力小，静风频率高。

图5 贵阳市通风潜力评估示意图

3.3 贵阳市城市气候类型划分

为了进一步了解贵阳市热负荷和通风潜力共同作用下的城市环境气候，将热负荷图和通风潜力图等权叠加，参考不同城市的城市气候图研究成果和实践经验，结合贵阳市城市气候图的划分效果，采用自然间断法划分为5类，得到贵阳市城市气候示意图(图6)。每个气候分析单元通过每个栅格的颜色展示该地块的气候类别，每个气候类别的城市气候状况见表3。

图6 贵阳市城市气候示意图

表3 城市气候分区标准

4 基于UCMap的贵阳市规划建议

从城市气候图的分区可以看出：贵阳市虽然区域气候较好，但其城市气候除了受城市开发强度和土地利用性质影响外，地形地貌对其影响也较大。贵阳城市气候两级分化比较严重且集中。1级区域是城市的重要冷源、风源和水源处，对城市气候、生态环境影响巨大，需要严格保护，避免人为破坏和环境污染。而5级区大部分集中在老城区中心，已经形成建筑体量大、建筑密度高、绿地率低的格局，该区域是特别需要改善的地方。但是对此区域进行大尺度的改建相对困难，建议采取增加建筑间的绿地面积、水体景观，拓宽楼间道路等方式改善通风环境，减少空气污染。2级区域环境气候适宜，需要在现有的基础上进一步保护和改善。既要利用好环城林带的降温作用，也要改善部分山坡林地对风的阻碍作用。该区域靠近建成区，流经市中心的南明河是改善城市物理环境的重要基础，应重视水系对城市的降温作用，加强周边绿地和水系之间空间上的互通性，形成畅通的城市通风廊道。3级区域属于一般区，是城市气候的过渡区，应加强其桥梁的作用，保持平衡性。对于城郊，需要修复裸露的碳酸岩，减少出露岩石的面积，增加植被的覆盖率。对于城区，应在设计中规划合理的建筑布局，并进行微气候模拟设计，合理设置绿化区域。4级区域属于中密度建设区，需要做好道路绿化，夏季为行人提供遮阳。挖掘区域中的开敞空间，进行松散的绿地种植，把道路绿化和公共绿地相结合，形成城市绿化网格，降温的同时促进空气流通，提高粉尘沉积效应。

5 结论

以喀斯特山地城市贵阳市为例，在传统城市气候图绘制方法的基础上，充分考虑地形、地貌对城市气候的影响，加入考虑喀斯特地貌的岩石荒地图层和考虑地形凹凸程度的地表粗糙度图层。在划分城市气候分析单元中，根据贵阳市城市形态现状，采用空间自相关理论中的半方差函数确定空间气候分析单元。在确定热负荷的5个图层和通风潜力的4个图层占比时，引入客观的综合评价方法——熵权法计算各个图层的权重，比传统城市气候图等权法的绘制，更加精准地反映城市真实的气候状况。UCMap方法使得从城市气候的角度找出需要关注和改善的区域变得更加容易，能够凸显通风不良或热负荷偏高的地区，也能够发现本地的冷空气发源地从而进行保护，便于城市规划师、政府和社会公众进行识别，能够更好地协同各个专业和各方的力量，保持贵阳市的宜居性。

贵阳市由于自然条件的限制，虽然总面积较大，但是能用于城市建设的用地稀缺，城市空间危机严重，高密度城市是贵阳市的发展趋势。如何在保证现有的气候舒适度的条件下发展城市，即如何进行可持续的气候空间规划是贵阳市规划者和决策者面临的重要任务和挑战之一。正确认识现代城市化与城市气候条件的相互关系，将气候和环境信息融入城市规划实践和生态城市建设，预测规划方案对城市热负荷和通风潜力的影响，制定科学的城市规划决策过程，对于弥补规划实践中城市气候因素的不足具有重要意义。