引言

1950年代，德国应用气象学者开始研发城市气候地图（UCMap: Urban Climate Map）^①，用以在城市气候学与城市规划之间建立联系，进而引导城市规划有效缓解雾霾和热岛等城市气候问题。半个世纪以来，德国城市气候地图的研究对象日渐广泛，技术方法趋于成熟，控制精度不断提升，普及程度逐步提高。目前，该工具已在其他欧亚发达国家与地区得到借鉴与推广。研究德国城市气候地图及其规划引导作用的演化将为探讨我国相关研究深化的必要性、发展方向及实施框架条件等问题提供可资借鉴的有益经验。

2 城市气候地图的发展历程

2.1 奠基阶段（1950年代初—1970年代末）

2.1.1 个案研究的开展

为了科学地分析人类生存空间在气候方面的利弊，基于区域气候环境改善为土地利用提供建议，德国气候学之父诺赫（K. Knoch）于1950年代初提出建立以规划应用为目标的城市气候地图系统^[1]。随即，规划应用导向下的气象数据整理与分析在基尔^[2]、斯图加特^[3]、波恩^[4]等地相继开展（图 1）；内容主要涉及太阳辐射、气温、湿度、大气污染等基本气象信息。1970年代末，首部服务于城市规划的《气候图集》（Klimaatlas）由斯图加特化学研究所编制而成。该图集虽精度有限（图纸比例为1: 1 000 000），但已可在建设申请环境评估、居民环境建议处理、城市建设结构调整等方面提供切实依据。为了规避低精度图纸带来的引导偏差，一些土办法（如建设用地选址优先考虑毗邻气象站的区域）在规划部门与气象部门的协同工作中得到采用。

图 1

Fig. 1

图 1 1964年基尔的气候分析图 资料来源：根据参考文献[2]改绘

2.1.2 分析方法的探索

随着个案研究的展开，规划应用导向下气候分析的基本原则得到统一。

第一，“利用局地环流驱动下的冷空气对城区实施降温与污染物驱除”，被作为气候分析的重要出发点。1950和1960年代，利用盛行风的传统思路在德国被摒弃，静风条件下的局地环流及其城市气候影响则受到广泛关注。德国各大城市局地环流的基本特征、局地风的影响范围、冷空气气团对内城的降温与空气净化作用等问题均得到深入讨论^[3]。在此基础上，气象学家克雷斯（R. Kress）于1979年统一了气候分析的基本原则与理论模型，并通过弗莱堡市德莱萨姆塔区（Dreisamtal）、法兰克福市韬努斯港区（Taunushang）、多特蒙德市的实践验证了该模型的有效性（图 2）。

图 2

Fig. 2

图 2 1979年弗莱堡与法兰克福的气候分析图片段 资料来源：根据参考文献[5]改绘

第二，针对评价过程通常难以排除主观因素的问题，气候分析的发展方向得到修正。对于气候分析的两大核心问题（气象参数选取和客观评价），与城市规划、建筑设计各阶段相关的气象要素虽不难提出^{[8, 9]}，气象要素及其综合作用对人体的影响在实践中却很难得到客观评价。1970年代，为了提高气候分析方法的有效性与实用性，规避主观因素的两条道路被提出：将地形与城市气候状况的监测资料进行制图存档，以气象数据的可视化表达替代非完全客观评价；不断加强与其他学科（如生物气候学、医学等）研究成果的紧密联系，注重室外舒适度等综合性指标的运用，以提高气候监测数据评价的客观程度^[6]。

莱塞（H. Leser）依据上述原则编制的“规划导向下的气候分析图”成为此阶段气候分析的典范（图 3）。

图 3

Fig. 3

图 3 1973年艾斯林根的气候分析图 资料来源：参考文献[7]

2.2 发展阶段（1980年代）

2.2.1 示范项目的开展

该阶段，气候分析示范项目先后在西德大城市与南部经济发达地区开展；除基础气象数据收集以外，项目还涉及冷空气流动情况调查、精细气候区划（Klimatop）编制等内容。在西柏林，根据建设开发对城市气候的影响程度，城市用地被分为五级，指出了涡流区与闷热天气高发区，并提出了城市发展建议（图 4）。在鲁尔区，25座城市（如多特蒙德、埃森、杜伊斯堡）针对旧工业区金属污染物扩散问题分别编制了“气候功能图”，并从空气交换通道、建筑体量、开发强度、土地用途等方面提出规划建议^{[9, 10]}。在巴伐利亚州的3座城市（慕尼黑、纽伦堡、奥格斯堡），气候分析示范项目受“巴伐利亚州城市气候”（Stadtklima Bayern）项目驱动得到开展。其中，慕尼黑示范项目基于气象网络、热成像技术、车载测量、航拍与热成像等技术获得了当时最高精度的城市气候地图（分辨率为250 m），并针对城市气候结构、城市通风、大气污染等问题陆续开展系列研究。

图 4

Fig. 4

图 4 1987年西柏林的气候分析图 资料来源：根据参考文献[8]改绘

2.2.2 量化分析模型的发展

随着计算机与信息技术的发展，普适的气象数据整理与量化评价模型得到发展，为此后气候分析的普及提供了基础。1986年，作为数据整理分析与城市规划决策的辅助工具，德国气象局开发的数字地形气候模型可根据地形与植被状况计算出静风条件下的冷空气生成区范围、由自然或人工阻碍引发的冷空气堆积状况，模拟并呈现土地利用状况变更引发的气候影响（如冷空气生成区变更、气流路径改变）。至1980年代末，多尺度气候分析模型已获开发。其原理、使用方法与局限性在德国工程师协会委员会编著的《城市气候与空气净化——环境规划实践知识手册》^[12]中得到总结。

2.3 成熟阶段（1990年代初至今）

2.3.1 气候分析的普及

1990年代初，针对原东西德城市间人口流动与发展不平衡问题，统一后的德国开启了新一轮全国性规划。期间，随着环境问题在城市发展中的地位提升，气候分析在德国城市规划中的应用日趋广泛（表 1）。一方面，在研究基础相对薄弱的地区（如德累斯顿、魏玛等原东德城市），城市气候地图编制工作开始启动；另一方面，在研究基础相对完善的地区，城市气候地图得到更新、再版，研究对象更为广泛（表 2）。例如，在柏林，高精度的“气候生态功能图”与“规划建议图”（图纸比例为1:100 000、1:20 000）于1990年被“城市与环境信息系统”工作组纳入为全市及毗邻勃兰登堡州部分地区编制的《环境图集》（Umweltatlas）中，可作为规划环评的重要依据；2000年，数字版《环境图集》登陆网络，并不断更新。在斯图加特，环保局城市气候研究所（Landeshauptstadt Stuttgart,Amt für Umweltschutz,Abteilung Stadtklimatologie）于1992年为该市及其周边地区编制了《斯图加特联盟气候图集》^[14]；于2008年为整个辖区编制了超高精度的《斯图加特区域气候图集》（图纸比例为1:20 000、1:5 000），从气候变化角度为辖区内6个县市（总面积365 400 hm²）多层面的空间规划提出挑战与建议（图 5）；并于近年针对“斯图加特21世纪”项目组织开展小尺度城市气候分析，为斯图加特中央火车站更新与市中心城市设计提供依据。

表 1

表 1 至2010年初已制作城市气候地图的德国城市与地区 联邦州或联合区域 主要城市与制作时间 柏林州 柏林（80’,2009） 巴登—符腾堡州 斯图加特及周边区域（70’,1992）、斯图加特辖区（含斯图加特、伯布林根、埃斯林根、格平根、路德维希斯堡、雷姆斯—穆尔县,2008）、乌尔姆与新乌尔姆（1996）、米尔阿克（2007）、弗莱堡（2003） 莱茵河—内卡河大都市圈 卡尔斯鲁厄（2008）、曼海姆（2008）、路德维希港（2008）、海德堡（2008）、达姆施特（2008） 北莱茵—威斯特法伦州 多特蒙德（1986,2007）、埃森（1985,2002）、明斯特（1992）、科隆（1997）、杜伊斯堡（1982,2009）、雷克林豪森（1988）、希尔登（2008）、代特莫尔德（1999）、杜塞尔多夫（1995）、瓦尔特罗普（2002）、克雷费尔德（2003）、奥斯纳布吕克（2007）、波鸿（2008）、盖尔森基兴（2010）、波恩（1986,1990）、阿尔夫特（不详）、施托尔贝格（1993）、亚琛（2001） 拜仁州 慕尼黑（80’,1992）、纽伦堡（1985）、奥格斯堡（1985） 莱茵兰—普法尔茨州 凯撒斯劳滕（2000,2010）、特里尔（2007） 下萨克森州 汉诺威（2006）、布伦瑞克（1992）、沃尔芬比特尔（2003） 黑森州 卡塞尔（1990,2003） 汉堡州 汉堡（2009） 萨克森州 德累斯顿（2008） 图林根州 格拉（2000） 魏玛（2006） 资料来源：笔者自制

表 1 至2010年初已制作城市气候地图的德国城市与地区

表 2

表 2 各时期气候分析信息采集范畴 信息采集范畴 基尔（1964） 埃斯林根（1973） 慕尼黑（1986） 斯图加特（1992） 斯图加特辖区（2008） 气象参数 气温 ● ● ● ● ● 降水 ● ● ● ● ● 雾 ● ● ● ● ● 风 ● ● ● ● ● 大气污染物 ● - ● ● ● 噪声分布 - - - ● ● 冷空气流动信息 - ● ● ● ● 生物气候指标 - - - - ● 精细气候区划 - - ● ● ● 地形地貌 ● ● ● ● ● 土地利用 ● ● ● ● ● 说明：●表示所涉及的范畴；-表示不涉及的范畴。 资料来源：根据参考文献[2, 7, 11, 14, 15]编制

表 2 各时期气候分析信息采集范畴

图 5

Fig. 5

图 5 2008年斯图加特区域城市气候地图片段 资料来源：根据参考文献[15]改绘

2.3.2 工作方法的标准化

通过陆续出台一系列国家标准，德国工程师协会委员会为气候分析方法及其成果表达提出标准化技术规程。它们不仅为德国各地气候分析提供技术指南，而且被作为其他国家开展气候分析工作的参考标杆。如，《环境气象学——城市与区域气候与大气污染图则》（VDI 3787 Blatt 1，1997）、《环境气象学——城市规划与区域规划在区域层面关于气候与空气质量的人类生物气候评价方法之第一部分：气候》（VDI 3787 Blatt 2，2008）、《环境气象学——地方性冷空气》（VDI 3787 Blatt 5，2003）、《环境气象学——在区域规划中关注气候与空气卫生问题》（VDI 3787 Blatt 9，2004）、《环境气象学——人类的生物气候要求》（VDI 3787 Blatt 10，2010）。

由此，作为气候分析的工作成果，德国城市气候地图的组成部分（“气候分析图”与“规划建议图”）及其编制方法被固定下来。实践中，此二者常被作为某地区气候信息图纸汇编《气候图集》的核心内容，也可与土壤、动植物生境、地理、水文等其他各类环境信息一同录入《环境图集》。

3 引导作用的发展趋势

3.1 系统化

城市气候地图引导德国城市规划的系统化倾向主要体现在两方面：气候分析能够对更多尺度的规划设计提出科学引导、各尺度引导建议间存在紧密关联。

1960和1970年代，鉴于精度限制，气候分析仅可在大尺度上为土地利用方式的改变提供依据，如区域“大型绿带”（Grünzug）的提出与推广、城市绿地系统布局模式由“同心圆”向“齿轮状”的转变等；1980年代，随着精度提升，“气候分析图”成为全面关注气候与空气卫生要求的理想工具，其规划要求在权衡决策中逐步受到重视；1990年代以来，高精度的城市气候地图已能够在中小尺度上为相应规划措施的精确定位与定量提供依据。以斯图加特为例，从国家气候图集、州气候图集、区域气候图集、城市气候图集到街段尺度的气候与空气卫生鉴定，多尺度城市气候地图如今已可为从区域规划、土地利用规划、建设指导规划到建设申请书管理等各阶段的城市规划与景观规划提供服务（图 6）。

图 6

Fig. 6

注： 黑色文本框表示气候分析工具；灰色文本框表示正式的空间规划工具。 图 6 斯图加特空间规划管理等级体系及相应的气候分析工具 资料来源：根据参考文献[20, 21]绘制

作为上一层面气候分析的延续和下一层面气候分析的依据，各层面的气候分析工作均不孤立存在。例如，《斯图加特区域气候图集》源于巴登符腾堡州气候预测提出的规划挑战，成果又进一步指出开发建设时有必要开展后续专业鉴定的区域、应就建筑尺寸与布局进一步开展针对性微气候评估的区域。需要指出的是，建立能直接参与规划管理的地方性城市气候专业机构（如斯图加特环保局城市气候研究所）将有效地促进多层次气候分析工作的关联性。此类部门既能尽早参与规划程序，及时为管理人员、规划师与业主提供咨询，又能长期致力于各层面气候分析的组织与协调。不同尺度气候分析间的关联性、引导建议的协调性不仅有助于各尺度上正式与非正式规划工具的协调统筹，也有利于气候分析工作效率与质量的提升。

3.2 精确化

城市气候地图对德国城市规划引导的精确化倾向主要体现在两方面：规划建议类别增多和精度提升。

随着气候分析涉及问题日渐复杂，相应规划建议也愈加具体。1960年代，气候分析主要涉及城市热岛、干岛、大气污染等问题；规划建议则集中在土地利用方式方面，如工业设施与非建设用地选址、污染物防护林定位、新区建设方式、绿化设施与绿化网络建设、供暖系统与交通系统建设等。至1990年代，气候分析纳入更多问题，如噪声污染、区域通风、室外舒适度等；除土地利用方式以外，规划建议则更多地向形态控制方面扩展，如主次干道的选址与定位、区域通风廊道与城市绿地系统的定位、建设密度的控制、建筑物体量与朝向的确定、各类城市更新措施的适用范围等。当前，城市气候地图已可针对城市街段的形态控制导出多方面、具体化的开发策略与指导方针。

当前，气候分析图的精度正不断提升，规划建议图中规划措施的位置与范围也愈加精准。在《斯图加特山地区域框架规划》中，通风廊道的定位误差被控制在100 m以内，整个通风系统各组分的规划建议及其边界亦能得到确定（图 7）；在“斯图加特21世纪”项目中，气候分析已经能够在地块划分、开发强度确定、绿化设施布置、建筑物形态控制、补偿措施定位（如屋顶与立面绿化）等方面提出精细化的引导建议（图 8）。与传统中基于经验的原则性指导建议不同，高时空分辨率城市气候地图提供的精细化引导不仅能为规划措施定位定量提供明确依据，而且将有利于大幅提升规划建议的可操作性。

图 7

Fig. 7

图 7 斯图加特山地区域通风系统图 资料来源：根据参考文献[18]改绘

图 8

Fig. 8

图 8 “斯图加特21世纪”项目微气候分析图 资料来源：参考文献[19]

3.3 强制化

城市气候地图对德国城市规划引导的强制化倾向主要体现在两方面：规划建议法律约束力增强、其作为方案优选依据的权重扩大。

随着可持续发展原则于1994年被纳入《德国基本法》，空间规划法律框架《空间秩序法》与详细规划根本大法《建设法典》均将城市气候问题缓解设定为规划目标体系的重要组成（表 3），进而气候与空气卫生方面的规划要求在多个地区被强制纳入城市规划。例如，在弗莱堡、慕尼黑、乌尔姆等地，城市气候地图的规划建议通过农林业用地、城市绿化用地、非建设用地范围的限定落实到土地利用规划与景观规划中；在明斯特、亚琛、波恩、凯泽斯劳腾等地，冷空气通道与新鲜空气通道以“绿楔”、“绿廊”、“绿带”等形式被完整地落实到新版土地利用规划中。随着2011年《建设法典》针对加强气候保护、应对与适应气候变化做出的新一轮调整，城市气候地图从单纯的引导性工具转变为兼具引导性与控制性的规划工具。

表 3

表 3 德国城市气候问题解决作为规划目标的法律依据 城市规划目标体系 法律依据 具体内容 《空间秩序法》 《建设法典》 上级目标 第1条第2款 第1条第5款 以“可持续发展”为导向的空间发展与城市建设发展 建设适宜人居的环境、保护环境 为气候保护负责 下级目标 第2(2)条编号6 第1(6)条编号7 a 预防或缓解热岛效应 第1(6)条编号7 a,7 e,7 f,7 h 预防或缓解大气污染、提倡可再生能源利用与节能 第1(6)条编号7 a 改善空气交换状况 第1(6)条编号7 e 预防或缓解噪声污染 资料来源：笔者总结

表 3 德国城市气候问题解决作为规划目标的法律依据

2004年，环境鉴定与环境报告制度在《建设法典》中被正式引入，公共机构规划参与制度得到进一步完善，规划方案缓解城市气候问题的能力成为方案优选的重要依据。例如，在明辛根市某生态住区竞赛中，基地内两条40 m宽的新鲜空气通道被严格列为非建设用地；在弗莱堡市里瑟尔费尔德住区（Rieselfeld）、沃邦住区（Vauban），“建设区域性空气通道”被作为住区规划竞赛的基本要求^[16]；在亚琛市，可能对气候带来巨大负面影响的城市与建筑设计方案可被即刻否决^[17]；在“斯图加特21世纪”项目中，由数值模拟支撑的通风状况比较成果为方案优选与深化提供依据^[19]。

4 结语：经验与讨论

据记载，斯图加特是最早编制并实施城市气候地图的城市。随着城市气候地图 30年来的持续完善及其规划引导作用的逐步增强，该市中心区的城市气候问题已显著改观。一方面，在全球气候变暖背景下，市中心年均气温反而连年降低、夏季气温极值亦未见升高、平均风速与相对湿度均保持稳定；另一方面，在机动车数量持续增加背景下，市中心CO、SO₂、NO、PM10等大气污染物含量却显著降低。1980年代被称为“雾都”的斯图加特如今已成为著名的疗养胜地。该转变在一定程度上显示了城市气候地图的有效性。

实践证明，城市气候地图的有效实施应具备以下必要条件：规划法律法规体系的完善、完备基础信息的获取以及专业规划优先权的确立。

第一，完善的规划法律法规体系为城市气候地图的编制与实施赋予了必要性与合理性，也在方法层面提供依据。一方面，德国《空间秩序法》与《建设法典》将各类城市气候问题的缓解作为规划目标的重要组成；另一方面，与大气污染、噪声污染、热岛效应、空气交换等问题相关的环境质量评价标准均较明确，相关专项规划与专项研究在方法与深度上均存在标准化要求。

第二，基础信息的全面性不仅有助于提高气候分析与用地评价研究成果的科学性与系统性，也有助于在公共机构规划参与和权衡决策中提升城市气候方面规划要求的可信度与受关注度，有利于该方面规划要求的权重提升与措施落实。当然，作为气象监测信息与下垫面数据资料获取的必要条件，监测网络的完善性、科研资金的充裕性、公共信息资源的可利用性亦至关重要。

第三，专业规划优先权的确立不仅促进了城市气候研究新思路与新方法的开发，而且促进了相关研究前沿成果的实践应用与检测。鉴于城市气候分析的专业性与技术性，建立能直接参与规划管理的地方性城市气候研究机构至关重要，以便持续地向政府机构和规划部门展示问题现状与发展趋势，提出规划要求，维护公众利益，并进一步完善专项研究工具。

综上，城市气候地图在德国半个多世纪的实践经验表明：由人口聚集与开发建设引发的各类城市气候问题可通过合理的城市规划与设计得到缓解；前瞻性、预防性的事前引导比滞后的、补偿性的事后管控更为有效；作为城市气候学与城市规划的桥梁，城市气候地图是迄今在气候与空气卫生防护方面最为有效的规划引导工具。当前，来自高时空分辨率城市气候地图系统化、精确化、强制化的引导已成为城市规划与设计有效缓解城市气候问题的必要条件。