基于气象分析的北京城市规划策略研究 ——北京城市环境气候图构建（上篇）
导读
多年来，北京市城市规划设计研究院气象环境课题组与北京市气象部门通力合作，致力于寻找城市规划与气象环境之间的相互影响规律，探索基于气象条件分析的城市规划策略体系，持续研究北京城市气候特征和气象环境问题。
本文来源于北京市城市规划设计研究院气象课题研究小组，由尹慧君执笔，分为上下两篇。上篇介绍了城市环境气候图的基本概念，以及构建北京城市气候环境图系统的具体方法。下篇主要介绍基于气候图系统的规划策略和应用。
本文字数：2436字
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随着城市化进程的不断推进，城市气候环境问题日益凸显，夏季高温热浪、冬季雾霾频繁，已成为影响人民身体健康、阻碍城市可持续发展的典型性难题。
图1 以往研究成果
多年来，北京市城市规划设计研究院气象环境课题组与北京市气象部门通力合作，致力于寻找城市规划与气象环境之间的相互影响规律，探索基于气象条件分析的城市规划策略体系，持续研究北京城市气候特征和气象环境问题。
2010年我们和北京市气候中心完成了《北京中心城区气象环境评估研究》，分析了中心城现状气象环境概况，对中心城的规划方案进行了气象环境分析及评估。2012年到2013年间，我们把研究视角扩大到北京市域，在“建设用地怎么发展”和“绿色空间怎么布局”两大方面获得了一些宏观的认识。（图1）
研究过程中我们发现，在城市规划与气象学的交叉研究领域，城市环境气候图是目前国际上较为前沿的研究方向，是一种融合城市气候信息和城市规划要素的信息平台与评价工具，利用二维空间展现气候现象和现存问题,可以有效辅助当地城市规划和可持续发展。目前已在德国、瑞典、日本等15个国家超过50个城市相继开展。（图2）
图2 已开展气候图研究的国家和城市
课题组希望结合气象学科的跨专业分析，进一步构建“北京城市环境气候图”系统，对北京城市空间布局优化提出规划策略建议，精准辅助规划决策，使城乡规划与自然科学结合更加紧密，提高规划理性。本篇着重介绍气候图系统的构建方法，下篇介绍基于气候图系统的规划策略和应用。
什么是城市环境气候图
(Urban Climatic Map，即UCMap)？
城市环境气候图系统由一系列基础数据输入图层和两个主要气候图构成，一是城市气候环境分析图（Urban Climatic Analysis Map），将气候评估与分析结果可视化，并结合两维空间信息，利用不同城市气候空间单位归纳总结出城市气候状况的分布；二是城市气候规划建议图（Urban Climatic Planning Recommendation Map），包括城市气候规划实施策略与之相应的规划保护或改善的指导性建议（任超、吴恩融，2012年）。（图3）
图3 城市环境气候图构成
图4 斯图加特市气候规划建议图
如何构建北京城市气候环境图系统？
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首先需要构建一个真实可靠，符合北京城市特点的气候环境要素库，形成北京气候环境分析图
图5 北京城市环境气候图构建的技术方法
在研究分析包括斯图加特、东京、香港、高雄、杭州等地的气候环境图案例的基础上，我们与中国气象局北京城市气象研究所合作，在GIS平台搭建了一套适应北京中心城区这样的高密度城市气候图系统要素库，考虑包括地形高度、天穹可见度、绿色空间、水域开放空间、地表粗糙度、建筑高度等在内的7项影响因子。
图6 北京城市环境气候图要素库与气候分析图
本次北京气候环境分析图的构建，一是在精细测算的基础上综合分析北京现状气候特征。
例如天穹可见度因子（SVF）的计算：天穹可见度表示空中平面接收（或发射）的辐射与整个半球辐射环境发射（或接收）的辐射比例。由于其在辐射平衡方案中的重要作用，SVF已被气候学家广泛应用于研究城市几何形状和夜间热岛强度的关系。某地区天穹可见度值越高意味着该地区蓄积热量的能力越强，散热能力越差，增加热负荷。
图7 天穹可见度对气温的影响
二是在精度处理、空间匹配上更加精确。气候图的空间范围对接北京新总规拓展到城六区1378平方公里，是斯图加特的6倍。经过专业技术处理，与我院规划信息系统进行空间匹配，方便我们对不同区域进行相对精确的分圈层、分类型的评估与统计。
三是做好气候环境要素库的空间可视化。通过地理信息系统收集、计算和输出，形成北京气候环境综合分析图。从这张图上我们可以更加直观和客观的认识到不同地区的热环境状况、风流通潜力状况，为精细化指导城市规划空间布局提供判断依据。
图8 北京中心城区城市气候环境分析图
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汇集多种气象分析要素，融合规划思维，形成一套全面、准确、丰富的城市气候环境图
从帮助使用人群更加直观、形象的了解地区气象环境特征的角度出发，绘制完成北京城市气候环境图，完善大区域城市气候图的表达方式。
基础层：划分气候区域
基于现状气候环境综合分析，在北京中心城区划分了城市气候保护区、城市气候改善区、建议采取修补行动区、必须采取修补行动区等几大区域，对各区域的建设活动提出管控要求。
叠加1：动态模拟
突破GIS静态叠加分析的局限性，考虑大气的流动性和城市复杂下垫面对北京天气的影响，增加基于高分辨率的气象数值模拟信息，表达了冬夏两季大风区、小风区、冬、夏两季风向等信息，有效弥补地理信息系统静态分析的局限性。
该模拟采用北京市气象局快速更新城市预报系统，运用北京市气象局WRF中尺度数值天气预报模式，并且大幅提高天气参考样本至182天，使模拟结果更为接近真实情况。比以往研究运用的区域边界层模式运算更加精确。从图面输出效果来看，冬、夏两季的近地面温度分布，风速、风向分布特征也更加直观和精确。
图9 北京冬季近地面气温和风速分布特征
叠加2：气象加密观测分析的山谷风规律
基于北京地区近5年来地面295个加密自动站观测数据，研究了北京近地面不同季节山谷风环流和城市热岛环流的空间分布规律，在气候图中补充了北京山谷风空间分布特征，强调运用其风力稳定、风向变化有规律的特点，将山谷风作为一种城市气候资源有效利用。
叠加3：各区县污染物系数玫瑰图
图10 污染物系数玫瑰图示意（污染系数=风向频率/平均风速）
图11 北京中心城区气候规划建议图
气候环境图是一个通过综合分析评估得到的结果，气候空间单位的确定和相关规划建议的制定不仅依靠客观气候数据和模拟结果，同时还取决于专家的经验、定性分析与评估，因此还需要不断改进和完善技术方法，使其持续拥有准确性和有效性。从城市规划的角度看，多种气象要素的分析、汇集和转译，有利于规划工作者和决策者更加了解自然、顺应自然、遵循自然规律，在项目选址或进行用地规划时更加客观地权衡气候环境、社会、经济等因素，综合制定合理的规划设计方案。
北京市城市规划设计研究院气象课题研究小组
执笔人：尹慧君
特此感谢中国城市规划学会常务理事、北京市规划设计研究院王引总规划师，北京市规划设计研究院吕海虹所长，中国气象局北京城市气象研究所苗世光所长，中国气象局北京城市气象研究所贺晓冬博士对项目的大力支持。
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