街区空间紧凑度的气候适应性评估——以浙江长兴县为例

文／王艳云 福州大学建筑与城乡规划学院 硕士研究生

罗 涛 福州大学建筑与城乡规划学院 教 授

吴良龙 福州大学建筑与城乡规划学院 硕士研究生

许文豪 福州大学建筑与城乡规划学院 硕士研究生

洪昕晨 福州大学建筑与城乡规划学院 助理研究员 博 士（通讯作者）

引言

全球气候变化与区域城镇化影响的叠加使城镇成为气候变化风险的集中体现区域，时刻威胁着城镇的安全与居民的生活[1]。在城镇扩张的巨大压力下，“紧凑城市”相关研究成为我国城市可持续发展的重要城市发展模式之一[2]。如何对现有的城镇空间紧凑程度进行气候适应性评价，以便通过城镇空间要素布局优化并调整街区空间开发模式来应对气候变化，成为规划学科应对城镇发展与气候变化的重要着力点。

城镇空间形态是指各种城镇要素在城镇空间上的分布及其组合形式，是自然、社会、经济等各种因素综合作用于城镇所产生的空间结果[3]。面对极端气候的不断出现且其后果越来越严重的趋势，学者们在区域、城市、街区、建筑等不同尺度下[4-6]，以及风、热、湿等不同气候条件下，对空间形态的气候适应性展开了广泛的研究和讨论[7,8]。大量研究以构建韧性城镇、可持续发展城镇为目标，从山水格局、用地布局或城镇空间形态体系对气候背景的适应效果出发，尝试以空间规划设计手段增强城镇空间形态对气候的适应性[9-11]。总体而言，城镇空间形态的气候适应性研究中量化的适应性评价方法尚不多见，且对技术、设备要求较高，难以广泛开展。

人文地理学的适应理论认为，人类社会与环境之间存在双向调节的相互关系[12]。美国生物学家劳伦斯·亨德尔森（Lawrence Henderson）曾提出“适应就是指有机体和自然之间的相互协调关系”[13]。而所谓“协调”是指系统整体趋优的状态，是系统或组成要素之间在发展过程中由无序走向有序的良性过程[14]。目前，协调度评价逐步成为评价适应性的常用方法[15]。相关学者已在广东、江苏、福州、大连等城市对人口、经济、社会、资源、环境、空间等多个领域[16-18]进行系统协调度的相关分析研究。然而，系统协调度分析在应用于空间系统分析时，大多仅涉及少数空间要素指标，如公园绿地、道路、土地利用等[19,20]，不能完整反映研究对象的空间特征，且该方法针对气候系统的应用研究较少。总体而言，协调度模型的构建与评价对研究由城镇空间形态与其气候背景所构成的双系统模型具有深刻意义，但目前相关研究成果尚未见诸公开报道。

本研究以县域城镇为研究对象，选取研究区不同类型的街区样本，分别构建空间形态和气候背景双系统评价指标体系，采用系统静态协调度分析的方法，对街区空间紧凑度的气候适应性进行研究。研究旨在为街区改造或新建规划中改善城市气候提供参考。

1 研究方法

1.1 案例区介绍

本研究案例区为长兴县，隶属于浙江省湖州市，地处浙江北部低山丘陵向太湖西岸平原过渡的地区。案例区属亚热带海洋性季风气候，县域面积1430 平方公里，中心城区建成区面积48 平方公里。改革开放以来，长兴县发展迅速，逐渐完成由农业县向工业县的转型，城镇空间形态发生本质变化。

1.2 数据基础

本研究数据来源包括：2017 年版长兴县城镇总体规划（2017—2035）、长兴县1∶500地形图、谷歌卫星航拍图、2017 年长兴中心城区总体现状图与规划图以及长兴县2005—2017 年气象监测数据。在对长兴县中心城区所有街区单元的空间属性（面积、周长、圆形率、临水关系、新老城关系）与功能属性（生产、生活、生态或混合）进行分类及关联性分析的基础上，挑选出12 个代表性街区作为分析案例（图1）。

图1 长兴县域12 个典型街区平面图及概况（图片来源：作者自绘）

1.3 子系统评价指标体系与系统协调度模型构建

1.3.1 子系统评价指标体系

本研究评价指标以城市气候理论与紧凑城市模型为支撑，以长兴县温和湿润的气候背景及街区空间紧凑程度为评价对象，构建两子系统评价指标体系。

已有文献研究表明，城镇化对区域温度、湿度、风速、日照、云量等气候要素具有重要影响，易引起区域增温和城市热岛效应[1]。本研究结合长兴地区温和湿润气候背景的主导因素、当地易发气候灾害类型及现有气象监测数据，综合制定气候系统评价指标，包含气温、降水、日照、风四个类别[21]，共计8 个指标（表1）。

表1 气候环境系统与空间形态系统指标体系构建（表格来源：作者自绘）

城镇街区空间形态系统评价指标围绕紧凑城市理论提出的城市功能紧凑、城市规模紧凑、城市结构紧凑的表现形式[22]，从土地集约利用、用地开发强度、平面形态集聚度和道路通达性四个紧凑空间特征入手[23]，共计14 个指标（表1）。

1.3.2 确定子系统各评价指标权重

首先，对原始数据进行无量纲化处理。计算公式为：

正向指标：

式中，i 表示评价指标，j 表示样本，且i=1，2，…,n；j=1,2,…，m。Xij和χij分别为样本j 的第i 个指标的原始值和标准化后值；max（xi）和min（xi）分别为第i 个指标在原始值中的最大值和最小值。正向指标表示指标数值越大，对子系统的贡献越大；负向指标表示指标数值越小，对子系统的贡献越大。

其次，计算熵权，计算公式为：

式中，ωi表示第i 个指标的熵权，hi表示第i个指标的熵，为样本数量，（当fij=0 时，hi令=0）。

如表1 所示，在气候环境系统评价指标体系中，降水、气温两类指标所占权重比例最大，达到64%。从研究区气候背景来看，长兴县属亚热带海洋性季风气候，温和湿润为该气候区的主要特征。此外，长兴为台风灾害频发区，因此其风环境同样对气候具有较大影响。

在街区空间形态评价指标体系中，用地开发强度与土地集约利用两类指标所占权重比例最大，达到60%。街区空间作为城镇的重要组成部分，其空间开发模式是城镇空间发展的重要延续。紧凑城市体现了高密度、功能混用和紧凑以及密集化[2]，更多地强调在现存的边界内解决城市问题。经济性和高效性是其最直观的体现，且其舒适性不可忽视。

1.3.3 构建协调度模型

协调度是对2 个或2 个以上系统或系统内部要素之间相互适应、相互配合的状态和程度的一种度量。本研究利用模糊数学中的隶属度概念，对两系统的协调度进行评价。计算步骤如下[24]。

首先，计算各子系统的综合评价指数。其中，城镇街区空间紧凑度，用于综合评估街区空间开发模式的紧凑发展程度。气候综合评价指数用于评估长兴县气候的温和湿润程度。计算公式如下：

其次，计算系统协调度。

式中，Ux/y 为X 系统相对于Y 系统的状态协调度；Fx 为气候综合评价指数；Fx1为街区空间紧凑度对气候系统要求的协调值；Sx2为气候系统的实际方差。同理，为Y系统对X系统的状态协调度。U 为X、Y 两个系统的协调度指数，U ∈[0,1]，当U=1 时两系统间完全协调。

结合已有研究成果，本研究采用均匀分布函数法拟定协调度等级划分标准[25]（表2）。

表2 协调度等级划分标准（表格来源：参考相关文献绘制）

2 结果与讨论

2.1 各子系统评价结果

气候子系统综合评价指数用于评价气候的温和湿润程度，数值越高，气候越温和湿润。如图2 所示，2005—2017 年长兴县气候综合评价指数呈波动上升趋势。其中，2006—2009 年间函数值较为稳定，2009—2010 年函数值骤降至0.239，随后在2011—2016 年间函数值由最低值极速上升至最高值，且2015—2016 年上升速率最快，此外在2016—2017 年又大幅降低。

图2 子系统综合评价指数计算结果（图片来源：作者自绘）

对比长兴县各气候指标原数据可以发现，2009 年与2010 年相比，2010 年的气温及年降水量等多项指标值均低于2009 年，而日照、风速两类负向指标均大于2010 年，且年平均风速达到研究年份中的最大值。因此，2009 年相对2010 年的气候更加温和湿润。2015 年与2016年相比，2015 年气温和降水值均偏小，而年极大风速受当年台风影响，远大于2016 年。2017年则因降水大幅减少，当年气候综合评价指数骤然下降。2011 年与2016 年相比，2011 年的气温相对偏低，降水偏少且风速较大，导致该年气候综合评价指数偏低。2016 年正向指标中年平均最低气温、年降水量、年降雨日数三个指标均达到最大值，年平均气温与年平均最高气温接近于最大值。负向指标中，年日照时数与年极大风速均接近于最小值，因此，该年气候温和，雨水丰沛，气候特征明显。

街区空间形态子系统指数评价研究区街区空间的紧凑发展程度。数值越高，街区空间形态的紧凑程度越高。如图3，长兴县12 个样本街区空间紧凑度数值在（0.202～0.766）之间，且有67%的样本街区空间紧凑度大于中值0.500，总体而言，长兴县样本街区多符合紧凑发展模式。其中，陈塘村因其土地混合度、建筑密度、道路线密度及道路面密度均达到样本中的最大值，其街区空间紧凑度最高。

图3 子系统评价指数与系统协调度均值关系分析（图片来源：作者自绘）

2.2 系统协调度评价结果

将两系统评价指数带入协调度模型，共测得该系统156 个静态协调值。将计算结果参照表2中协调度等级划分标准进行评估，共测得6 种协调度等级。其中，达到优质协调水平的结果共计83个，占比53%；位于初级协调至良好协调水平的结果共计58 个，占比37%；处于勉强协调及濒临失调水平的结果共计15 个，占比10%；不存在轻度失调及以下情况。总体来看，长兴县各街区空间模式对当地气候背景的适应性处于较高水平。

2.3 各子系统综合评价指数与协调度关系

如图3 左图所示，将街区空间紧凑度与系统协调度均值数据采用多项式函数进行拟合，结果显示拟合优度值为99.89%，呈现“抛物线”型，关系式为：

拟合曲线中街区紧凑度达到一定阈值0.444（略高于样本最大值0.435）时，研究区街区空间形态对气候的适应性最强。该结果表示，在长兴气候背景下，该地区街区空间紧凑度最适宜水平存在阈值。街区空间紧凑度越接近于阈值，其与城市气候的协调性越高，对城市气候变化的响应程度越高。

如图3 右图所示，将气候评价指数与系统协调度均值数据采用多项式函数进行拟合，结果显示拟合优度值为99.88%，关系式为：

拟合曲线中，气候评价指数达到阈值0.528（略低于样本实际值0.529）时，两系统的协调性最强。即就长兴而言，气候的温和湿润程度越接近于0.528，现有的空间形态对气候的适应性越强。

从上述结果来看，地域气候背景对地区城镇空间发展模式具有直接的影响。不同的气候背景对城市的空间形态提出不同的要求。就促进系统协调度而言，地域气候的温和湿润程度与街区空间紧凑度均存在临界值。紧凑城市是一种实现城市可持续发展的有效的空间策略[26]。而紧凑空间并非一味追求高密度，高混合。学者方创琳等针对我国城市发展的现状提出，紧凑发展并非一味地提高建筑层数、建筑密度，而因根据实际用地情况，寻找“有效节约用地与合理城市功能”之间的平衡点[2,27]。本研究结果进一步证明，在街区空间规划中，不能无限制地加强其开发强度，而因综合考虑其舒适度与环境效益等，探索适宜当地发展的街区空间模式。

2.4 两子系统综合作用下的协调度特征分析

协调度展现了两系统彼此适应的程度。协调度包括低水平协调与高水平协调。如表3 所示，将气候子系统评价指数与街区空间紧凑度指数均按照从大到小的顺序排列，街区空间紧凑度呈现低、中、高紧凑度三种不同紧凑程度的开发模式；气候呈现低、中、高三种等级的温和湿润程度。将协调值位于（0.900～1.000）即达到“优质协调”水平的结果进行标记，在两系统共同作用下，协调度呈现明显的高水平协调区与低水平协调区。其中，高水平协调区中，“气候系统—街区系统—协调度”呈现“高-高-高”“中-中-高”“低-低-高”，三种组合形式，即当气候系统评价指数与街区空间紧凑度处于同一水平时，两系统协调度处于较高水平。且当两系统均处于过渡阶段，即中等程度时，两系统的匹配程度最高，协调度均值呈现最大值（0.915～0.924）。而当两系统综合水平差异较大时，两系统协调度处于较低水平。

表3 协调度特征分析（表格来源：作者自绘）

此外，通过对街区样本所处位置(新城/老城)进行分类识别，结果显示，在“高-高-高”类别的6 个街区中，有1/2 位于老城区，1/2 位于新城区；在“中-中-高”类别的3 个街区中，多数位于新城区，少数位于老城区；而在“低-低-高”分类中，全部为新城区。总体来看，老城区的街区空间紧凑度普遍较高，且老城区街区空间相对新城区的街区空间对地域气候变化的响应程度更高。

气候问题与城市问题的关联性一直是学者们关注的话题，城市如何应对气候变化，如何缓减气候变化，针对不同气候区及不同尺度，应有针对性地研究响应气候变化的规划设计策略，提升城市环境的宜居性。研究表明，老城区在长期的聚居历史中集成了人类聚落建设智慧，形成一系列有效的气候适应性策略，通过对传统设计策略的提取和优化，将有助于增强城市应对气候变化的弹性[28]。

结语

通过空间规划设计增强城镇应对气候变化的弹性，以此来减轻或规避气候变化带来的不利影响，不失为应对气候变化的良策。本研究通过构建长兴地区气候系统与街区空间系统之间的协调度评价模型，得出以下结论：

（1）降水、气温两类指标对长兴县温和湿润的气候系统评价贡献最大，达到64%；土地开发强度、土地集约利用两类指标对街区空间紧凑度评价影响最大，达到60%。总体而言，长兴县气候的温和湿润指数在2005—2017 年呈波动上升趋势，其街区空间则多符合紧凑发展模式要求。

（2）就促进系统协调度而言，地域气候的温和湿润程度与街区空间紧凑度均存在临界值。本研究中，理想状态下气候温和湿润程度的系统临界值为0.528，街区空间紧凑度的系统临界值为0.444。

城镇空间是人类居住、工作、游憩的场所。街区空间形态作为城市空间的缩影，更加直观地表现了城市空间发展模式并影响着人类的生活状态与舒适程度。受限于数据获取，虽然无法精确完整地体现局地气候构成要素与街区空间形态要素相互作用的深层内涵，但本研究对街区空间紧凑度对温和湿润气候环境的适应性进行了探索性评价。通过在后续研究中增加人文要素及人类舒适程度相关指标，可以进一步分析适应性变化背后的原因，进而更加全面地找出系统适应性发展的规律，为以城镇街区空间规划设计改善城市气候提供方向。