城市通风通道规划处理城市热岛效应及空气污染研究_城市热岛效应论文

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      中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：1009-6000(2014)07-0024-07

      1 城市环境与气候

      1.1 城市环境与气候特点

      如今，50%以上的世界人口居住在城市中，由于社会集约化趋势越来越明显，相应的城市化进程也愈加明显。众所周知，城市的发展会带来该地域气候变化，形成具有特殊属性的城市环境与气候。

      城市环境与气候的形成主要是受到城市人类活动及城市中特殊属性的下垫面的影响。所谓下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面[1]。下垫面同空气间存在着复杂的物质和能量交换，是气候形成的重要因素。由于人类生活、工作、学习的需要，在原有植物覆盖的自然下垫面基础上，城市下垫面被坚硬密实、干燥、不透水的沥青、水泥、石材、砖料等建筑材料覆盖，因此，具有较高的导热率、热容量以及热导纳①；另外，不透水材料的使用还导致城市下垫面贮藏水分能力的降低并带来较低的蒸发、蒸腾量；再者，城市内高低错落且密集的建筑物群也带来了更高的粗糙度[2]。

      城市下垫面具有更高的导热率、热容量及热导纳，因此在白天吸收太阳短波辐射及周围长波辐射后升温显著引起高温，高低错落的建筑物群造成遮挡降低天空率，更多的热量被“封锁”在街渠内无法“逃逸”到大气中，经过多次反射被城市下垫面吸收，这些被城市下垫面吸收并储存的更多热量，在夜晚温度较低的情况下被放出，带来夜晚城市的高温现象[3]。除此之外，城市居民生活、工作、学习过程中所产生的废热也加剧了城市的高温现象。比较起来，城市气温高于城郊区域气温，这就是著名的“城市热岛”现象。

      城市中由于特殊的下垫面属性，建筑物和人工铺砌的坚实路面大多数为不透水层，降雨后雨水很快流失，地面比较干燥，加之植物覆盖面积小，因此其自然蒸发、蒸腾量比较小，因此城市的绝对湿度往往小于附近的郊区，形成“城市干岛”[4]。

      城市内高低错落且密集的建筑物群带来了更高的粗糙度，由于城市的摩擦作用，城市风场受到影响。影响城市风场的主要因子除粗糙度外，还包括大范围的盛行风场、城市热岛强度及城、郊的稳定度差异等[5]。城市的摩擦作用导致城市内风速普遍低于郊区风速，除风速外，风向在城市区域内也存在一定角度的偏转。这种风向改变实际上是气压梯度力②、摩擦力及科氏力③共同作用的结果，同时这种风向偏转也一定程度上受到城市热岛环流的影响，因此是城市风场的特有现象[6]。另外，城市内高楼林立，带来更强的湍流作用并形成“高楼风”现象[7]。由于复杂的城市形态及多种因素共同作用，城市内具有异常复杂和变幻莫测的风场结构。

      1.2 城市环境与气候问题

      城市由于其特殊下垫面及人类活动影响具有略区别于局地气候的特殊气候，因此城市也具有许多其特有的环境与气候问题，这些问题中最为严重和明显的是城市热岛效应及空气污染问题。

      19世纪初期，Howard曾对伦敦城区和郊区的气温进行同时间的对比观测，发现城区气温比其四周郊区气温高[8]。此后各国学者对各不同纬度、不周类型的大大小小城市陆续做了大量的城、郊气温对比观测亦发现类似现象。在1.1节中提到过，城市热岛效应的形成主要同特殊的城市下垫面属性有关，除城市下垫面因素外，人工热排放、当地的天气形势与气候条件，以及温室气体和大气污染对城市热岛效应也存在不同程度的影响[9～11]。

      空气污染包括自然作用因素，如火山爆发、森林火灾、海水飞沫等以及人为作用因素，如工业废气、汽车尾气、工地尘埃等。城市中爆发的空气污染问题主要是由于后者，即人为因素作用[12]。通常来说，自然环境本身存在自净作用，所以一定程度的污染在一段时间后都能够得到自动清除。然而，城市化进程加速，城市工业、商业飞速发展，城市内污染物的总量已经大大超出自然环境自净作用所能承受的阈值，再加上城市相对不畅的通风环境，及城市热岛环流形成的穹窿形尘盖，阻止了城市内污染物的对外扩散和排出，致使污染物集聚在城市区域内，加重了城市空气污染问题[13]。

      2 城市环境与气候调节

      城市热岛效应一直广受关注，对于这一问题的调节策略所涉及的方面也比较广泛，总的说来包括：1)城市布局方面；2)城市绿化方面；3)建筑物方面；4)空调设备方面；5)交通及其他方面。其中城市布局方面，一方面可以减少城市下垫面对长、短波辐射量的吸收，另一方面可以帮助城市内废热的疏散[14～16]。城市绿化方面和建筑物方面的调节主要是减少城市下垫面对长、短波辐射的吸收、贮藏。空调设备方面、交通方面及建筑物内部热量控制方面主要是对人工热排放进行调节，控制人工热排放，从而减少城市内废热总量。城市热岛效应的调节策略归纳总结见图1。

      针对城市空气污染问题，目前的调节策略主要是从两个方面入手：其一，源头控制；其二，污染物疏散。源头控制方面的调节主要针对工业污染、交通污染、工地污染等各个城市内的主要污染源[17]。污染物疏散方面的调节主要依靠城市通风的作用，将城市内淤积的污染物疏散到城市外部区域，而这一调节策略的核心是城市通风道的布局及设计。

      不论是对城市热岛效应抑或是对城市空气污染的调节策略都是从源头和疏散这两个方面来改善问题的。从整体来说，对源头的把控才是治本之道，意义重大。但就目前国内经济形势来看，有时候源头限制也意味着减速发展，在这一对矛盾的基础上，疏散策略就显得尤为重要了。而在城市尺度下的调节策略中，操作性最好的便是城市通风廊道设计策略。城市通风廊道的设计引入城市通风，引导气流走向，防止因热岛环流引起的城市尘盖的形成，帮助城市内淤积的废热、废气排出，打破城市环境中的恶性循环，对城市环境与气候的改善具有积极作用。

      对于城市通风道的研究，德国斯图加特市一直作为研究范本被国内外广大规划学者学习、研究[18，19]。其中刘姝宇、沈济黄[19]通过对案例的分析总结出了一套系统化的城市通风道规划方法，即信息采集、气候功能评估、指导方针与规划目标制定、措施概念明晰。在信息采集方面，针对我国香港的研究比较全面利用GIS数据结果计算出城市各个朝向迎风面积比，以此发现城市内的潜在通风道[20，21]。在香港利用迎风面积比数据研究潜在通风道之前，这一研究方法还在匈牙利赛格德市被使用过，不同在于在匈牙利的研究主要利用的是3D建筑物数据库而非GIS数据[22]。除了以上城市外，日本的东京市[23]以及巴西的圣保罗市[24]都曾进行过城市通风研究，对于这种滨海城市，引入海风增强城市通风是首选方法。我国从21世纪初伊始，城市规划者便开始呼吁城市通风道的规划与建设。此后，北京、上海、武汉[25]、长沙[26]、重庆[27]、深圳[28]相继开展了城市通风道研究与规划工作，而在通风道研究方法上这些城市几乎无一例外地选择了CFD软件模拟方法。然而CFD模拟方法对于计算机计算资源有很强的依赖性，因此针对城市尺度的大面积研究具有一定的制约性。到目前为止，仅有一个东京案例[29]利用超高性能计算服务器进行CFD模拟，模拟出了5km见方范围内的流场分布情况。除CFD模拟及GIS结合迎风面积比计算方法外，风洞实验也是城市风道研究方法之一，Mfula等[30]就曾制作1∶100的建筑物群模型来探讨污染物在城市街渠中的分布状况。但由于风洞实验室及相关城市模型造价颇高，此研究方法较难被广泛使用。近几年，城市尺度的气象模拟软件被开发出来(如PSU/NCAR中尺度气象模拟模型WRF)，这一研究方法既实现了气候评估功能又可针对城市尺度进行研究，是目前最先进的城市模拟模型之一，被广泛应用于气象、气候及城市问题研究。

      

      图1 城市热岛效应的调节策略

      3 建立城市通风道的必要性

      3.1 对城市气候的调节

      城市通风道对城市气候的调节作用主要表现在以下四个方面：

      (1)打破城市热岛环流，帮助城郊凉爽气流渗入。特别针对城市夜晚风速过低无法及时疏散白天在城市中积聚的废热的问题，打破城市热岛环流，引入夜晚郊外凉爽清洁的空气帮助城市“降温、排浊”，避免热岛环流带来的城市内环境与气候恶性循环的情况。

      (2)提高城市内空气的流动性。城市通风道在高低错落的建筑物群中开辟一条通路引入气流，增强城市内空气的流动性，强化城市内不同区域的气流对流作用，有利于避免局部气温过高、温度过大的情况，使城市内气温、湿度、风速分布更加均匀，室外环境舒适性更好。

      (3)增加城市绿化率。城市通风道的布置可引入绿化及景观，一方面可以美化城市空间；另一方面增加了城市绿化率，降低了长、短波辐射的吸收率，增强了城市内蒸发、蒸腾作用，通过潜热带走城市内废热，缓解城市高温问题。大规模的城市绿地作为城市的“冷岛”，对于缓解绿地周边区域的城市热岛现象具有重要作用。

      (4)分割大面积城市空间，消除热岛的规模效应及叠加作用[22]。避免大面积城市空间内废热的累积及对长、短波辐射的多次反射作用，降低城市热场辐射。

      3.2 对城市空气污染的治理

      大规模城市建设与大量能源使用，带来“浊岛效应”迅速增强。附带各种污染物的空气聚集在城市上空，严重影响空气质量。如果空气污染物长期得不到通风扩散，城市生活环境将遭破坏，导致各种疾病的发生，甚至造成死亡[23，24]。合理规划城市通风道对城市空气污染的治理作用主要体现在改善城市风环境上。改善城市通风有助于污染物的扩散，打破城市热岛环流，促使因为热岛环流被积累并聚集在城市穹形尘盖中的污染物扩散出去，降低“浊岛效应”。

      另一方面，城市通风道多采用绿化及景观的方式布置于城市内，可通过种植特定品种的植被的吸附作用，降低空气污染中的固态和液态微粒(气溶胶粒子)的浓度，提高空气质量。

      4 城市通风道设计原则及设计策略

      4.1 设计原则

      设计城市通风道应遵循下述四个方面的原则：

      (1)依城市风向科学布局。依据不同季节城市主导风向规划城市通风道，提高通风效率，确保通过设置通风道有效地改善城市内风环境。除此之外还应注意区别处理需要通风的季节及需要防风的季节，在引入凉爽、干净气流的同时，不能忽视城市内部的室外风环境对热舒适性的影响。

      

      图2 我国某城市通风道布局图

      (2)充分利用自然资源。水体、河道、大规模绿地等自然资源应充分利用。山地及丘陵地带应考虑地形对于风的引导作用。

      (3)整合城市内现有路网、交通资源。尽量节约社会资源，依照现有城市路网、交通布置通风道。

      (4)遵循规划所提供的通风道控制指标。目前已有许多城市通风道的相关研究与规划设计，并且已针对通风道提出了控制性规划指标。例如，Matzarakis和Mayer通过研究总结得出如下通风道设计控制指标[25]：1)空气动力学表面粗糙长度④小于0.5m；2)在某方向上的通风道长度不小于1000m；3)通风道宽度不小于迎风面遮挡物高度的2～4倍，最小不应小于50m；4)通风道中的障碍物(包括建筑和植被)宽度不大于通风道宽度的10%；5)通风道中障碍物(包括建筑和植被)高度不大于10m。

      (5)因地制宜，利用科学方法多次论证通风道布局合理性。针对不同的城市、不周的地区，以及不同的环境与气候条件，应从不同的侧重点着手设计通风道。切忌“拍脑袋”的通风道设计，尽量使每条通风道的设置有理有据。

      4.2 设计策略

      通风道的形式多种多样，但总体来说，笔者认为主要存在两种形式：其一，依照设计需要预留足够的通道，最好使用绿化等手段保证通道的通风效率，这一种倾向于是狭义形式的通风道；其二，在需要设置通风道的位置，控制建筑密度、高度、体型，虽然不存在真正意义的“通道”，但从城市空间的整体来看，在周围高楼林立的环境中留存一部分开发强度相对低的区域，存在一定的通风效果，这种倾向于是广义形式上的通风道。针对这样两种不同的通风道形式，具有不同的设计策略：

      

      图3 加设通风道前后风速、气温对比结果(黑框表示城市范围)

      (1)狭义形式通风道：整合城市近郊的农田、森林、湖泊，以及城市内部水系、主要交通干道、铁路、绿地等建立通风道。对这些绿化程度较高、高度较低、障碍物较小的区域，加以合理利用、布局。一方面可以提高大气环境质量，降低城市温度；另一方面，可以使城市产生更多的清新空气，并能有效将清新空气输送进入城市内部。故对于这些生态因素应该充分整合并予以严格保护，利用它们形成城市通风道，使它们成为城市通风的稳速器和中转站。针对边缘区的扩张，城市边缘区规划中应注意预留通道。

      (2)广义形式通风道：针对那种开发强度已经非常高的城市，试图在中心城区留出通风道是非常困难的，但仍可以通过建立广义形式通风道的规划设计策略，改善城市内热环境和风环境。具体来说，需要在通风道位置合理控制建筑密度、高度、体型，即：1)降低建筑密度增加建筑间距；2)避免通风道内部设置垂直于主导风向的板式建筑，严格控制建筑的长宽比；3)在规划设计中控制高层建筑的布局，避免高层建筑过密。

      4.3 设计案例及可行性分析

      在我国某省会城市的通风道规划研究中，笔者按照上述设计原则，结合当地气候特征、地理特征与城市形态进行了城市通风道规划设计研究。如图2所示，在通风道规划中设计了二级通风道，红色线条代表第一级通风道，风道宽度在200～500m宽度；蓝色线条代表第二级通风道，风道宽度在100m左右。

      通风道依山势而设置，连接几个大型绿地。特别是针对城市中通风情况较差的老城区(城市正中位置)这种建成度较高并且难以设计宽度较大的一级风道的区域，选择采用二级通风道连通老城区各部分，并利用一级通风道向该区域输送外部凉爽、干净气流。除老城区外，对于建成度相对较低的新城区(城市右上角位置)则选择两条东西走向一级通风道连接；而在南北方向，为了避免从上风方向带来老城区中的废热、废气，选择采用相对狭小的二级通风道，并且通过城市正中南北走向一级通风道将新、旧城区间隔开来，以避免两个城区互相“交叉感染”。

      根据此通风道布局，利用城市尺度环境与气候模拟软件(weather research and forecasting model couple with urban canopy model)模拟该城市冬季风环境及夏季热环境[26]，对比增设通风道前后冬季风速及夏季气温结果，如图3所示。图3A中表示的通风道处风速明显提高，有些区域风速提高达1.5m/s，可见，通过通风道的设置引入郊外干净、清新的空气，使城市风环境得到了改善。增设通风道后，夏季气温降低明显，最大的气温降低幅度可达1.5℃以上(图3B中显示的是加设通风道前气温减去加设通风道后气温的结果，故结果显示为正值)。特别是城市中心位置，降温面积最大，降温幅度也最高。城市中心温度的降低势必影响城市热岛效应，降低城市热岛强度值，从而改善了城市内热环境。

      此案例结果说明城市通风道设计合理的情况下，城市内风环境和热环境都可以得到很大程度的改善，通风道的设置对城市通风、城市热岛问题都可以起到一定的缓解作用，在城市通风增强的情况下，对城市内淤积的污染物也会产生一定程度的疏散作用。综上所述，通过加设城市通风道改善城市环境与气候的策略是可行的，并具有一定的推广价值。

      5 结语

      城市环境与气候问题在近些年频繁爆发，因此，各学科、领域的研究者开始将目光转向这一课题，并开始从不同的角度和尺度来分析、解决这一棘手的问题。从城市尺度着手解决城市问题最为可行且有效的改善手段便是设置城市通风道。在对通风道的规划和研究上，应注意采用更加系统和科学的研究方法，并针对各个方法的特点及优点应用于通风道研究的相应阶段。例如，GIS适用于通风道信息采集阶段，中尺度气象模拟模型适用于气候功能评估阶段及模拟验证阶段，CFD适用于对城市细部的模拟研究。只有将各种研究方法的优点进行综合、系统化地利用才能得到最为科学、实际的通风道研究成果。最后，还需要特别注意的是：通风道并不只是简单的绿地的“植入”，而应是以引导气流、辅助通风为主要设计目的的城市构件；通风道的形式也多种多样，并不只是狭义的通风“空地”，而应是一切具有“传输”效果的城市区域；通风道并不只是漂亮的“线条”，而应是经过反复推敲论证具有实际意义的城市规划策略。在这一前提条件下，城市通风道极有必要被推广到各个大中型城市的城市建设中来，以最小的经济、资源代价来促进城市环境与气候及空气质量的改善。

      ①热导纳是指材料传导热量的能力，单位是W/m[2]·K。

      ②气压梯度力：单位距离间的气压差。

      ③科氏力：对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

      ④粗糙度长度是指在边界层大气中，近地层风速向下递减到零时的高度(以零平面位移高度为高度起点)。

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