什么是城市自然地理学

有《中国科学报》记者看到我上次的博文《北京721暴雨间接暴露的中国科研问题》后，问我要当年的申请书。我想是否立项，可能有许多原因，不宜责怪任何人。拒绝给他，怕被人曲解。事后想一想，应该公开当时的立项学术内容的部分，供学者参考，让他们找到学术症结。这是一个学术综述吧。

当时，我不知道国外有没有“城市自然地理”的提法，这个词是我们从城市管理研究的角度提出的的。最初我随张丕远教授研究减灾管理，认识到城市自然地理条件对城市灾害影响极大，特别是全球变化条件下的城市自然地理与管理。因此我在我1993年出版的《地理科学导论》中，在《环境》一章列入《城市》一节，把城市灾害和城市自然地理结构写入。后来我兼任了华东师范大学地理系主任，当时是系为实体，要做实事，我与许世远教授探讨这个系的研究方向，许世远教授提出要研究城市的自然地理学。因为那时候的城市地理学只讲城市经济地理问题。后来在许世远老师的旗帜下，我们布局研究城市气候学（束炯）、城市水文地貌学（许世远等）、城市地球化学（刘敏、陈振楼）、城市可持续管理与信息技术（王铮），我还约请了中山大学周春山教授等从规划和土地利用角度一起研究。可能就因为“城市自然地理学”这个词是中国的“土词”，研究者都是些土鳖，也就没有得到有关部门的认可。许世远教授一直想组织一个城市自然地理学的系统研究，可惜我们这些当年相对年轻的人，只有跟随国际热点才能申请到课题，而只有申请到课题，才能生存。大家都谁都清楚，使用城市环境一词容易获得申请课题，但是“城市环境学”代替“城市自然地理学”，让我们的研究忽视基础科学问题研究，忽视了基本问题，研究起来巴不得吹糠见米，留下根本后患。日子反正一天一天在过，课题反正一个一个在做，我们都工作着。直到这次北京城市雨涝，我才发现还是我的前辈科学家许世远、张丕远提的城市自然地理学，抓在根本上。

现在，许世远教授在组织出版了一本《上海城市自然地理学地图集》后退休，我、束炯、陈振楼都负责了别的课题，很忙。今天，我把这些内容贴出来，主要是为了警世，让科学界重视城市自然地理学研究。我们不存在为自己炒作课题的必要，不过为天下黎民百姓炒一炒。在全球变化条件下，在中国快速城市化条件下，中国需要研究基础性的城市自然地理学。

附：2005年的申请书内容

城市是人类生存的基本环境，也是人类经济最为活跃的空间。近20年来，中国城市化进程加速，城市化带来了城市环境的变化、城市产业结构演化，同时也遭遇了资源环境的挑战。以上海、广州为例，在经过10多年的高速发展后，环境问题成为了经济发展与社会福利改善的障碍，城市空间经济结构的不合理性制约着城市的产业进步。许多学者认为21世纪中国的经济增长依赖于城市发展，而要保证城市发展就需要解决城市发展中的一系列科学问题，我国著名科学家黄秉维（1996）就认为城市可持续发展的基础是对城市的系统科学研究。凭心而论，上海市、广州市政府最近几年为解决城市环境、城市空间经济问题办了不少实事，特别是兴建了大量工程项目、出台了众多环境管理政策和城市土地利用控制规则。例如过去发生黑臭的苏州河、珠江广州段治理有了成效。然而由于人类与社会的相互作用，城市表现为复杂系统，形成人类生存与经济活动的复杂关系，可惜目前对城市的科学治理缺乏基础认识。这就意味着我们需要发展在认识城市系统的过程复杂性基础上的城市科学。对此，我们可以通过一些典型问题来认识。

城市发展的产生的第一问题是城市自然地理过程或者说城市环境过程。从自然地理角度看，城市聚集了大量的人口和产业作为地面热源，城市兴建了众多的高楼和交通干道，它们破坏了城市原来的大气环流的下垫面条件，城市发展日新月异地改变着原有水系和植被结构，所有这些，使得城市出现所谓“第二自然”。这个第二自然往往导致城市灾害增加、城市污染严重，如北京、成都去冬大雾天气增加、上海、日本以及东南亚城市去年夏季城市暴雨灾害和水污染、疾病增加等等。从机理上看，例如城市热岛环流增加了城市暴雨灾害和逆温层持续时间、阻滞了城市污染物扩散是基本起因。另外城市气候还经常发生复杂现象，例如城市的大气污染经常会产生突发性严重污染事件。1998年11月5日至11月15日的对上海环境地连续监测表明：这段时间污染十分严重，有些地区一天总悬浮颗粒物浓度可达1069g/ m³，超过目前国家3级标准2倍以上，出现了复杂性科学所谓“涌现”特征。同时城市工程带来了新的环境问题，目前的问题是对城市的简单的热岛环流理论上有所认识，但是相关的城市颗粒物的扩散、城市化学气候问题以及涉及地球化学过程的城市一般自然问题，都缺少理论，不能为城市发展中的环境问题提供科学解决方案。

城市发展的第二个是城市的空间经济过程。城市经济的发展带来了空间经济结构的演替，这种演替与城市环境交叉在一起导致城市过程更为复杂，使得问题显示出特有的城市特色而非一般经济问题。例如上海的发展中几期产业发展交织形成多商业带、工业带和居住带混合的替代，它们对城市就业、产业带布局、交通干道建设和设施布局增加了众多的困难。更为突出的是，以广州为例，由于高技术产业集群的发展，城市向东莞方向延伸，形成城市与城镇混杂的产业带，城市结构的对称性被破坏，城市结构出现更为复杂的演变特点。旧有的城市规划理论不能估计城市的发展方向，城市新的工业或者商业区出现了违背经典理论的聚集现象，使得城市规划与控制陷入盲目性。空间经济的发展还由于城市信息业、物流也兴起而提出了城市的新问题，例如城市信息化导致了高技术产业的集群，物流中心的布局，提出了具有算法复杂性的设施区位问题。

城市发展的第三个问题是城市的可持续发展问题。城市的可持续发展与一般可持续发展不同，我国城市越来越多地遭遇城市技术生命的挑战而显得更为急切。所谓城市技术生命，指的是城市主要的产业类型形成发展终结的过程。城市一般是作为工业化的产物发展起来的，由于专业化分工的存在，城市产业往往具有一定的技术色彩，在全国或者全球经济发展后，一方面因为技术进步、市场变化导致了城市旧有产业落后，另一方面由于资源环境供应不足，城市依赖于旧有资源环境的产业难于继续。例如，北京在1949年后开始建设生产城市，发展了大型钢铁工业、石化工业，但是最近几年水资源的紧缺已经使这种城市性质开始终结，首钢的搬迁成为了北京的一个大问题。又如上海，在经过10多年的高速发展后，主要由于产业发展带来了上海水环境的污染，联合国已经把上海列入21世界上叶世界未来7个严重缺水的城市。新近我们的研究表明，到2010年上海城市的水质性缺水将使上海经济增长率降低到3%以下，如果污染不治理、产业结构不调整，到2030年，上海的经济增长将因为水质性缺水而停止，上海的目前的制造业中心单位将会崩溃。

在科学上看，这里的问题难于解决，首先是对城市环境的复杂性认识不足，但是，对城市环境信息处理是困难也是一个原因。在城市发展中，人类已经获取了大量环境、空间经济数据，然而由于城市数据的多维性、城市信息的复杂性，目前还缺乏对城市信息分析的特有方法，在技术方面，不得不利用了一些简单技术来认识城市时空信息，这就大大削弱解决城市发展问题的能力。本项目目的之一在于结合城市系统的复杂性研究，发展具有复杂性特征的信息分析方法，在技术上丰富城市科学。

总之，本项目计划研究的以城市时空复杂性为核心的城市自然地理过程、城市空间经济过程的基本科学问题，特别是根据我国城市发展出现和可能出现的问题，认识城市自然地理环境特别是城市“第二自然”的复杂性，认识城市城市空间经济结构演化和城市技术生命为核心的可持续发展问题的复杂性的动态演变规律，并且发展从城市发展数据认识这种规律的信息分析方法。项目的成功，对我国制定城市发展战略实行统筹城乡发展的科学发展观发展道路，具有重大意义，同时也借助我国城市类型多、发展快的地缘优势，在国际上领先发展了城市科学，形成学术高地。在应用方面，参与解决北京、上海、广州、深圳等社会经济发展中的环境问题、空间经济问题，为政府提供环境、经济决策支持的科学基础。按照科学发展观，我们要建立和谐社会，也就需要和谐城市。科学技术是第一生产力，和谐城市的建立，必须通过建立科学理论来完成，因此建立高层次的为城市规划、城市管理和发展服务的城市科学是一种国家需求。

城市时空过程是一类复杂过程，它复合了物理、化学、生物、地学、经济、人口机制，它们构成了城市管理的复杂对象，在过去的10年中，这项研究在国际上日益成为热点问题。。

城市自然地理的第一个内容是城市气候。在国际上，城市物理气候的研究已经成熟，但是城市物理气候与污染物相互作用导致城市环境污染的问题，仍然有许多问题。1990年代后期以来，作为城市大气污染问题基础理论之一的城市生物-化学气候学的已经成为了国际热点方向（Desthali，1999，Mertens，2000, Betts， 2001）。在其内容方面，城市气候在对城市大气颗粒物物理行为了解后，出现了城市清洁行动（Fenger，1999）。新的研究工作主要集中到城市PM10-PM2.5大气颗粒物在不同地理环境单元的扩散污染行为和形态特征，试图找出城市局部下垫面与颗粒大小和成分的关系 (Hazi, Heikkinen, Cohen,2003, Lestari, Oskouie, Noll,2003, Eberta, Weinbruch，et al ,2004, Boreson, Dillner， Peccia，2004， Querola, Alastuey,et al, 2004, Mouli, Mohan, Reddy,2005)。其原理是城市热力地域单元、湿度单元对城市气候影响不一样，结构城市环流结构也发生改变，从而引起大气颗粒物运动差异（Wierzbicka，A. et al ,2005,Grntoft, Henriksen  Seip，,2004,。目前这种工作为许多都市所重视，在欧美国家这项工作在全面展开（Ueda，et al，2000，Didyk，et al，2000,  Bari et al， 2003, Villasenor，et al ,2003, Grutter, Flores2004，Hanninen, et al ，2004）。更早，美国甚至提出了一个国家行动计划（Lamb， Bowersox，2000）。另一方面，城市气候与污染物行为的耦合机制模拟研究成为了重点领域，以期解决类似上海“热岛-凉岛交替出现严重污染天气”，多种化学成分复合在城市扩散的时空变化和不确定性问题之类的复杂性的问题Colvile,et at, 2003, Lewis, Klouda, Ellenson,2004, Duran, Carmona, Monteagudo，2004 )。在应用方面，发展很快，例如Rothmasted对气象条件与城市大气中NOx关系的研究（Hargreaves，2000）， Atlanda对盛夏城市热岛诱发的雷暴与污染天气的研究工作（Bornstein， Lin，2000），日本开展的城市交通对城市污染气候敏感性的研究（Kioutsioukis, et al ,2004），Philadelphia开展的城市热分布与颗粒物污染物关系的模拟（Fan, ，Sailor，2005）。经过几年发展后，目前，已经发展起了分析城市化学气候机制，可计算城市大气环境污染行为的计算模型，如在洛杉矶大气环境的PM10分析中SAFER（Kim，Henry，2000）和新近开展的城市化学气候分析软件包CHEMATA （Frank ，2005， Junier, Kirchner, et al, 2005）。目前我国在这方面的研究还处于起点阶段，例如束炯、乐群开展了城市的能见度模拟研究。

城市自然地理的第二个问题是城市水文地貌过程。这个过程与城市持续性的环境污染类型在一起，因此更受重视。在我国一般认为在治理点污染有效后的地区，非点源污染是导致水污染严重的起因（杨爱铃，朱颜明，1999）。在国际上继单一水质-水动力学模型成熟后，对复杂地理条件中水流的相互作用及水污染控制问题的究兴起，涉及分散点源污染、面污染（Hendtry，Wassenaar，1999，Ferrari， et al， 1999）和暴雨面污染的水质控制（Guo， Adams，1999），并把这种污染过程与自然地理界面过程联系起来，例如，Sidle， Lee （1999）通过同位素追踪对城市暴雨下渗径流研究，Rodriguez-Iturbe et al（1999）对植被-气候-土壤系统水行为的研究。在新的发展中，对污染水的控制成为了主体，例如墨西哥城对城市废水自然处理（natural treatment）用于灌溉的可能性和有效性的研究（Downs，2000），寻找不可渗透层以指导城市水系优化设计（Ahmadi，1999），国外普遍出现城市河网优化设计（Whitly, Hromadk, 1999, Ahmadi, 1999）的工作。实际上城市河网优化问题，还涉及到城市减灾、城市休闲的多方面问题，为了完成多环境控制与河网设计，许多基础研究得到加强，如Cui et al（1999），Peckham，Gupta（1999）对河网不确定性和自相似等复杂性特征的研究。在中国，上海普陀区已经向我们提出了设计本区河网的问题。

另一方面，继单一水质-水动力学模型成熟后，对复杂地理条件中水流的相互作用及水污染控制问题的研究兴起，涉及分散点源污染、面污染（Hendtry，Wassenaar，1999，Ferrari， et al， 1999）和暴雨面污染的水质控制（Guo， Adams，1999），并把这种污染过程与自然地理界面过程联系起来，例如，Sidle， Lee （1999）通过同位素追踪对城市暴雨下渗径流研究，Rodriguez-Iturbe et al（1999）对植被-气候-土壤系统水行为的研究。

城市自然地理过程城市工程带来的环境问题，实际上也出现在其他国际都市，因此1990年代后期以来，对城市发展环境行为的研究成为了城市环境研究的热点，从自然地理学角度看，这些研究集中在城市工程作为自然（physical）客体对环境发生作用。诸如，巴黎、Huddersfield对城市干道河流污染行为的研究（Touaty，Bonsang，2000）。在北美，企业的布局被与城市环境问题紧密的结合起来考虑是最流行的趋势（Barrades，et al，1999，Gelinas，et al， 2000）。在理论研究方面，开展了典型城市建筑格局与城市污染的复杂性、城市绿地与污染物扩散的复杂性研究（Theurer，1999，Kuttler，Strassburger，1999）这种研究已经超越了1990年代初期对城市街谷风的研究，表现为对基础科学问题的重视而不是仅仅把问题归结为城市规划问题（Mertens，1999，Pearlmutter，et al，1999 ，Scherer，et al，1999）。

在国内我们的研究力图结合城市自然地理内容为一体，例如华东师大研究了城市热力场变化对颗粒污染物扩散的作用（图1），进而可以实现能见度预报。研究了上海市中心城区降水径流的污染负荷变化蒋海燕，刘敏等. 2002，王和意，刘敏. 2003）。通过对城市暴雨径流的初始冲刷的研究发现，不同的功能区和不同的污染指标其初始冲刷的强弱存在有很大的区别（图2）。

城市地理过程的另外一面是城市空间经济过程。在景观结构方面，城市的空间经济过程目前突出的有二个问题：第一是城市的土地利用模式的演变导致的生态风险。这种经济驱动下的城市景观变化，被称为复杂景观（Krugman,  1994.）……第二个问题是伴随城市物流、救援和城市信息化出现的交通网路配置、通信中心配置和设施区位配置问题（Van Dender，2004， Church, Gerrard, 2003, De Palma, Lindsey ,  1998）。其中设施区位（Facility Location）问题是涉及计算复杂性的区位问题。……

……

3 主要研究内容的学术思想、技术途径与国内外比较

     城市自然地理系统动力学

基本学术思想：

本课题认为城市自然地理过程是耦合的、混杂的。以自然地理角度为中心我们可以从局部地理环境的热力学性质、水文性质对地球化学过程的影响到宏观的大气水体运动角度来认识具有第二自然特征的城市自然地理时空过程复杂性，全面地考察城市自然地理动力学规律。在这里混杂系统的概念是主要的它强调了不同层次的机理复合。研究重点考察城市化学气候学机制及城市水土气环境与污染物耦合的环节、城市河网非点源污染迁移转化速率和机制，从而纲举目张地认识城市自然地理过程，并且作为全面认识城市环境信息分析与城市环境工程影响分析的基础。

^......。

与国内研究比较：

本项目研究完全是全新的，国内对城市环境地研究多数局限在对城市环境点源污染物扩散过程的分析上，上海、北京等开展了城市气候、城市水文的现象学分析，未能从本质上认识复杂环境或者说环境的复杂性。对颗粒物化学气候及其污染影响，对天津有所研究，但分析模型基本上是统计学水平的。对城市环境中地貌-水文-土壤系统中迁移转化过程还未见开始。本项研究这种对象的机制，同时引进复杂性科学观点，有助于全面深入认识城市环境过程。

与国际研究比较：

在国内外研究进展中我们已经看到，国际上的研究基本上是从纯环境学角度的。本项目强调从自然地理学角度整合，从而重视城市环境过程的全局性、耦合性、复杂性构成的自然地理时空规律，这种思想在国际上是领先的。在技术上，项目较多采用混杂系统的模式和数值模拟从而完成微观环境行为与宏观环境现象的分析联系，这种研究与国际上的一些研究基本一致，因此本课题的技术模式在国际上是先进的。