2025空间智能软件技术大会：基于气象观测、模拟和地理信息技术的城市空间规划气候评估

P1基于气象观测、

模拟和地理信息技术的城市空间规划气候评估杜吴鹏北京市气候中心2025.

6.25

背景意义

技术发展

应用实践

问题讨论目录P2

背景意义01P33

《中华人民共和国气象法》

：

“各级气象主管机构应当组织对城市规划、

国家重点建设工程、

重大区

域性经济开发项目和大型太阳能、

风能等气候资源开发利用项目进行气候可行性论证”。

《气象灾害防御条例》规定“县级以上人民政府有关部门在国家重大建设工程、

重大区域性经济开发

项目和大型太阳能、

风能等气候资源开发利用项目以及城乡规划编制中

，

应当统筹考虑气候可行性和

气象灾害的风险性

，避免、

减轻气象灾害的影响”。

国家层面

，《国家新型城镇化规划》

《国家应对气候变化规划》

《全国城市生态保护与建设规划、

《城市生态建设环境绩效评估导则（试行）

》《城市适应气候变化行动方案》

：

均明确指出需要将气

象和大气质量纳入城市生态环境评估

，加强气候对城市规划的引领

，优化城市功能和空间布局等。

2023年《气候适应型城市建设试点》

：

在国土空间规划实施评估中加强气候风险及适应性评估。

结

合国土空间规划编制实施

，

在“三区三线”、

蓝线绿线等基础上

，

进一步探索城市适应气候变化的空

间策略

，优化城市空间布局。相关法规文件要求（城市空间规划气候评估）P4

气候与城市空间规划是相辅相成的关系

，

城市空间规划建立在对一个城市的气候环境充分了解基础上

，

同时城市中人类活动及下垫面的变化、

建筑群的布局差异

，

都会对城市气候环境产生不同程度的影响

，

从而改变城市局地小气候。

气候可行性论证：

对与气候条件密切相关的规划和建设项目进行气候适宜性、风险性以及可能对局地气候产生影响的分析、

评估活动。“气候”与“空间规划”P5城市化进程对气候环境的影响P6世界气象组织（WMO）

“2024年全球气候状况临时声明”指出

，

2024年全球地表平均温度再创历史新高。

l

根据国家气候中心的监测，2024年全球表面平均温度较工业化前水平

（

1850至1900年平均值）

高出1

.49℃

,

成为全球有气象记录以来的最暖年份。l

世界气象组织统计：

2024年全球平均气温比工业化前的气候变化背景巴黎协定：“全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2°C之内

，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5°C之内”

，即2度目标和1.5度目标。

----本世纪末的目标P71850年至1900年间平均气温高1.55

℃

,

打破2023年创下

的最高纪录。

温升1.5℃控制目标？

2.0℃目标？全球气温相较1951-1980年平均气温的变化

全球最近50年是过去2000年以来增温速率最快的50年。

最近10年（2015～2024年）

是有记录以来最热的10年。

1961—2023年中国地表年平均气温呈显著上升趋势

，

升温速率达到每10年0.30℃

,

1901年以来的10个最暖年份中除了1998年外

，

其余9年均出现在本世纪。

直接后果：

极端天气气候事件频发趋强。《IPCC

，AR6》

温升1.5

℃控制目标？

2.0

℃目标？------城市气候适应

《中国气候变化蓝皮书（

2024）》全球和中国气候变化1850～2023年全球平均温度距平（相对于1850～

1900年平均值）1901～2023年中国地表年平均气温距平P8

我国人口众多

，地形和气候条件复杂

，生态环境脆弱

，极易受到气候变化和气候灾害的不利影响。许多地区均提出坚持生态优先

，推进绿色、可持续城市发展。

亟需在国土空间规划中考虑并增强适应气候变化和气候风险的能力

，实施气候适应性国土空间规划

，构建气候韧性城市。

国土空间规划关系到一个地区的未来长远发展路径和发展目标

，

因此

，将气候风险、气候安全、气候变化融入国土空间规划也会有效支撑地方气候变化应对工作。新形势下国土空间规划的要求P9城市空间规划与工程建设气候应用领域国土空间规划气候论证优化空间布局融入空间规划一张图重大工程气候

服务工程气象参数计算防灾减灾城市规划/城市通风廊道规划增强城市通风减缓城市热岛海绵城市建设气候服务降低城市内涝助力防灾减灾街区尺度气候服务气候适应街区重大活动服务目标：

技术研发

应用服务

成果推广

标准规范城市空间规划与工程建设气候服务P10我们的城市空间规划建设不仅仅只考虑已经发生的极端天气气候事件

，也应该考虑未来持续的气候变化及气候变化引起的极端天气气候事件发生频率、

强度

，甚至是空间的变化。

技术发展02P12

精细化的城市气候时空变化。

城市气候与城市形态之间存在密不可分的关系

，城市空间形态和建筑形态影响局地气候

，进而影响着城市人居环境舒适性1、

高密度气象观测P132、

城市到街区的城市空间规划气候评估多尺度数值模式城市尺度模式

小区尺度模式单体尺度模式WRF/RBLM高分辨风场分析模型小区模式CFD城市尺度500m～4km单体尺度1～2m小区尺度10m网格距P14通风潜力主要取决于该地区的地表粗糙度

，

而粗糙度则对该地区的空气流通及气流交换造成影响。

通风潜力的评估主要是根据建筑物的地面覆盖率、自然植被及接近周边敞开区域的程度而定。1、

敞开区域程度的确定——天空开阔度2、

地表粗糙度的确定——粗糙度长度3、

地表通风潜力等级划分3、

基于遥感与GIS精细化地表通风潜力参数P15黄埔区中心城区地表粗糙度黄埔区中心城区天空开阔度黄埔区中心城区地表通风潜力四环路以内区域的通风潜力最小

，通风潜力较差

，但二环内的通风潜力又高于三环-二环和四环-三环区域

，

四环之外五环-四环区域的通风潜力明显增加

，通风潜力达到一般等级

，

显示北京通风潜力最差的区域为三环-二环区域（杜吴鹏等

，

2016；

房小怡等，

2018；

刘勇洪等

，

2019）4、精细化城市热环境反演

城市热岛：

利用卫星遥感反演方法

，将农田地区平均地表温度作为郊区温度

，将研究区内所有其他地区的地表温度与郊区温度的差定义为热岛强度。P18降水分布图…

…可应用：

多规合一后的国土空间规划5、实现用地指引的城市环境气候图技术（一张图）Building

Research

and

Information(2017)；

Energy

and

Buildings(2015)；Cities(2012)；应用气象学报(2012)等P195、实现用地指引的城市环境气候图技术（一张图）气候环境分级气象场模拟通风环境污染扩散地形地势土地利用热环境P20

应用实践03P21

Ws为实际风速值

，Wsr为站点观测与所选代表性乡村站风速的比值。

当Wsr＜1.0时，表明城市化影响使风速减小

，减小比例为（

1-WsR）

×100%；

当Wsr＞1.0时

，表明城市化影响使风速增加。1、

基于高密度气象观测的城市局地气候效应研究

城市热岛：基于大气温度观测的城市热岛称之为大气城市热岛或空气热岛UHI

=

Turban

-

Trural

城乡风速比：P22

北京中心城区年均和四季平均以及夜晚02时平均UHI

均存在一个较为固定的形态

，但UHI空间分布存在着

季节差异。

夜晚的热岛中心UHI＞2.5℃

,最高可达3.8℃；

白天

14时则存在一个与年均和夜晚不同的单中心或双中心弱热岛形态（中心0.5＜UHI≤1.5℃)。

从UHI值大小和范围来看

，夜晚02时明显大于白天14

时

，季节平均则是冬季＞秋季＞春季＞夏季

，其中冬季夜晚02时热岛最强

，五环区域内大部份UHI＞2.5

℃。城市热岛特征P23

中心城区年均风速比（WsR）为0.56～1.60

，表

明城区局部地区风速受城市化影响

，最小风速仅

为背景郊区风速的56%；但也存在一定的WsR＞1.0的区域

，表明在没有地形影响下

，城市化影响也可使风速增加（如狭管效应区等）。

白天风速明显高于夜晚

，局地空间差异显著（年均最高值与最低值相差近3.5倍）

。风速比小于1.0的面积在白天大于夜间

，说明建筑物对风的阻隔作用在白天比夜间明显

，这主要是由于白天的风速明显大于夜间

，城市地表粗糙度对白天风速10m高度Ws（a.年均；

b.

白天14:00；

c.夜间2:00）

和WsR的减弱作用更为明显。

（d.年均；

e.

白天14:00；

f.2:00在夜间）

空间分布城市风场P24通风潜力计算

廊道分级和规划设计原则2、

服务于北京中心城区城市通风廊道规划

建立一套较为完整的城市通风廊道规划技术体系面向廊道构建的风环境分析评估精细化城市热岛反演多尺度数值模拟P25中心城区天空开阔度中心城区地表粗糙度长度通风潜力2、

服务于北京中心城区城市通风廊道规划心

风潜

完成的北京中心城区通风廊道规划成果纳入到由北京城市总体规划中（5条一级廊道

，

15条二级廊道；气候服务于北京总规）P263、

服务于赛场的小尺度气象场精细模拟三维建模模拟范围设置与网格划分

冬奥单板滑雪大跳台赛场精细风场模拟评估

初始条件设置

风向风速方案1NW中等风速（3m/s）方案2S中等风速（3m/s）。以计算流体力学为核心技术，对北京赛区单板滑雪大跳台场馆，在不同主导风向中等风速下的精细化风场进行模拟和评估赛场不同高度水平切面的风场分布图赛场不同垂直切面的风场分布图P27

以服务首都重大活动和街区尺度气候可行性论证为目的

，

建立典型街区气象模拟和气候评估技术。

考虑建筑外形、

建筑布局、

街道走向、

下垫面类型等因素的城市复杂街区环境。

开展城市街区下垫面特征及周边建筑三维模型优化

，

模拟城市典型区域近地面风温场。4、

服务于重大活动的街区尺度气候评估（2）

天安门地区三维模型P28

建筑模型范围：

1.6km

x

1.5km模拟范围（m）焦点领域街区领域全体领域X方向160020003000Y方向150018003000Z方向2050100水平方向

网格分辨率51020垂直方向

网格分辨率2(0-20)10(20-50)20(50-100)模拟范围设置与渐变网格划分P30

基于CFD

，

完成了考虑建筑外形、

建筑布局、

街道走向以及大型活动临时建筑等因素的城市复杂地区精细风场模拟与评估技术研发

针对常年气候背景（基于近20年历史观测资料的统计）典型时段上午下午晚上风速1.8

m/s2.5

m/s2.2m/s风向NSSWS初始条件设置（七一前后）方案1方案2方案3P31天安门区域主导风背景下10m高度精细风场模拟结果初始条件：

N1.8m/s10m高度（透视图）P32天安门区域主导风背景下10m高度精细风场模拟结果初始条件：

SSW

2.5m/s10m高度（透视图）P33天安门区域主导风背景下10m高度精细风场模拟结果初始条件：

S

2.2m/s10m高度（透视图）P340619-08时0619-20时0623-08时0704-12时

0705-09时43.532.521.510.50模拟值与观测值的验证统计结果观测平均值1.69模拟平均值1.40均方根误差1.02认同指数0.69平均偏差-0.30平均误差0.77归一化平均偏差-0.17归一化平均误差0.46初步误差分析：

模拟的临近建筑区风速快速衰减；

观测环境对观测结果影响（灯杆、城楼

、

临建

。

。）偏北风模拟风速验证风速（

m/s）观测值

模拟值天安门天安门天安门天安门天安门正阳门正阳门正阳门正阳门正阳门国博南国博南国博南国博南国博南国博北国博北国博北国博北国博北国博国博国博国博国博4.5P35模拟值与观测值的验证统计结果观测平均值1.75模拟平均值1.54均方根误差0.72认同指数0.73平均偏差-0.21平均误差0.58归一化平均偏差-0.12归一化平均误差0.3343.532.521.510.50偏南风模拟风速验证风速（

m/s）0622-09时0622-14时0622-22时0627-19时0629-14时0702-18时观测值

模拟值天安门天安门天安门天安门天安门天安门正阳门正阳门正阳门正阳门正阳门正阳门国博南国博南国博南国博南国博南国博南国博北国博北国博北国博北国博北国博北国博国博国博国博国博国博模拟范围（m）焦点领域街区领域全体领域X方向30018602860Y方向34014402240Z方向40100300水平方向

网格分辨率2520垂直方向

网格分辨率220404、

服务于重大活动的街区尺度气候评估

冬奥会开闭幕式（气象实况条件）

国家体育场区域风环境模拟

2022/02/0420:00【

NNW

，

0.8m/s】

，

2022/02/2020:00【

WNW

，

1.9m/s】建筑模型范围：

2.0km

x

1.5kmP36P37奥会开幕式国家体育场地区的风速空间分布特征（10m高度）国家体育场区域风环境模拟2022年冬P38

40m高度

50m高度

60m高度

国家体育场区域风环境模拟20m高度30m高度10m高度P392022年冬奥会闭幕式国家体育场地区的风速空间分布特征（10m高度）国家体育场区域风环境模拟P40

40m高度

50m高度

60m高度

国家体育场区域风环境模拟20m高度10m高度30m高度P415、服务小区建筑规划的气象场精细模拟模拟域网格划分示意图（分为全体领域、街区领域、焦点领域）模拟导入的小区建筑模型STL资料三维立体效果图区域背景风玫瑰P42

在主导风为北风时

，位于学校上游的小区的建筑楼群对校园的通风环境有一定影响

，特别是在20m高度以下的低层

，校园的通风环境相对偏差。

影响因素：

楼

的外形和布局；

上游建筑。

垂直方向随着高度增加

，

学校整体的通风环境逐渐改善

，风速有

明显增加

，在20m高度以上影响明显降低。10m高度20m高度40m高度80m高度5、服务小区建筑规划的气象场精细模拟偏北风情景不同高度风场模拟（10m、20m、40m、80m）偏北风-20m偏北风-10m偏北风50m偏北风-40m偏北风情景下风场三维分布

三维立体展示不同高度模拟结果

，

同样看到校园北侧的楼体对校园内流场有一定影响

，也能明显看到学校操场的通风环境相对较好，P43

5、服务小区建筑规划的气象场精细模拟教学楼之间和受教学楼阻挡的南侧区域通风环境相对较差。

随着高度层增加

，小区建筑楼群对风环境的影响逐渐减弱。

。P44规划方案改造后不同高度层的风场模拟结果（平面图）规划方案改进后的对比u根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental

PanelonClimateChange，IPCC）

，气候变化的灾害风险被定义为危险性、暴露度和脆弱性三个要素相互作用的结果。6、

城市气候灾害风险评估•

危险性：

高温、

暴雨等气候灾害的分布特征。•

暴露度

：人口、

经济、

建筑、

道路、

农田等承灾体的分布。•

脆弱性

：承灾体或孕灾环境中对灾害敏感、

缺乏应对和适应

能力的对象。P456、

城市气候灾害风险评估高温灾害风险评估综合暴露度-高温

综合脆弱性-高温高温灾害综合风险评估高温危险性P466、

城市气候灾害风险评估暴雨灾害风险评估暴雨灾害综合风险评估综合脆弱性-暴雨综合暴露度-暴雨暴雨危险性P476、

城市气候灾害风险评估**市高温暴雨灾害综合风险区划及主导灾种分布u综合气候风险——高温+暴雨P48P497、街区尺度精细化气候变化风险评估长年代气候数据近期灾害数据现场观测数据承灾体

孕灾环境社会经济建成情况规划情况未来气候

变化预估识别风险评估风险应对风险文献调研案例分析历史灾害技术路线高温、暴雨风险预估高温、暴雨风险评估规划应对策略基础分析区域特征研究综述小尺度数模模拟致灾因子降尺度

气候风险

现场观测

•布设两个固定点位观测仪器和不定期走航移动观测，开展气象要素和大气环境要素现场观测常规污染物和温湿度日变化图临时观测站点临时观测站点固定观测点位走航观测P51气候风险

现场观测

第二次走航：为雨后观测

，下班晚高峰

，阴雨天气加重了道路拥堵

，周边大路PM2.5和黑碳都高于胡同；一般大道的温度要高于胡同

，而湿度则是大道要低于胡同。

第一次走航：大道上的PM2.5质量浓度要明显高于胡同

，有树荫遮挡的胡同和大道温度较低

，湿度较大。•

走航观测

：针对下午高温时段和早晚交通高峰进行了四次走航观测

，重点关注PM2.5、

黑碳、

温度和湿度的空间变化气候风险

社区高温危险性评估评估因子极端最高气过程平均最高气过程高温日数38℃以上连续日温

温

数P52

过程平均最高温极端最高温

一般方法38℃以上日数35℃以上日数P53气候风险

社区高温危险性评估社区局地温度空间特征：•

八条温度相对较低（树木多）•

六条温度相对较高（酒店、

交通队、

街道办、

中学等）外围主干道温度较高

基于现场观测基于走航观测结果•P54

气候风险

社区高温危险性评估

综合评估一般方法基于走航观测的温度空间分布（0.5权重）基于气象站点观测的高温危险性（0.5权重）社区高温危险性一般

较高

低

较低

现场观测高P55暴雨洪涝危险性一般较高社区暴雨洪涝危险性评估评估因子极端降水量连续5日最大降水量

大雨日数地形影响系数连续5日最大降水量地形影响系数极端降水量大雨日数0.56-0.690.70-