城市规划指标和气候指标关系研究

北京园林／第27卷，总第95期／2011（1）1背景介绍城市规划是关于环境规划和管理的学科。

如果规划的中心目的是为人或人们创造一个满足其需要的环境，那么就必须首先考虑气候[1]。

关于气候在城市规划实践中的重要性的研究已有几十年的历史[2][3][4]。

在中国，气候知识在城市规划和设计中的应用可以追溯到3500年前，“风水”在居住区或建筑单体选址、规划、设计和管理中发挥着关键作用。

“风水”的基本理念之一就是选择或营造一个具有良好微气候的场地，利用自然元素（如山体、河流和森林）和人造元素（如道路、绿地和建筑系统布局）使居民生活受益[5]。

城市化使所在区域的地表和大气特征发生了显著的变化[6]，产生了具有城市特征的能量流（图1）。

大气和人类栖居地之间的相互作用导致了城市和郊区[7]，甚至城市内部区域[6][7][8]之间微气候的差异。

可以说城市气候具有一定的人为性，即它是城市发展的一种反应。

在城市气候和城市规划领域，这些现象早已被发现。

提姆·欧克（Tim Oke ）指出了决定城市气候的4个重要因素，包括：城市结构[4][12]（建筑的体量和建筑间隙大小，街道的宽度和间隔），城市覆盖状况[6，7]（建筑、铺装、植被、裸露土壤和水体的比例），城市材质（建筑材料和自然材料）和城市代谢（由人类活动产生的热、水和污染）。

这4种控制因素很大程度上决定了城市的气候环境，同时，它们都与城市的规划和设计有关。

图1荩摘要：本研究以北京市南北中轴线上的11个样地为例，通过模拟他们的城市热岛效应，来探索城市规划指标和气候指标，如日最高和最低气温之间的关系。

结果表明城市规划指标可以较好的解释样地之间的城市气候差异。

例如，绿化覆盖率和容积率可以解释94.47-98.57%的日最高温度；绿化覆盖率和建筑高度能够解释98.94-99.12%的日最低温度。

绿化覆盖率很可能是最重要的影响城市热环境的城市规划指标。

而且绿地的降温效果随日平均温度的升高而增加。

本研究的思路和结论可以供决策制定者和规划师在规划的初期阶段参考和应用，通过优化城市的生态机能，保证城市拥有舒适的气候环境，并适应将来的气候变化。

荩关键词：城市规划指标；城市气候；绿化覆盖率；气温作者简介：赵彩君/1979年生/女/山东人/城市建设研究院。

傅国斌/1966年生/男/山西人/中国科学院地理科学与资源城市规划指标和气候指标关系研究———以北京为例赵彩君傅国斌（建设部城市建设研究院北京100029；中国科学院地理科学与资源研究所北京100101）城市生态北京园林／第27卷，总第95期／2011（1）城市规划、城市形态、城市气候和全球气候之间存在相互作用和影响（图2）。

全球和城市气候对城市形态、居民的健康、舒适度、社会生活和能源消耗产生影响，因为太阳辐射、气温和风是影响居住环境功能和心理组成部分的重要因素[3]。

因此，全球气候的变迁，如全球变暖，无疑会给城市带来巨大的挑战。

反过来，城市规划不仅决定了城市的形态，而且对人们的生活方式和城市气候产生影响。

有效的城市规划对于城市的形象、效率和气候环境都是至关重要的。

而且，城市气候的累积效应还能够影响全球气候，例如，城市热岛现象已经导致了地方、地区、国家和全球尺度气候的变化。

城市气候是一个关键的因素，它不仅对区域和全球的气候产生影响，还会影响到城市的宜居性。

然而，城市气候可以通过城市规划手段得到调整和改善，以满足居民的需求[9，10]。

因此，如何将城市气候知识融入到城市规划过程中就变得非常重要。

不幸的是，尽管大多数参与城市规划的人员都了解城市微气候的相关知识，并知道策略性的城市规划可以影响城市气候，然而，目前气候知识在城市规划实践过程中仍得不到重视[11]。

主要原因包括缺少方便的技术和文献，缺少对城市气候知识的自信[20]。

在实践中，规划师们极少有时间或具备一定的技能将复杂的科学概念转化到规划中，相反，他们寄希望于使用一些简便的技术，如相对简单的指导方针和图面分析[12]。

本研究的目的是以北京为例，探索在中国普遍使用的城市规划指标与城市气候指标之间的关系。

城市规划指标往往在规划初期确立，并作为整个规划和设计过程的依据。

本研究使用的城市规划指标包括容积率（Far ）、建筑密度（Bd ）、建筑控高（Bh ）和绿化覆盖率（Gcr ）。

城市气候指标包括日最高（Tmax ）和最低温度（Tmin ）。

研究的步骤是首先对样地的土地覆盖进行统计，计算出它们的城市规划指标值；然后，利用能量交换模型模拟出各样地的城市气候指标值；最后，利用回归分析确定这两类指标之间的相关性。

本研究的结果能够为城市规划师提供参考，使他们了解城市规划指标与地方和城市气温的关系。

除此之外，该研究还有助于帮助城市寻找适应气候变化的方法。

当代城市如何适应气候变化已成为全球气候变暖研究的重要课题之一。

2方法和数据2.1案例研究区域北京（39.8°N ，116.5°E ），占地面积16，410km 2，拥有1700万人口（北京市统计局2006年的统计数据）。

北京属于半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥（图3）。

近几十年来，北京大规模的城市化对城市热环境产生了巨大的影响[13]。

2004年，“宜居城市”首次成为北京市总体规划（2004-2020）提出的北京市四大发展目标之一。

本文以北京中心城为研究对象，原因包括：1）它是北京市的核心区域，汇集了北京政治、文化和经济活动的精髓；2）到2020年，北京47.2%的人口（约850万）将会居住在中心城，尽管它的面积只是北京市总面积的6.6%（1085km 2）；3）中心城由4个特色鲜明的区组成，旧城区、中心地区、边缘集团和绿化隔离带地区；4）中心城属于平原地，海拔高度图2图3北京园林／第27卷，总第95期／2011（1）在20-60m之间，因此由海拔引起的温度差异可以忽略不计。

中心城包括四个区：旧城，指的是明清时期北京护城河及其遗址以内（含护城河及其遗址）的城市区域，是体现北京市历史文化特色的重要区域，北京市总体规划中要求对其进行整体保护；中心地区和边缘集团，与旧城截然相反，它们以高层建筑为主，集中了许多北京市的核心职能，并容纳中心城区82%的人口；最后是绿化隔离地区，顾名思义，它是城市外围的生态隔离带，主要目的是保护北京市的生态环境，并阻止城市的进一步蔓延。

2.2城市气候研究尺度的确定和样地选择在城市气候研究中，尺度的确定是决定试验准确性的关键的第一步，因为不同尺度的气候研究将会涉及不同影响因素，采用不同的研究模型和方法[11]。

本研究的尺度为中尺度。

研究样地大小定为500m半径的圆形。

目前已有的许多类似的研究往往以某种土地利用类型为研究对象[6，7，8]，而本研究在样地选择上则不受用地边界的限制，而是把城市地看做一个连贯体。

原因是在中尺度上由于平流作用，不同用地类型的微气候可能会产生相互影响，如研究发现公园的冷岛效应能够辐射其周边数百米的范围。

本研究将会沿北京市南北中轴线选择具有代表性的11个样地作为研究对象（图4）。

南北中轴线是北京市城市结构的重要特征，北京发展的时空轴线，汇集了许多重要的城市节点和场所。

位于旧城的长7.8km的实体轴线可能是目前世界上最长，历史最悠久的城市轴线。

1990年亚运会和2008年奥运会的召开，使这条轴线继续向北延伸，穿过旧城区、中心地区，直到绿化隔离地区。

11个样地中有4个位于旧城区，自南向北依次为前门、天安门广场、景山和鼓楼。

前门样地位于前门和广安大街之间，属于典型的四合院和胡同格局，密度较高，且缺乏集中绿地；天安门样地是以天安门广场为中心，该样地的选择旨在研究广场型样地的气候特征。

从体量上讲，天安门广场可能是世界上最大的城市广场；景山样地是以历史悠久的皇家园林———景山公园为中心，它是旧城区重要的城市公园之一，选择景山的目的是研究旧城区园林绿地调节气候的功能；最后一个是鼓楼样地，它是旧城内南北中轴线的北端点。

该样地依然保持着四合院的格局并靠近前三海。

中心地区选择了5个样地，自南至北依次为洋桥、安华桥、北土城公园、奥林匹克公园和亚运村。

洋桥和安华桥分别位于南三环和北三环。

选择这两个点的原因是研究北京的环线（城市主干道）对周边气候的影响；继续往北，北土城公园也被选为研究对象，目的是探索城市线性公园对周边气候的影响；奥林匹克公园样地指的是包括国家体育场（“鸟巢”）和国家游泳馆（“水立方”）在内的广场空间。

它和天安门广场一样，都是北京市地标性的大型城市广场；亚运村样地是以亚运会为契机发展起来的超高层建筑群，社区中心拥有较大的集中绿地。

选择该样地的目的是研究超高层建筑和集中绿地模式的气候状况。

另外还有两个位于绿地隔离地区的样地：一个是目前中轴线北延长线的北端点，北京市“通向自然的轴线”———奥林匹克森林公园；另一个是位于九台路附近的一个低密度社区。

社区以水面为中心，社区周边是平房和农田。

2.3数据本研究用到两套数据：1）土地覆盖数据，数据来源是Google Earth （2003年10月24日）地图，由于当时奥林匹克公园和森林公园正在修建中，所以这两个地方采用的是建成后2008年的Google Earth地图；2）北京气象站（编号54511）1999-2008年的气候日数据。

该数据库包括日平均、日最高和日最低温度。

研究发现气候变化将会使北京的夏天更加炎热[23]，而且城市和乡村，还有城市内部地面温度的差值往往在夏季达到最高值[6]，所以该研究将以夏季为研究对象（6、7和8月）。

日平均温度是模型的参考温度。

为了检测不同样地在各种日平均温度北京园林／第27卷，总第95期／2011（1）表1参考温度列表99th95th 90th 中值平均值10th 5th 1st 日平均温度（℃）32.1030.4029.5026.2526.1322.8021.6019.10状态下产生的日最高温度的差异，本研究从10年（1999-2008）的夏季日平均温度中选择了8个值，作为模型的参考温度。

它们分别是99百分位值（100天内有1天的温度高于或者等于这个值，即每年夏天日最高温度的第2高值），另外还有95、90、10、5和1百分位值，中间值和平均值（表1）。

2.4能量交换模型本研究采用的能量交换模型（Energy ExchangeModel ）是由左志平（Tso Chih Ping 音译）等人改进的，以城市热环境能量平衡为基础的模型。

它利用参考温度（日平均温度）和城市形态指标（如蒸发率和建筑物的质量）为两组主要的变量，模拟样地平均气温的日最高和最低值。

总体来说，样地平均气温与土地覆盖类型有着直接的关系。

日最高温度随着蒸发率和建筑物（包括硬质铺装）质量的增加而减少，因为在白天，植被蒸腾作用会消耗一部分地面的热量，建筑在白天也会吸收和储存一部分热量；相反，日最低温度则会随着建筑物质量的增加而升高，原因是白天储存在建筑物和铺装中的热量在夜晚缓慢释放，这也是导致城市温度高于郊区的重要原因之一。