城市空间形状与碳排放强度的相关性研究时间： 2015-09-25信息来源：王志远 陈祖展 郑伯红 作者：wl_admin 责编：
【摘要】城市空间由于受地形地貌的影响，各个城市表现出不同的形状特征。城市空间形状可以从交通通勤、建筑布局等方面影响碳排放。因此，不同的城市空间形状有着不同的碳排放强度。研究首先基于Boyce-Clark方法对我国35个城市(直辖市、省会及副省级城市)2000年和2009年建成区形状指数进行测算;再采用碳排放计算模型对35个城市建成区碳排放量进行计算，得到单位建成区面积碳排放强度;最后利用Excel软件分析城市空间形状与碳排放强度的耦合关系。根据两者相关性，提出低碳排放目标下的城市空间形状发展建议。
【关键词】城市空间形状;碳排放强度;相关性;发展建议;中国35个城市
相关研究表明，城市空间形状与碳排放存在着一定的相关性[1-4]。不同的城市空间形状有着不同的生态环境和碳排放效率。因此，定量测度城市空间形状特征及时空变化、碳排放特征及时空变化是非常有意义的，尤其是利用城市空间形状指数测算空间形态结构与碳排放的关系，研究不同的城市空间形状与碳排放强度之间可能存在的关联将更有现实意义，这不仅能揭示城市碳排放的特征，找到有利于碳减排的合理城市空间形状，直接为低碳城市规划的空间控制提供依据，为构建可持续发展的低碳城市模式和低碳城市规划体系提供参考。
1 样本选取、研究方法与数据来源
为使研究更具代表性和实证指导性，研究未采用空间形状模拟计算的方法，而是以我国35个城市为样本，因为这些城市表现出不同的空间形状，基本覆盖了空间形状的各种类型。
研究首先基于Boyce. Clark方法对我国35个城市(直辖市、省会及副省级城市)2000年和2009年建成区形状指数进行测算;再利用碳排放计算模型，对各市碳排放量进行计算，得到单位建成区面积碳排放强度;最后利用Excel软件分析城市空间形状与碳排放强度的耦合关系。
各城市建成区面积、人口数、人均GDP、单位GDP能耗根据《中国城市统计年鉴》(2001、2010)整理计算得出。碳排放模型计算所需的建成区人口数按市辖区人口的80%计算，计算公式为：建成区人口=市辖区人口×80%;人均GDP按市辖区人均水平，计算公式为：人均GDP=市辖区GDP/市辖区人口;单位GDP能耗由于缺少部分统计数据，各城市均采用所在省的平均指标，计算公式为：单位GDP能耗=能源消费总量/GDP，根据中国能源统计年鉴中数据计算得出。
2 城市空间形状特征及其时空变化
2.1 城市空间形状的形状指数
对城市空间形状定量测度方法有多种，包括Boyce和Clark在1964年提出的半径形状指数[5]，Moellering和Rayner利用傅里叶变换方法计算图形的形状指数[6]，Medda和Nijkamp等基于形状要素功能(shape membership function)测算形状指数的方法[7]等，这些方法各有特点，但根据现有研究成果，大多认为Boyce-Clark形状指数方法①测算结果较其他方法准确，能够更好地反映城市形状的轮廓特征。
城市空间形状不同具有不一样的形状指数。根据王新生等人的研究成果，利用Boyce. Clark方法计算15种标准图形(图1)的形状指数(取n=32)，其结果为：最紧凑的形状圆形有最小的形状指数值0.000，较紧凑的形状正八边形(形状指数约2.000)、菱形(9.656)、正四边形(9.658)次之，接下来依次是紧凑性较差的方状矩形(约30.000)和具有凹凸特征的星形(34.852)、H形(49.706)、长条矩形(59.880)、X形(66.366)以及带状矩形(90.851)和线状矩形(约100.000)等，直线的形状指数最高，达到187.500[8]。
2.2 基于Boyce-Clark方法测度的我国35个城市形状特征及时空变化
选定我国35个城市作为研究对象，对它们分别进行形状指数测算。所使用的图形数据通过Goolgeearth遥感影像图提取，经过图片加工处理，得到各市建成区的空间平面轮廓示意图(图2，图3)。
根据表2、图4可看出，各城市2000年到2009年建成区面积都有不同程度的增大。其中，增长较为明显的有北京、重庆、南京、广州、深圳等城市。
根据2000年和2009年各城市建成区的空间平面轮廓和建成区面积，利用Boyce-Clark形状指数方法，测算得到各城市的城市形状指数(表2)。
2000～2009年，35个城市中有20个城市建成区形状指数是下降的，15个城市形状指数是上升的，说明更多的城市形状发展更为规整紧凑，但也有部分城市随着城市新区开发建设，呈组团式多中心发展，城市形状更为零散，外延式扩张比较明显。
3 城市碳排放特征及其强度变化
3.1 计算模型
本研究采用中国科学院可持续发展战略研究组的碳排放模型对碳排放量进行计算，其是根据Kaya碳排放恒等式修改建立的适合中国国情的碳排放计算模型[9]。
改进后的计算模型为：
城市能耗碳排放主要来源于建筑、交通、工业生产等方面，求证不同能源使用与CO2排放量之间的关系，采用系数法公式表示如下：
其中：E为不同类型能源使用量，可按标准统一折算为标准煤;系数K为碳排放强度。在不同的技术水平，不同国家、地区及能源构成下，系数K值不同。在研究过程中，为简便繁琐折算，假定K值恒定。目前中国采用较多的“能源燃料折算标准煤后CO2排放系数”为2.42～2.72，这里采用燃烧1吨标准煤排放2.45吨CO2[10]。
城市CO2排放总量计算用人口总数、人均GDP指标、单位GDP产出的能耗量及CO2与能源的换算比(K)来获得，公式表示如下：CO2排放量=P×(GDP/P)×(E/GDP)×(CO2/E)
其中：P为城市人口数;E为能耗。
3.2 碳排放量计算及其强度变化
利用上述计算模型，对各城市2000年、2009年碳排放量进行计算，得出各城市碳排放量;再根据建成区面积计算得到单位土地面积碳排放强度(表1)。
通过表1和图5可以看出，2000～2009年，我国35个城市碳排放量随着社会经济发展，各城市CO2排放量都呈上升趋势;而建成区单位面积碳排放量有升有降，其中28个城市单位面积碳排放量是上升的，7个城市是下降的。这主要也与建成区面积扩张有关。
4 城市空间形状与碳排放强度的相关性分析
2000年和2009年35城市建成区的形状指数有20个是下降的，15个是上升的;而建成区单位面积碳排放量有28个城市是上升的，7个城市是下降的。
从表2和图6、图7可看出，2000～2009年35城市整体表现为城市空间形状指数下降，而单位土地面积碳排放量上升。说明城市空间形状发展越为规整紧凑，而城市单位面积碳排放量由于社会经济处于城市化、工业化中后期阶段，碳排放量呈上升趋势。
从2000年和2009年城市空间形状与碳排放强度的相关关系分析(图8、图9)可看出，城市空间形状指数与单位土地面积碳排放量表现出正线性相关对应关系，即城市空间形状指数越大，单位土地面积碳排放量越多，说明城市空间形态越不规整，单位土地面积碳排放量越大。因此，减小城市形状指数，规整紧凑型发展，对降低城市单位面积碳排放量具有重要意义。
5 低碳排放目标下的城市空间形状发展建议
5.1 减小城市空间形状指数，精明增长
城市空间形状与城市碳排放息息相关，减小城市空间形状指数是城市可持续发展理念下降低碳排放，实现精明增长的有效手段，可以提高城市空间资源的利用效率，达成空间能效的整体提升。主要包括三个方面策略：①城市结合地形地貌条件规整型开发;②城市高能效利用土地资源;③城市高能效构建与优化景观生态网络。
5.2 限定城市空间无序扩张，内涵型发展
通过提高土地混合利用(mixed land use)、城市旧区更新(urban revitalization)、棕地改造(brown field transformation)、景观生态格局(landscape ecological pattern)等与CO2减排相关的规划手段，应对城市气候变化的城镇建设用地空间无序扩张，优化城镇建设用地结构和布局，注重内涵型发展，避免高能耗、低效率的外延型发展。
5.3提高城市空间紧凑程度，集约发展
紧凑城市作为一种城市可持续发展理念，对我国城市化进程加快发展过程中解决用地紧张、资源环境矛盾突出等问题具有重要的指导意义。快速城市化时期城市空间应高效集约用地，谨防“摊大饼”，城市空间紧凑化发展。在城市分区层面完善城市社区功能，使社区功能复合化，多元化满足居民需要，减少居民的长距离出行的必要，以合理的步行距离为半径尺度设立社区综合服务中心。有利于减少城市通勤距离，从而减少能源消耗，降低碳排放。
【注释】
①Boyce-Clark形状指数方法(Boyce and Clark shape index method)的内涵是基于半径的测度，将研究城市的边界形状与标准圆形作对比，得到一个相对指数，也称为半径形状指数。其计算公式为：
式中：SBC是Boyce-Clark形状指数，n为图形内具有同等角度辐射半径的数量，ri是从图形的优势点(vantage point)到图形边缘的半径长度。其中城市形状的优势点可以是城市形状的形心(Centroidlabels)或者CBD中心。
【参考文献】
[1]Fong Wee-Kean. Hiroshi Matsumoto，Ho Chin-Siong，et al. Energy Consumption and Carbon Dioxide Emission Considera’ Gions In the Urban Ptanning Process in Malaysia[J].Journal of the Malaysian Institute of Planners，2008(6)：101-130.
[2]Ewing R，Rong F. The Impact of Urban Form on U. S. Residential Energy Use[J].Housing Policy Debate，2008，19(1)：1-30.
[3]吕斌.城市空间形态的环境绩效与低碳城市形成的规划路径[A]//中国地理学会.中国地理学会百年庆典学术论文摘要集[C].2009：85.
[4]周潮，刘科伟，陈宗兴.低碳城市空间结构发展模式研究[J].科技进步与对策，2010，27(22)：56-59.
[5]Boyce R R，Clark W A V. The concept of shape in geography[J].The Geographical Review，1964，54：561-572.
[6]Moellering H，Rayner J N. The dual axis Fourier shape analysis of closed cartographic forms[J].The Cartographic Journal，1982，19(1)：53-59.
[7]Medda F，Nijkamp P，Rietveld P. Recognition and classification of urban shapes[J].Geographical Analysis，1998，30(3)：304-314.
[8]王新生，刘纪远，庄大方，等.中国特大城市空间形态变化的时空特征[J].地理学报，2005，60(3)：392-400.
[9]中国科学院可持续发展战略研究组.2009中国可持续发展报告：探索中国特色的低碳道路[M].北京：科学出版社.2009：8-10.
[10]碳排放量的计算方法及与电的换算公式[EB/OL].中国节能产业网.