气候韧性导向的严寒地区城市设计框架——以长春市总体城市设计为例

孙澄 解文龙

过去几十年间，由全球性气候变化引发的不确定性风险日益加剧，城市作为复杂的社会生态系统变得更加敏感和脆弱。中国过去30年快速且粗放的城镇化发展模式，使得城市面临诸多严重的气候灾害问题，因洪涝、台风、暴雪等灾害冲击所造成的生命财产损失、城市功能失效等灾难性后果时有发生。尤其是严寒地区长达6个月以上的冬季①，使城市面临更加独特多元的气候问题（如低温、冷风、冰雪），为城市安全带来更多不确定风险。气候适应性与气候韧性是城市科学领域应对气候灾害风险的2个重要概念。气候适应性强调城市系统减缓和适应气候变化的能力，目的是缓解气候变化的慢变量（如温室气体、雨水径流等）影响。而气候韧性包含城市系统在灾前为可能发生的灾害做出预先准备（prepare）和规划（plan），在灾时吸收（absorb）灾害并维持城市基本运转，在灾后从灾害中恢复（recover）和更加成功的适应（adapt）灾害的能力，强调对气候变化慢变量与极端气候灾害的韧性综合应对，是系统性制定应对气候变化与灾害的规划设计政策的理论和技术支撑[1]。

纵观既有文献[2]，20世纪80年代，一些学者开始关注气候韧性与城市设计工程的结合，认识到强健、适应和灵活的韧性建成环境的缺乏是城市难以应对气候灾害风险的关键原因[3]。进入21世纪以后，微气候、低碳、风险应对等成为城市设计领域的重要研究主题，应用气候韧性理论模型、评价方法等[4]的研究大量涌现。然而由于气候韧性的复杂性和多元性，虽然一些学者开始探索韧性理念与城市设计原则的结合[5-6]，尝试建立联系城市形态与气候韧性的理论框架[7]，但城市设计领域一直缺乏可操作的气候韧性理念应用路径和设计方法框架[8]，较难在城市物质空间形态的塑造过程中应用韧性理念。

在讨论城市设计要素与气候韧性属性的互动影响关系基础上，将气候韧性问题的发现、分析和解决内容融入城市设计过程，提出一个面向实践的、气候韧性导向的严寒地区城市设计框架，并结合长春市总体城市设计项目应用，强调城市设计对气候韧性的影响。

1 不同维度城市设计要素与气候韧性的互动关系解析

在构建气候韧性导向的城市设计框架之前，需要解析不同维度城市设计要素与气候韧性之间的关系。从社会生态系统视角来看，城市设计要素分为生态、物理空间、功能和社会感知4个维度，其中跨尺度、多层级和连通性是不同维度城市设计要素的基本组织原则。从气候韧性的属性特征[9]来看，气候韧性与融合度（integration）、多样性（diversity）、冗余度（redundancy）、模块性（modularity）、适应性（adaptive）等密切相关。为了解析城市设计要素的4个维度与气候韧性属性特征之间的关系，本研究主要基于Web of Science和Science Direct数据库，选择城市设计（urban design）、城市形态（urban form or urban morphology）作为城市设计检索关键词，选择气候韧性（climate resilience）、城市韧性（urban resilience）、灾害韧性（disaster resilience）作为气候韧性检索关键词，进行广泛的交叉文献检索。基于对检索到的文献及其重要参考文献的分类阅读与整理分析，系统性梳理文献中关于“城市设计要素与气候韧性关系”方面所达成的共识性结论，以此得到气候韧性视角下城市设计构成要素的属性特征（图1）。

1 气候韧性视角下城市设计构成要素的属性特征Urban design elements and their attributes in the perspective of climate resilience

1.1 生态维度：融合度和多样性

山水林田湖草等生态维度要素对于气候韧性的影响主要表现在融合度和多样性方面。1）融合度强调自然生态系统和城市人工系统之间需要一定的融合度与连通性，保障城市系统具备利用周围自然生态系统缓解气候变化的慢变量（如温室气体、雨水径流等）和吸收灾害冲击的能力[10]。同时，融合度也强调自然生态系统内生态廊道和斑块之间的融合度与连通性，防止生态破碎带来自然循环过程改变和生态服务效益下降。气候韧性导向的城市设计在合理安排生态维度要素的过程中，需要综合考虑生态系统内部的融合度、生态系统与人工系统之间的融合度。2）多样性能够最大限度增强融合度所带来的韧性提升效果，蓝绿系统组成元素的多样性将提高城市生态系统的恢复力和响应能力，并使其不易受到某一特定元素下降或消失的影响。

1.2 物理空间维度：冗余度、模块性和适应性

人工化物理空间要素对于韧性的干预过程体现在适度加强街区紧凑度与密度、提升物理空间单元的平灾使用能力方面，冗余度、模块性、适应性与此干预过程密切相关。相对紧凑的地区拥有更加混合多样的功能空间、更高效快捷的交通方式，能够减少能源和资源消耗，对于减缓气候灾害的发生更加有利[11]。然而紧凑度对于韧性的影响并非是线性增长关系，过度紧凑的地区可能会因密度过高而遭受更大的气候灾害损失，因此确定紧凑度的最佳阈值很重要，但这一过程往往较难实现，这就需要紧凑发展过程融入冗余度和模块性目标。冗余度和模块性能够实现城市系统内相同或相似功能的备份与并存，通过跨时空的分散式多中心系统来分散风险，使城市对于气候灾害有更强的韧性。冗余度和模块性引导下的紧凑型城市形态呈现多中心布局特征，其重要功能和活动集中在若干个城市中心，当气候灾害发生而影响某一城市中心的运转情况时，其他中心能够迅速补位，确保灾害状况下城市的正常运转。这种模式避免了城市发展的过度紧凑和过高密度，也避免了城市的蔓延式发展，对能源的消耗更低[12]。适应性强调建筑、街道、广场等微观物理空间单元在设计过程中，实现从抵抗灾害到适应灾害的设计思维转变[13]，提高适应气候变化的能力和平灾结合常态运转的能力。

1.3 功能维度：多功能和灵活性

功能维度干预韧性的过程体现在优化片区内开发用地的多功能组成结构和提升留白用地的功能灵活调整能力2个方面。1）从开发用地的功能组成结构来看，单一的土地用途组成往往会带来较高的灾后恢复和适应难度，而更加混合和多功能的城市片区在气候灾害发生时，可以避免城市系统因部分功能的损坏而带来整体性失败，以此降低空间利用过程中的脆弱性[14]。2）从留白空间的功能灵活调整能力来看，灵活性强调城市设计对于未来不确定性的灵活适应能力。当灾害突然来临时，如果城市空间不具备功能调整的灵活性，就会导致灾后恢复或适应性调整过程缺乏空间可选择性，这就要求城市土地和空间的调配过程要适度留白。留白空间是提升城市功能灵活性的关键。留白空间既包括二维土地利用过程中尚未确定用途或尚未出让的用地，也包括三维城市空间中任何空白的开敞空间，能够在灾时迅速发挥改变城市土地或空间功能的灵活性。自然资源部于2020年发布的国土空间用地分类指南中首次将“留白用地”列入24种一级类用地[15]，北京市更是明确将“提升城市韧性”作为战略留白用地的管理目标之一。

1.4 社会感知维度：可识别性和认同感

社会感知维度是指人对于不同维度要素的感知，对于气候韧性的影响主要表现在可识别性和认同感方面，这也是提升市民应对气候灾害能力的关键。1）可识别性意味着在市民的头脑中嵌入一个清晰的城市感知意象，这有助于市民在灾难发生时利用城市意象要素快速到达安全的地方[16]。2）场所认同是增强场所中的主动依恋与韧性提升行为，特别是促进居民参与场所重建过程的有效因素[17]。因此，有必要在灾前加强对于城市重要文脉结构和精神元素的保护，并在灾后重建过程中进行优先修复，以此保持市民对于城市的归属感和集体记忆，增强人主动参与灾后恢复过程的能动性。

2 气候韧性导向的严寒地区城市设计框架建构

中国城市设计实践分为总体城市设计和重点地区城市设计2个层次，其中总体城市设计往往作为总体规划专项，关注城市总体空间骨架组织安排和形象特色塑造，是对城市空间要素的宏观调控和引导[18]。韧性导向的严寒地区城市设计框架是根据总体城市设计所开展的，这一综合实践过程更有利于实现多类型和多层次城市设计要素协同应对气候灾害的韧性。依据“发现问题—分析问题—解决问题”的基本逻辑构建气候韧性导向的严寒地区城市设计框架（图2），具体包括以下3部分。

2 气候韧性导向的严寒地区城市设计框架Climate resilience oriented urban design framework

2.1 发现问题：识别严寒地区城市的独特气候问题

严寒地区因独特的气候特点面临截然不同的气候问题。水环境方面，严寒地区城市全年平均降水量不足600 mm，每年6—9月汛期降雨占全年降水量的80%，面临旱涝同期、旱涝急转的问题。风环境方面，严寒地区城市不仅亟须宏、中观层面的风廊破除冬季雾霾问题，也需要在微观层面注重静风区的形成，规避冬季冷风带来的不舒适问题。光热环境方面，由于严寒地区全年有6个月以上的时间处于冬季，冬季城市热岛会为街区舒适度带来正面效益，在进行热环境分析时应重点识别城市中冬季热岛强度较低的区域，同时严寒地区城市街道的人行空间冬季极易长期积雪结冰，引发行人安全问题。生物栖息环境方面，则需要注重对于候鸟廊道的保护，避免生物多样性降低。

2.2 分析问题：基于大数据分析工具开展气候问题的评价与分析

在明晰严寒地区独特气候问题之后，可以借用水文敏感性评价、风环境评价、空间形态模拟与分析、生物栖息地适宜性评价等分析工具和方法进行问题分析。针对严寒地区气候问题的分析过程需要兼顾共性问题和个性问题，以长春市风环境问题的分析过程为例，除了针对冬季城市边界层雾霾问题开展常规性的风环境模拟以外，针对严寒地区风环境舒适度较差的共性问题，增加了人尺度舒适度的主观调研和街区层面冬季风环境的客观模拟，同时针对长春夏季外部新鲜氧源难以进入城市的个性问题，还单独开展了近山地区下坡风的风环境模拟分析，以此识别各类风环境问题的产生原因，为城市设计方案制定提供应对策略。此外，因系统性流绿空间②萎缩和消失导致老城区逢雨必涝[19]，是长春市在水环境方面面临的个性问题，为此在针对现状雨洪问题进行常规性水文模拟分析的基础上，针对老城区内5条已经变为暗渠的流绿空间开展未来恢复情景下的雨洪调蓄功能预测评估，为后续提出历史性流绿空间恢复计划提供支撑。

2.3 解决问题：气候韧性理念导向的城市总体空间骨架组织安排

鉴于严寒地区在水、风、光热、生物等环境方面的独特气候问题，气候韧性导向的城市设计的核心内容包括调蓄旱涝的生态安全格局（水）、多样连通的生物安全格局（生物）、多中心紧凑型城市形态格局（热）、改善雾霾的多层级通风廊道格局（风）、改善冬季光环境舒适性的公共空间体系（光）。在空间要素的组织原则和组织方式方面，主要以解决严寒地区城市所面临的共性和个性气候问题为目标，依据气候韧性导向城市设计要素的组织要点，以廊道和功能体为核心完成各维度城市设计要素的组织安排。廊道是城市的空间骨架和各功能体之间功能连通、能量传递、有机协作的关键，如长春市自然山水格局中的各级水绿廊道是确保生态斑块之间水、生物等要素流动连通的重要载体。功能体是城市中以某一特定功能或特点为主的城市意象片区，如长春市形态格局中依据开发潜力评价识别出的紧凑集中发展片区。

3 气候韧性导向的长春市总体城市设计实践探索

长春市是住建部确定的首批城市设计试点城市中少有的严寒地区城市，本研究结合长春市总体城市设计进行气候韧性导向的严寒地区城市设计框架的实践应用，具备典型性。需要进一步说明的是，该框架主要在自然山水格局、城市形态格局和活力公共空间格局的部分设计板块中进行了应用（图3），并未涵盖总体城市设计的全部内容。为此，将重点从以下5个方面阐明气候韧性导向的严寒地区城市设计框架的实践应用过程。

3 气候韧性导向城市设计内容融入长春市总体城市设计的过程Process of integrating climate resilience oriented urban design framework into general urban design of Changchun

3.1 调蓄旱涝的生态安全格局

以多层级、多样性和连通性为目标构建流绿廊道体系、林荫廊道体系、绿楔公园体系和生物廊道体系，是塑造调蓄旱涝的生态安全格局的关键（图4）。在设计过程中，通过梳理长春市各类生态要素的现状情况，将其归纳为线性的自然型流绿廊道要素与半自然型林荫廊道要素、面状的自然型生态绿楔要素与半自然型公园要素4种类型，以此得到具备多层级和多样性特征的现状生态本底。再结合长春市易涝点与水文敏感区识别结果，选取地势低洼且易涝和水文敏感区密集的区域进行生态廊道和斑块的布局，组成具备高连通性的生态系统网络，连接各类型和各层级生态要素，恢复并建立当地良性水文循环。

4 气候韧性导向的自然山水格局Natural landscape pattern guided by climate resilience

生态系统高度退化的老城区则重点关注融合度的提升，通过提出5条历史水系的生态修复计划，提升老城区人工系统与自然生态系统的融合度。为了进一步证明提高融合度对于增强洪涝灾害韧性的作用，对历史水系恢复后的雨洪调蓄能力进行绩效模拟评估，结果显示5条历史水系恢复后能将所在汇水分区雨水调蓄总量提高至9倍。

3.2 多样连通的生物安全格局

长春是候鸟迁徙的重要栖息地与中转站，但由于城市生态本底遭受严重损伤，其生物生境受到破坏，生态服务功能削弱，部分鸟类物种已极少在长春出现。为了构建保证多种鸟类生存与迁徙廊道需求的生物安全格局，依据“确定指示物种—根据生态习性判别物种核心栖息地（源）—建立景观阻力面判别源间连接、辐射道及战略点—构建生物安全格局”的方法开展研究[20]。指示物种的选择依据“物种在生物学上有代表性、适合作为区域生物多样性的指示物种”的原则，选取天鹅（Cygnus）、绿头鸭（Anas platyrhynchos）、环颈雉（Phasianus colchicus）作为长春市指示物种[21]。基于阻力面分析的物种保护生态安全格局判别，是根据指示物种的空间运动规律，模拟其在生态中克服阻力进行运动的过程建立阻力面，再根据阻力面特征识别满足多种物种栖息需求的“源”和空间连通的“廊道”，以此构建保护多样连通的生物安全格局（图4）。

3.3 多中心紧凑型城市形态格局

城市形态对于严寒地区气候稳定至关重要，适度紧凑的城市形态能够降低建筑物体形系数和供热管网热损耗率，从城市层面降低冬季供暖能耗和能源需求，降低对环境的不利影响。同时针对严寒地区城市冬季室外空间热舒适性较差的问题，紧凑型发展能够利用热岛效应提升冬季室外空间热舒适性。为了引导城市形态的多中心紧凑发展，长春市总体城市设计利用GIS进行现状城市形态建模，基于区位、交通、生态、文脉等因子开展多种发展情景下的城市开发潜力评价，识别最具备进行紧凑集中和高强度开发的潜力区域，并通过设立不同功能导向的紧凑集中发展片区引导城市紧凑发展（图5）。为进一步提升冬季热舒适性，鼓励在紧凑集中发展片区开展系统性的冬日暖廊建设，并给出地面独立式、空中连廊式、地下暖廊式等引导性构建模式。此外，具备冗余度的多中心城市格局能够在气候灾害发生时，确保城市不因某一功能片区无法正常运转而整体性崩溃。

5 气候韧性导向的城市形态格局塑造Urban morphological system guided by climate resilience

3.4 改善雾霾的多层级通风廊道格局

为了应对严寒地区城市冬季雾霾和冷风问题，依据国家气象行业标准《气候可行性论证规范城市通风廊道》（QX/T 437—2018）中对于城市风环境评估方法、分析模型和风道规划原则的规定，从宏观主通风廊道、中观次级通风廊道和微观静风区3个层级，通过引导和限制风道所经区域城市形态的开发建设构建通风廊道格局（图5）。基于对数据可获取性和可操作性的考虑，选取粗糙度长度、地表覆盖率以及绿源（green source）作为主要评估指标，并选取建筑迎风面密度作为城市风渗透性指标，开展风环境可视化模拟分析，并结合城市雾霾产生的原因和热岛强度的分布情况确定三级通风廊道格局。宏观主通风廊道和中观次级通风廊道是为了有效加强高空通风效果，在利用西南方向盛行风资源改善冬季雾霾问题的同时，利用东南部大黑山脉因地势所形成的下坡风将高品质新鲜氧源引入城市。微观层面关注因冬季冷风导致人体舒适度较差的问题，但由于人尺度的风环境受微观层面的建筑空间形态影响较大，而微观层面的建筑空间形态塑造不属于总体城市设计的工作范畴，因此以提出下一层次重点地区城市设计的导引要求为主，如在进行建筑布局时鼓励形成人行高度处风速小于1.5 m/s的静风区等。

3.5 改善冬季光环境舒适性的公共空间体系

适应性是通过公共空间设计提升灾害适应能力的关键。以光环境舒适性问题为例，严寒地区城市冬季太阳高度角较小，再加上既往城市与建筑设计规范仅关注室内日照时长要求，对于市民最经常使用的街道空间关注较少，使得严寒地区城市街道普遍存在因冬季长期处于阴影面而导致路面结冰，从而引发行人安全问题。通过适应性设计扩大日照面积和提升日照时长，能够改善公共空间冬季光环境舒适性。为此，倡导在开展重点街区城市设计时应注重增加街道的阳光覆盖面积，保障城市街道人行空间冬至日接受日照的时长不低于2 h，并基于城市设计作为形态管控工具的重要职能，提出光环境舒适性引导下的4种严寒地区的城市街区空间形态适应性优化模式（图6）。

6 光环境舒适性导向的城市街区空间形态适应性优化模式Adaptive optimization modes of spatial forms of urban blocks guided by light environment comfort

4 结语

气候变化与韧性是当前城市设计领域的重要研究议题，本研究尝试建立城市设计与气候韧性之间的有效联系，从理论层面探索了气候韧性理念融入城市设计过程的可能性。笔者所构建的气候韧性导向的城市设计框架，是一个开放的可操作工具，未来可以根据不同城市的需求纳入更多内容，也可为相关城市设计实践提供新思路和新方法。同时，该框架在长春市总体城市设计项目中进行了初步的实证应用，具备可以不断循证和优化的基础。在中国城市设计中纳入对气候韧性的深度考虑，深入分析现状气候风险产生的原因，依据气候韧性导向的城市设计路径生成方案，将有利于形成具备气候韧性的城市形态，减少气候灾害发生的可能性。

致谢(Acknowledgments)：

感谢长春市规划和自然资源局、吉林建筑大学和长春市城乡规划设计研究院给予长春市总体城市设计项目的大力支持，感谢长春市总体城市设计编制团队成员和各专题编制团队成员所付出的辛勤努力，特此致谢。

注释(Notes)：

① 文中严寒地区是指《建筑气候区划标准》（GB 50178—93）中的第Ⅰ建筑气候区，该区内各二级区的典型气候特征为冬季长达6个月以上，年日平均气温低于或等于5 ℃的日数大于或等于145 d。

②“流绿”代表着众多流畅的绿色“河流”在长春市内流淌。流绿空间是自长春市建城以来一直保留至今的系统性水绿空间，承载着生物栖息与迁徙、防洪排涝、绿地公园等多种功能，是长春市有别于其他省会城市的重要特色，也是长春市在生态环境方面的重要名片。

图片来源(Sources of Figures)：

图1～3由作者绘制；图4～6引自长春市总体城市设计项目、长春市水敏感性城市空间设计研究专题、基于GIS的大尺度长春市城市空间形态及其演化研究专题和长春市城市风环境评价研究专题。