城市化区域气候变化脆弱性综合评价理论、方法与应用研究——以中国河口城市上海为例

摘要

20世纪80年代以来,以气候变暖为标志的全球气候变化逐渐引起各国政府、国际组织和科学工作者的高度重视。自20世纪90年代脆弱性概念开始引入气候变化研究领域,尤其是2001年IPCC(IntergovemmentalPanelonClimateChange)第三次评估报告对气候变化脆弱性给出了明确的定义以来,脆弱性已逐渐成为全球气候变化研究的重点和热点领域。自21世纪以来,国外不同领域和学科的学者对气候变化脆弱性概念体系展开研究,并相继在国家和区域尺度上开展了气候变化对农业、林业、水资源、生态环境、社会经济以及人体健康等方面的脆弱性评价。相对于国外的研究,我国气候变化脆弱性研究起步较晚,已有的研究主要集中在对国外气候变化脆弱性概念体系研究的综述,以及在农田和森林生态系统方面开展了一些基于气候变化影响的脆弱性评价,缺乏对气候变化脆弱性理论和评价方法的系统研究,评价对象也仅针对少数自然生态系统类型。另一方面,近年来,各国政府以及IPCC、UNFCCC(UnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange)、UNEP(UnitedNationsEnvironmentProgramme)等相关机构已经把城市区域的气候变化问题以及应对策略作为全球气候变化研究的重点,并积极推进“城市应对气候变化的行动规划”以及“低碳城市”的规划和建设。因此,开展城市化区域的气候变化脆弱性研究,对拓展和深化气候变化脆弱性相关理论方法在城市尺度上的应用,科学指导城市应对气候变化具有重要的意义。　　上海作为典型的河口城市,一方面,在全球气候变化背景下,极易受到海平面上升、极端气候事件、盐水入侵、湿地生境退化、水资源的时相改变等众多影响,属于高度脆弱的河口自然生态系统;另一方面,作为中国城市化水平最高的国际化大都市,人口和经济资源高度集中,将进一步放大气候变化的社会经济影响。因此,选择河口城市上海作为案例研究对象,不仅对上海实现全球气候变化和快速城市化背景下的可持续发展具有重要的战略意义,而且对其他海岸带城市和河口城市开展应对气候变化的相关研究和实践具有一定的借鉴价值。　　本文从城市化区域气候变化脆弱性评价的理论和方法研究入手,剖析城市化和气候变化的耦合关系,明确城市化区域气候变化脆弱性的概念体系和评价模型,设计评价的主要模块内容和相关方法技术体系;在此基础上,以河口城市上海为例,开展气候变化脆弱性的综合评价案例研究。本论文主要研究结论包括理论方法和案例研究两个层面,并在此基础上提出上海应对气候变化的策略建议:　　1)城市化区域气候变化脆弱性评价的理论和方法研究　　城市化与局地气候变化之间存在着客观的动态耦合关系,主要表现为气候变化对城市“社会-经济-自然”复合生态系统的多级网络影响;城市化过程中的社会经济发展、能源需求和城市空间扩张对局地气候变化的胁迫;以及气候变化与城市化动态耦合的环境库兹涅茨曲线关系。　　构建城市化区域气候变化脆弱性评价概念模型。其中,评价的组成要素包括风险度、敏感度和适应度;胁迫输入要素包括气候变化胁迫和城市化胁迫;策略输出要素包括减缓和适应两个方面;各要素具有不同的时空尺度和系统属性特征,要素间存在不同类型的作用机制,包括决定流、影响流、响应流和信息流。　　根据评价模型,具体评价过程可归纳为6个模块,分别为城市化区域气候变化事实和情景预测,城市化进程对局地气候变化的胁迫分析,气候变化对城市复合生态系统的影响评价,基于时空尺度的城市化区域气候变化综合脆弱度评价以及城市应对气候变化的综合策略研究等;相关评价方法和技术涉及气候情景分析法、模型模拟法、指标体系法、决策支持评价法等方面。　　2)上海气候变化脆弱性评价的案例研究　　城市化对上海气候变化的影响方面,近50年城区增温趋势显著,增温速率为O.51℃/10a;气温变化在不同城市化发展阶段表现出不同的变化规律,自20世纪90年代进入高速城市化阶段以来,增温幅度显著增加,城市化对局地增温的贡献率高达49.51％。在此基础上,重点关注城市化过程中的社会经济发展驱动、能源需求增长和城市空间的扩张对局地气候变化的胁迫机制,其中生产总值、非农人口数、工业能源终端消费量、房屋竣工面积以及耕地面积等指标对城郊温差的胁迫效应极为显著,其胁迫关系除生产总值符合对数增长曲线以外,其余指标均符合三次多项式曲线;进一步分析上海市城市化压力综合指数(UrbanPressureIndex,UPI)的胁迫机制,研究表明在不同的城市化发展阶段UPI指数对城市局地气候的胁迫存在着差异,可分为低强度胁迫期、线性胁迫期以及缓慢胁迫期,其变化规律在一定程度上验证了城市化对局地气候变化的影响存在环境库兹涅茨现象。　　气候变化对上海“社会-经济-自然”复合生态系统的影响方面,分别从定性和定量两个角度展开研究。定性分析表明,气候变化对上海自然生态系统的主要影响包括盐水入侵,风暴潮和洪涝灾害影响加剧,海岸侵蚀和潮滩湿地减少,城市供水系统稳定性的减少、需水量增加以及加剧水质污染等;对社会经济的影响主要包括农业、运输业、金融、保险以及旅游业的影响,能源需求量的增加,海岸防护工程、洪涝排水系、供水供电等基础设施的影响,空气质量下降以及对居民健康的影响等方面。为了进一步探讨气候变化影响的量化评价方法,本文尝试运用AVIM2“大气-植被”生态过程模型,量化评估气候变化和土地利用变化对上海农田生态系统净初级生产力的影响。　　气候变化综合脆弱度评价方面,基于评价指标体系,分别从时问和空间的尺度,分析城市化区域气候变化脆弱度指数(UrbanClimateChangeVulnerabilityIndex,UCCVI)的变化。从时问序列的变化来看,1998-2006年期间,上海UCCVI指数呈现出波动变化的特征,变化幅度较少,总体有减小的趋势,其中化石燃料消耗、水文和水资源、植被生态系统功能、人类健康、经济发展对能源需求的依赖性、人力和社会资本等要素的变化对其影响显著;从空间分异来看,上海气候变化高脆弱区和较高脆弱区面积为447.66km2和1849.07km2,分别占上海市总面积的7.06％和29.16％。　　3)上海应对气候变化的策略建议　　基于上海气候变化脆弱性综合评价结果,分别从减缓和适应两个方面,提出相关应对策略建议。其中,减缓策略建议包括优化产业结构,转变经济增长模式;发展可再生能源,改善能源消费结构;节约能源,提高能效;“低碳城市”的空间规划策略;以“碳排放交易”为切入点,推进低碳化发展的市场化措施等领域。适应策略建议包括构建上海气候变化背景下的自然生态安全保护格局;建设城市森林,增加城市碳汇;调节城市水资源供需平衡,增加城市应对洪水灾害的能力;加强气候变化对城市居民健康的影响识别和应对;建立有效的气候灾害应急和响应机制等领域。