引言

近几十年来，全球气候变化已经对自然系统和人类社会产生了强烈的影响，而人类活动是导致气候变化的主要原因^[1]。城市是人类活动高度密集的区域，城市地区的气候受人类活动的影响尤为显著。随着社会经济的发展和气候变化影响的逐渐显现，城市气候问题越来越被重视，应对气候变化是未来城市发展面临的重要挑战之一^[2]。2013年底我国发布了《国家适应气候变化战略》，将城市地区作为重点适应区之一，要求各省市政府尽快推进适应气候变化规划工作。为有效提升我国城市的适应气候变化能力，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部会同有关部门于2016年初制定了《城市适应气候变化行动方案》。气候系统与城市的相互作用和影响研究也广泛开展，国内外很多学者从人体健康、人居环境、能源排放以及气候风险管理等开展了多方面的研究，有效地提升了对城市气候问题的认识^[3]。但在多数研究中，气候要素通常被认为是相对稳定的，且没能充分考虑人类活动对城市气候的作用和影响^[4-5]。随着对人类活动和气候变化及其相互作用认识的提高，以及未来城市气候变化适应管理需求的增加，城市气候环境对社会经济发展的支撑和承载问题越来越受到关注，气候承载力的概念由此提出^[6-8]。本文将气候承载力定义为在一定的时间和空间范围内，气候资源(如光、温、水、风等)对社会经济某一领域(如农业、水资源、生态系统、人口、社会经济规模等)，乃至整个区域社会经济可持续发展的支撑能力^[9]。要准确客观地反映某一时段、某一地区的气候承载力，需要结合研究对象有针对性地构建适合的指标体系，这些指标应具有清晰的逻辑关系或层次结构，能够较好地反映承载体和受载体的相互作用或联系，从而为合理地限定资源的利用和社会经济发展规模或强度提供决策参考。

北京是我国的政治经济文化中心，城市化程度高、人口密度大，而自然资源禀赋相对不足，一次性能源自给率仅为7%，人均资源占用量与资源环境总量的矛盾越来越突出^[10]。近几十年来，受人类活动和气候变化的共同影响，阻碍城市经济发展的社会和生态问题日益凸显，如城市雾霾、热岛效应、水资源匮乏、生态环境脆弱等。如何在城镇一体化快速发展的同时保持资源环境的良性循环，是北京市社会经济发展新常态的重要关切之一^[11]。开展北京地区气候承载力的探索研究和分析，是合理利用资源，保障协调发展，以及开展城市气候变化适应，减缓气候风险的必要基础。本文从气候资源现状、人类活动强度和生态环境状态3个基本要素层出发，构建人类活动影响下的北京地区气候承载力评估指标体系，对当前北京地区的气候承载力(climatic carrying capacity, CCC)进行分级评估，并对北京地区气候承载力的区域差异及其主要限制因子进行了分析。

1 方法与数据 1.1 气候承载力评估指标 1.1.1 气候资源

气候资源(climate resources, CR)基本状况反映该地区气候资源条件及其对当地自然环境和人居生活所需的气候资源的支撑和供给状况。对城市地区而言，气候资源不仅为自然环境和生态系统提供基本的支撑，也是城市生态、人居条件的重要构成因素。气候适宜程度是人居环境的重要影响因素，也是评价城市地区宜居度的重要标准之一。随着社会经济的发展和城市化进程的推进，人们对宜居度的要求也越来越高^[12]。本文选择了平均气温、平均降水、气候生产潜力，以及表征气候宜居性的温湿指数、风效指数5个指标评价气候资源的基本状况。

1.1.2 人类活动

人类的各种社会经济活动在城市(human activities, HA)地区高度密集，也是导致城市气候环境问题的主要根源之一。城市人为热排放对城市气候系统产生了重要的影响，热岛效应成为城市气候的典型特征之一^[13]。本研究结合北京地区的社会经济特点，主要考察了与气候系统和城市环境状况密切相关的社会经济活动，包括温室气体、废气尾气及人为热排放等问题。

1.1.3 生态环境

城市生态环境(environment & ecosystem, EE)不仅与城市居民的生产生活息息相关，也是社会经济活动赖以开展的基础。城市化进程的推进，社会经济的快速发展，带来了一系列的城市生态和环境问题，造成了环境污染、生态破坏、植被退化等诸多严重后果^[14]。考虑到北京地区气候环境的主要关切，选择大气环境容量、植被生长状况以及人均绿地面积构建北京地区生态环境状况评价指标，其中大气环境容量为某一区域大气环境所能承纳污染物的最大能力，代表了大气环境的自净能力^[15]；植被生长状况采用归一化植被指数（NDVI）来表示，表征植被的覆盖程度及生长状态。

1.2 评估指标及权重

气候资源、人类活动和生态环境3类要素的构成指标既相对独立，也相互影响，个别指标之间还存在一定的相关性，采用层次分析法(AHP)对气候承载力评估各要素层指标构建判断矩阵，通过求得矩阵的最大特征根、一致性指标、随机一致性比例。检验判断矩阵，当随机一致性比例小于0.1时即判断矩阵具有良好的一致性，矩阵通过验证，即获得各项评估指标的权重(表 1)。

1.3 气候承载力计算

根据气候承载力的定义，采用气候资源条件、人类活动强度和生态环境状况3个要素14个具体指标构建气候承载力评估函数，即：

$ C=f\left( {{I}_{\rm{CR}}}, {{I}_{\rm{HA}}}, {{I}_{\rm{EE}}} \right)。$

(1)

式中，C为城市气候承载力；I_CR、I_EE分别为气候资源指数和生态环境状态指数，为正向指标，I_HA为人类活动强度指数，为逆向指标。因此其具体计算公式为:

$ {{I}_{\rm{CCC}}}=\frac{{{I}_{\rm{CR}}}\times {{I}_{\rm{EE}}}}{{{I}_{\rm{HA}}}}，$

(2)

$ {{I}_{\rm{CR}}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{I}_{{{C}_{i}}}}\times {{W}_{{{C}_{i}}}}，} $

(3)

$ {{I}_{\rm{HA}}}=\sum\limits_{j=1}^{m}{{{I}_{{{H}_{j}}}}\times {{W}_{{{H}_{j}}}}，} $

(4)

$ {{I}_{\rm{EE}}}=\sum\limits_{k=1}^{l}{{{I}_{{{E}_{k}}}}\times {{W}_{{{E}_{k}}}}。} $

(5)

式中，I_CCC为城市气候承载力指数，其值越大表示气候承载能力越强。I_Ci、W_Ci分别为第i个气候资源指标及其对应权重；I_Hj、W_Hj分别为第j个人类活动指标及其对应权重；I_Ek 、W_Ek分别为第k个生态环境状况指标及其对应权重，n、m、l为CR、HA、EE的指标个数。为消除各指标数据的数值及单位差异，采用归一化对各指标进行无量纲化处理。

1.4 数据来源及指标计算

本研究的数据主要涉及气象数据和社会经济统计数据，各项指标基于数据的可获得性以2008—2013年平均值表示当前水平。其中气温、湿度、降水、风速、日照时数等气象数据主要来源于中国气象局国家气象信息中心(http://data.cma.gov.cn)，空间范围为北京地区及环北京地区共162个气象站点的逐日观测数据。社会经济统计数据中，人口密度、人均绿地面积、人均废水排放量、人均废渣排放量、空气质量劣于2级的日数等来自北京市统计局、国家统计局北京调查总队编著的2008—2013年的《北京区域统计年鉴》^[15]；NDVI数据为遥感解译数据，来自中国科学院资源环境科学数据中心；大气环境容量数据来自国家气候中心，时间尺度为2008—2013年；北京市城市热岛强度数据来自北京市气候中心遥感应用室，为2013年北京地区热岛强度分布^[16]。所有气象数据采用澳大利亚AUSPLIN软件样条插值法插值至空间分辨率1 km×1 km的栅格数据；大气环境容量数据、NDVI数据和城市热岛数据均采用ArcGIS软件重采样到1 km分辨率的栅格数据，与气象数据匹配；社会经济数据则以区县为单位转成空间数据。

其中气候资源评估中的3项复合指标及大气环境容量的计算方法如下：

(1) 温湿指数及风效指数

根据《人居环境气候舒适度评价》(GB/T 27963—2011)标准^[17]，采用“温湿指数”和“风效指数”计算研究区居住环境舒适度的气候评价指标。其中夏半年用温湿指数评估气候适宜性，冬半年用风效指数评估气候适宜性。温湿指数(I)和风效指数(K)的计算公式见参考文献[17]。

(2) 气候生产潜力

气候生产潜力是指一个地区光、温、水等要素的数量及其配合协调程度。本文采用Thomthwaite Memorial模型计算气候生产潜力，该模型以实际蒸散量为变量，综合了光、温、水等气候因子，是代表性较强的综合气候指标^[18]。

(3) 大气环境容量

大气环境容量(A)表征区域大气环境所能承纳污染物的最大能力，考虑通风和雨洗的共同作用，其单位为10⁴ km²/a^[19]。

2 结果分析 2.1 气候承载力及其构成要素的空间分布

北京地区的气候承载力空间格局如图 1(a)所示，各区县的气候承载力指数(I_CCC)在0.24~2.24之间变化。其中，延庆县、密云县、昌平区的I_CCC值较高，表明这几个区县的气候承载力相对较高；而东城区、西城区、石景山区、顺义区、房山区、丰台区的气候承载力则相对较差，平谷区、海淀区、通州区、大兴区的气候承载力居中。此外，怀柔区、门头沟区及延庆县的气候承载力空间分布差异性较大，其中怀柔北部地区气候承载力差于南部地区，门头沟的东部地区的气候承载力优于西部地区。

就气候资源而言(图 1b)，北京地区I_CR在0.11~0.88之间变化，总体上表现为城区气候资源条件优于郊区，西北部地区气候条件较东南部地区差。其中，怀柔北部气候条件最劣；延庆县及门头沟区气候条件整体欠佳，中心城区及南部大兴区气候条件相对较好。人类活动强度在一定程度上也反映了社会经济发展的水平，从评估结果来看(图 1c)，北京地区人类活动强度有显著的区位差别，I_HA以中心城区大，周边郊区县相对较小，区域内人类活动强度指数在0.08~0.75之间变化，其中以东城、西城、石景山区I_HA最高，密云县和延庆县的人类活动指数显著低于其他区县。北京地区的I_EE变化区间为0.24~0.98 (图 1d)，整体上表现为西北部地区较好，东南部地区较差，中心城区最差；其中门头沟区、延庆县、怀柔区的生态环境状况较好，除了城六区之外，平谷、顺义、通州、大兴的生态环境状况较差，昌平和房山区的生态环境状况居中。

2.2 北京地区各区县气候承载力比较及区域差异性分析

北京地区各区县平均气候承载力总体是城区低于郊区，其中延庆的平均气候承载力最高(I_CCC=1.21)，表明气候承载力空间最大(图 2a)，但区域内差异也是最大，STD=0.36 (表 2)，西南地区气候承载力较强；在郊区县中，顺义区的气候承载力最弱，I_CCC=0.56，并且区域差异也最小，STD=0.05，说明顺义区的气候承载力普遍比较低。在城六区中，西城的平均气候承载力最低（I_CCC=0.42)，区域差异也很小（STD=0.02)，表明区域整体气候承载力较低，且内部的差异不大。城六区中海淀区的气候承载力相对最好，I_CCC=0.72，STD=0.08；朝阳、丰台、石景山区的气候承载力在城六区中居中，其均值都低于0.60。综合要素层及指标层来看，怀柔北部、延庆东北部及门头沟中西部地区的气候承载力主要受气候资源的限制，其中怀柔地区主要受限因素为年均降水和年均气温，温湿指数和风效指数较低，相对较冷，在人类活动要素上，该地区的污水排放量也较大；该区污水排放量较大；而门头沟区中西部和延庆县的东北部则是因为降水偏少，气候要素的配合状况不好，温湿指数和风效指数都相对较低。城六区及房山等地则主要受人类活动强度及生态环境要素的限制，对东城、西城、海淀、朝阳区而言，突出表现为人口密度大，人均绿地面积少，生产生活的排污量高；而石景山区则是空气质量较差，空气质量劣于2级的天数较多；房山区则主要受空气质量和人均能耗的影响。总体上，郊区区县的气候承载力空间差异性较大，主要是由于这些近郊区县的气候条件以及生态环境的空间差异性所致。

从要素层指数及区域差异性来看，气候资源指数城区显著优于郊区县，并且城区的差异性小于郊区县(图 2b)。城六区的气候资源指数变化不大，均值介于0.77~0.84，而郊区县的气候资源指数变化范围较大，变动范围为0.34~0.80，其中延庆县和怀柔区的差异性较大，顺义区和平谷县的差异较小。从指标层面分析，延庆县及怀柔区平均降水、年均气温及气候生产潜力均较低，其中怀柔区的风效指数较差，表明气候条件较为寒冷，气候宜居性相对较差。

北京地区各区县人类活动强度指数也表现为城区高于郊区县(图 2c)，最高的西城区人类活动强度指数是最低的延庆县的3倍。东城、西城区的人类活动强度指数最大，I_HA均值在0.70以上，石景山、丰台、房山、顺义次之，延庆、密云的人类活动强度最小。从指标层面分析，东城、西城及丰台区主要受废水、废渣排放量大的影响，加之高度密集的人口及高强度的热岛效应等因素作用，导致这些地区的人类活动强度较大；石景山区则由于大气空气质量较差，人口密度较大且污水排量较多而导致其人类活动强度大；房山区和顺义区的突出因素则为人均能耗较大，此外房山区的空气质量也较差。

从生态环境状况要素层来看，整体上IEE均值城区低，郊区县高(图 2d)。相比较而言，城区的I_EE差异性小于郊区区县。在郊区县中，顺义、大兴、通州、平谷的生态环境状况较差，怀柔、延庆、门头沟3个区县的总体生态环境状况较好。城六区中海淀和石景山区的生态环境状况相对较好，但区域差异性较大。分析其具体构成指标可知，城六区以及顺义、大兴区主要影响因素为人均绿地面积较少，且城六区的植被生长状况较差；平谷区则主要受大气环境容量较低的影响；怀柔及延庆北部植被覆盖程度高，植被生长状况好，因而总体的生态环境状况在北京地区表现最佳。

3 结论与讨论

本文评估人类活动影响下北京地区气候承载力的空间分布，解析不同区县气候承载力的相对水平及其制约因子，可为缓解北京地区未来的社会经济发展与资源环境之间的矛盾、保障城市良性协调发展以及气候变化适应规划提供参考。主要结论如下。

(1) 北京地区气候承载力指数(I_CCC)在0.24~2.24之间变化，其中延庆县、密云县、昌平区的气候承载力较高，东城区、西城区、顺义区、石景山区、丰台区、房山区、朝阳区的气候承载力则相对较差，大兴区、海淀区、怀柔区、门头沟区、平谷区、通州区居中。

(2) 在各行政区县内部的空间差异性上，东城区、西城区、丰台区、顺义区、朝阳区的气候承载力空间差异性较小；而延庆县、怀柔区、门头沟区等郊区区县的气候承载力空间差异性较大，主要是由这些区县的气候条件及生态环境的差异性所致。

(3) 北京地区的气候资源条件总体上表现为城区优于郊区，其中西北地区气候资源条件较东南部地区差，其中又以怀柔北部气候条件最劣，主要是水热资源不足，延庆县及门头沟区气候资源条件整体不佳，城中心区及大兴地区相对较好。

(4) 北京地区人类活动强度有显著的区位差别，中心城区大，周边郊区县小。其中，东城区、西城区的人类活动强度最大，石景山区、房山区、丰台区、顺义区、延庆县和密云县的人类活动强度最小。东城、西城及丰台区主要受废水、废渣量排放大的影响，且人口密度高和热岛效应强；石景山区则由于大气空气质量较差，人口密度较大且污水排量较多；房山区和顺义区突出的因素则为人均能耗较大。

(5) 北京地区生态环境状况以西北部地区较好，东南部地区较差，中心城区最差。具体而言，怀柔区、延庆县、门头沟区的总体生态环境状况较好，而城六区及通州、顺义、大兴、平谷区的生态环境状况较差，主要原因为人均绿地面积较少，且植被生长状况较差。

城市气候系统属于城市生态系统的一部分，它与外界有着活跃的能量和信息交换，加之城市的协调发展不仅取决于自然资源的供给，还受政治、经济、文化及其他重大决策的影响，即人为调控的影响，特别是像北京这样的超级大城市。因而城市地区气候系统的承载能力也应该是动态的，且受人类活动的影响更为显著。如何充分考虑人类活动的影响，明确和量化气候资源利用与社会经济发展的规模或强度之间的关系在城市地区气候承载力评估中尤为重要^[20]。而实际上，由于对气候资源和社会经济发展之间相互作用的复杂关系认识不足，评估中难以用某些特定指标来量化气候承载力对社会经济发展的规模或强度的确切阈值^[21]。另一方面，目前还比较缺乏对城市地区气候承载力相关的重大决策实施效果的监测评估数据，导致对气候承载力的动态变化及其机理认识不够。正是由于气候承载力的这种动态性和模糊性，对气候承载力的评估指标的选择很难完备齐全，对这一复杂系统问题的分析也是困难的。本文构建的人类活动影响下的北京地区气候承载力评估指标体系及指标选择是对气候承载力的概念和内涵理解的基础上开始的探索性尝试，考虑了人类活动对城市气候系统可能的影响，结合数据的可获得性，在指标的选择上尽量明确、简化，但仍有不足之处，如没有考虑极端气候事件的影响，结果可能会有所低估，加之没有长时间序列的评估结果作为参考，难以界定合适的承载阈值，给出的结果是相对的承载能力，而非绝对承载力。此外，在复杂的城市地区开展气候承载力评估，还需根据不同的主体功能区划、区位特点及其发展定位等因素，考虑不同的评价指标或指标权重的差异，从而得到更合理的评估结果。

致谢：感谢北京市刘勇洪研究员提供了北京地区城市热岛数据。