空氣污染與規劃治理—德國斯圖加特都市氣候地圖

文:一心

 

2015年一部以霧霾為主題的影片《穹頂之下》引起大眾關注北京空汙問題,女記者柴靜自行追蹤空氣污染的可能來源與影響,影片發表後估計超過三億人觀看。這兩三年,台灣人們對於空氣污染的課題亦越來越重視,今年9月到12月在中南部就舉辦多起空汙論壇與遊行倡議,另外強調民眾可自己製作監控空氣品質的「空氣盒子」也是重要的民間行動之一(空氣盒子推手:空氣變髒了,難道沒有辦法嗎?)。

眼底城事在12月推出「給我一口好空氣」專題嘗試將空氣污染與空間規劃進行討論,其中在「環境觀察:呼吸裡的政治經濟學」一文中,運用開放資料分析各國經濟發展與空汙狀況的相互關係,屬於中度發展國家的空氣污染較為嚴重,延伸思考產業快速發展的背後所必須犧牲的環境代價。

本文以德國斯圖加特為案例作為反思。這座以製造業為發展根基的城市,非常重視氣候與空間規劃兩者交互關係,從觀測、政策制定、到土地管制,並且制訂斯圖加特「都市氣候地圖」,做為改善空氣污染、熱島效應等議題的重要基礎。

「都市氣候地圖」主要被整合為兩類圖資,第一類是「氣候現況分析圖」,包括熱環境分析、風環境分析、確認空氣污染區域等,其中空氣污染區域必須標註污染源與受污染影響的區域。第二類則是將前項氣候現況分析圖資轉譯為「都市氣候規劃建議圖」,重點是標註出氣候問題所在區域及敏感區域,以及為了改善氣候問題區域所進一步規範的土地利用管制策略。


斯圖加特從1970年代的霧都,現在轉身成為養生度假聖地
(照片來源:© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie

 

透過都市氣候地圖正視空污問題

斯圖加特位於德國西南部,是德國第六大城市,核心城區座落在山谷內,早期產業發展以汽車產業為主,包括戴姆勒、保時捷、Bosch的企業總部都設在此;在1970年代以製造業為主,因工業製造與車輛排放廢氣,加上斯圖加特的山谷地形讓空氣不易流通,造成嚴重的空氣污染。另外,斯圖加特夏天溫度均溫為25°C,溫度雖不高,但卻因市中心平均風速低(為1.5m/s註1),加上地形特徵讓夏季通風不佳,進而造成市中心熱島效應,歷史高溫曾經到達40.8°C。斯圖加特因盆地地形,同時面臨髒空氣滯留與夏季熱島效應雙重問題。

註1:0~1.5 m/s在風速等級上屬1級,屬於無風狀況;中央氣象局發布的強風特報,通常是6級風以上,其風速為10.8 -13.8m/s;而風速通常要到3級風左右,人才會剛始有感到徐徐微風的感受,3級風的風速約為3.4 -5.4m/s。所以對於一個區域來說,若平均風速可達3m/s以上,其風環境條件屬宜人。

斯圖加特在1938年就開始重視氣候研究,當時市議會決定聘請一位氣候學家負責分析,開始了氣候分析與城市發展的聯繫。在1940年代左右斯圖加特已經開始進行測量和分析城市空氣環境與質量,並逐漸加入對空氣污染物排放和噪音的監控與管制。但歐洲空氣污染問題隨著工業發展而在1960年代漸趨嚴重,至1980年代德國的重工業魯爾區,曾經因為空氣污染引發霧霾事件,如在1979年1月、1982年1月、1985年1月17~21日的二氧化硫濃度高達600ug/m3

當時,在空氣污染威脅下,除了控制工業生產產生的污染源外,氣候地圖的研究主要在於提出透過局部地區空氣流動的作法,讓冷空氣得以流動,減緩因風速低而造成的熱島加劇或空汙滯留的現象,這些研究在1970年代開始建立基本原則,並推翻了1950~1960年代利用盛行風的傳統思路,而開始重視局部地區冷空氣環流的理論模型,進行城區降溫與污染物排除,並逐步驗證其有效性註2

註2:德國城市氣候地圖發展及其規劃引導作用衍化,劉姝宇、宋代風、王紹森,國際城市規劃,2015,30(3):84-90。


斯圖加特衛星地圖,白色框線為都市週邊山坡地區域
(圖片來源:Rahmenplan Halbhöhenlagen 2008)

 

製作屬於斯圖加特的氣候地圖,並提出空間規劃管制內容

斯圖加特憑藉著累積幾十年的氣候研究基礎上,環保局都市氣候研究所在在1992年製作第一版本《斯圖加特聯盟氣候圖輯》,並於2008年制定大斯圖加特區域的都市氣候地圖,涵蓋了176個市鎮,範圍為3,654平方公里(相當於台灣島嶼面積的1/10),空間尺度從大尺度(1:20000)到中尺度(1:5000)。在2008年大斯圖加特的氣候地圖成果中包括熱環境圖、冷空氣產生和流通、區域環境氣候分布圖、以及區域環境氣候規劃建議圖。從氣候分析資料上瞭解冷空氣來源、風向、污染空氣走向,進而在規劃圖上指認空汙嚴重地區與對於空汙改善具有重要性的開放空間。


2008年版大斯圖加特區域都市氣候分析圖
(資料來源:© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie)
圖例說明:
・左側由上至下:鐵路與相關設施、工業、商業、市中心、密集發展區、郊區、花園市鎮、開放空間
・中間由上至下:森林、空地、水體;冷空氣產生區域、冷空氣聚集區域、冷空氣滯留區域、地表逆溫層、風玫瑰圖
・右側由上至下:山谷風走向、下行山坡風、潔淨空氣的通風廊道、受污染空氣的風廊道;交通廢氣與噪音最高的道路、交通廢氣與噪音次高的道路、交通廢氣與噪音高的道路、工業污染源、家用燃料污染源


2008年版大斯圖加特區域都市氣候規劃圖
(資料來源:© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie)
圖例說明:
・左側由上至下:對空氣影響度較高的開放空間、對空氣影響度高的開放空間、對空氣影響度較低的開放空間;對空氣品質影響較低的建成區域、對空氣品質影響低的建成區域、對空氣品質影響較高的建成區域、對空氣品質影響嚴重的建成區域
・右側由上至下:交通廢氣與噪音最高的道路、交通廢氣與噪音次高的道路、交通廢氣與噪音高的道路


2008年版大斯圖加特區域都市氣候地圖片段
(資料來源:德國城市氣候地圖發展及其規劃引導作用衍化,劉姝宇、宋代風、王紹森,國際城市規劃,2015,30(3):84-90。)

 

經過上述大尺度與中尺度的分析後,再進一步針對局部空間進行檢討,為保護乾淨的冷空氣可以進入市區進行換氣,斯圖加特的都市氣候地圖中特別標示出冷空氣聚集的區域,隨後規劃師再依此檢討小尺度空間,若屬於冷空氣廊道重要區域,將會更改土地利用,將該區域的用地類型由可建造區域改為綠地;或者明定部分地區的建築物量體應該縮小,避免阻擋冷空氣流動。


斯圖加特市氣候規劃圖將工業用地轉為綠地
(資料來源:城市環境氣候圖的發展及其應用現狀,任超、吳恩融、Katzschner Lutz、馮志雄,應用氣象學報第23卷第5期,2012年10月)
(c)原訂土地使用規劃圖(d)修改後的土地使用規劃圖(e)冷空氣輸送廊道

 

斯圖加特市從氣候分析應用到空間規劃,在規劃決策過程中重視以下幾個部分:

  1. 確保冷空氣來源。針對冷空氣風廊道空間劃設為「通風廊道」,只要在通風廊道上的土地,將透過土地管制的方式限制開發行為或量體規模,例如從工業用地轉變為開放空間,或者尚未開發之土地確保其永久不被開發,進而確保全市冷空氣來源。而冷空氣流動與空氣污染的相互關係可從下圖看出,下圖為2004年斯圖加特市中心車站區域的風速與污染物疊合分析,當風速(黑色線條)低於1.5m/s時,PM10(紅色柱狀)與二氧化氮(藍色線)的濃度就會提高,反之則低。

    2004年斯圖加特市中心車站地區的空氣微粒與風速狀況
    (資料來源:© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie

  2. 擴大綠化植栽面積並盡可能保護綠化空地。自1986年開始就補助私人房屋屋頂綠化更新,過去二十年已有90,000平方公尺的屋頂綠化面積。且重視建築週邊綠化促進空氣交換,以及降低熱負荷。
  3. 提出山坡地區規劃原則。由於斯圖加特市四周圍山體所圍繞,屬於山谷盆地地形,因此周邊山坡地對於為市區提供冷空氣流動有關鍵的角色,為了避免建築開發阻擋通風廊道,2007年由規劃局處與環保局制定了《山坡地區規劃原則》,將山坡地區分為「管制區一」與「管制區二」。「管制區一」包括冷空氣流動區域與綠化網絡,此區管制較為嚴格,建築興建必須滿足高品質的空氣流通、綠化與景觀融合等要求,建築計畫必須通過審查;「管制區二」大部分為已開發區域,但考量對於空氣影響,新開發項目不得破壞空氣品質、綠化。另外本計畫並指認部分敏感地區(紫色色塊)因位處重要冷空氣流動區域,而改變土地使用管制內容。

    斯圖加特山坡地區規劃原則(圖片來源:Rahmenplan Halbhöhenlagen 2008)
    圖例說明:
    管制區1
    -冷空氣流動區域
    -綠化網絡
    管制區2
    -對氣候影響大
    -對氣候影響中等
    針對敏感地區主動改變土管的區域

  4. 重視民眾知情權。斯圖加特政府在減緩空汙政策上一直都很重視與民眾的溝通,其作法包括部分工作人員定期在大學或技職學校授課,並推出互動式的電子都市環境氣候圖集《斯圖加特21計畫DVD》,其中包括市中心車站地區約100平方公里區域的重要氣候數據、局部地區新鮮空氣流動的走向、道路污染狀況等信息,使用者可以自行開關相關訊息。另外,亦可透過網路的斯圖加特城市氣候網站進行查詢,網站上已有氣候資訊、空氣流動方向、噪音地圖、車流污染等,並且可依據需求分層開關。因此,政府將深厚的氣候分析資料轉為易讀的開放資訊系統,讓一般民眾或相關從業人員輕易掌握資訊,達到一起維護空氣品質的目的。


斯圖加特21計畫DVD可看出局部地區冷空氣系統的前進和或後退軌跡
(圖片來源:https://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?klima_dvd_s21


斯圖加特21計畫DVD
(圖片來源:
https://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?klima_dvd_s21

 

這場空汙戰爭仍在持續中

斯圖加特政府部門從1938年即開始研究,到1990年代開始累積氣候地圖的分析工作,並透過空間規劃管制的手法嘗試讓都市核心保有冷空氣源。從下面兩張表格中顯示斯圖加特從2004年到2016年的二氧化氮與PM10超過標準值的全年時數大幅下降。

但經由氣候監測資料統計數據還是可以看出在某些地區,尤其是車流量較大的區域,其pm10超標的天數還是大於每年35天的標準值。在2016年1月中旬,因氣象局預測空氣品質不佳,市長發布聲明希望市民於當日減少開車,多乘坐大眾運輸系統。而斯圖加特也為了降低車輛廢氣,這座以汽車產業發跡的城市發佈將於2018年全市禁行柴油車,這項政策引起汽車製造業者的不滿,但卻也展現政府部門的魄力。


斯圖加特2004年~2016年二氧化氮高於200ug/m3的時數統計(藍色為市中心車站地區、紫色為郊區)
(照片來源:© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie)


斯圖加特2004年~2016年PM10高於50ug/m3的時數統計(灰色為市中心車站地區、紅色為郊區)
(照片來源:© Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Stadtklimatologie)

另外,為了面對全球氣候異變,今年(2017年)斯圖加特針對夏季熱負荷進行分析,提出2031~2060年夏季溫度變化的輕微與嚴重兩種情境,指認出溫度高的負荷區域與森林山頂區域為溫度較低的避難區域。這些持續不間斷的分析,都將持續為斯圖加特的永續發展與宜居生活進行努力。

當台灣人們正在倡議降低空氣污染、健康呼吸的權利時,政府當局應學習從長計議,瞭解抵抗空汙是一連串的研究與政策都應相互配合且逐步累積的過程,同步與國土規劃、都市計畫、都市設計等機制進行整併,提出對症下藥的有效解方與執行力。同時面對氣候環境的問題除了抑制污染源外,還包括重視綠化與樹木的重要角色,如澳洲202020願景革命美國國家森林局進行的iTree工具,都已將綠化納入城鎮發展願景中,這些都值得我們參考借鏡。


1971~2000年高熱負荷天數(NGTmax≥32℃)的年平均值
(照片來源:Stadtklimatische Untersuchungen der sommerlichen Wärmebelastung in Stuttgart als Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel (DWD, 2017)


2031~2060年高熱負荷天數(NGTmax≥32℃)情境一的年平均值(25百分比)
(照片來源:Stadtklimatische Untersuchungen der sommerlichen Wärmebelastung in Stuttgart als Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel (DWD, 2017)


2031~2060年高熱負荷天數(NGTmax≥32℃)情境二的年平均值(75百分比)
(照片來源:Stadtklimatische Untersuchungen der sommerlichen Wärmebelastung in Stuttgart als Grundlage zur Anpassung an den Klimawandel (DWD, 2017)

 

參考資料:

  1. Klimaatlas Region Stuttgart, 2008, The Section of Urban Climatology, Office for Environmental Protection.
  2. Rahmenplan Halbhöhenlagen 2008, Office of Urban Planning and Urban Renewal, City of Stuttgart. Stuttgart, Germany.
  3. 斯圖加特城市氣候環境網站https://www.stadtklima-stuttgart.de
  4. 城市環境氣候圖的發展及其應用現狀,任超、吳恩融、Katzschner Lutz、馮志雄,應用氣象學報第23卷第5期,2012年10月。
  5. 城市環境氣候圖—可持續城市規劃輔助信息系統工具,任超、吳恩融,中國建築工業出版社,2011。
  6. 德國城市氣候地圖發展及其規劃引導作用衍化,劉姝宇、宋代風、王紹森,國際城市規劃,2015,30(3):84-90。

 


一心
一心
從法學院轉到念設計,從大學時代的翹課王到開始念博士,從認真工作的上班族轉為天真無邪學生族。時間開始有彈性,想在敲敲鍵盤中,敲敲腦袋也敲敲不同扇門。
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