曾思齊，秦 艷，陳勇航

(1. 復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué)， 上海 200433； 2. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

眾所周知，城市氣候和環(huán)境對(duì)居住的人們具有強(qiáng)烈的影響。城市空氣動(dòng)力學(xué)特性的不經(jīng)意改變可形成空氣污染和氣候條件變化，嚴(yán)重威脅著居民的人身健康。隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市冠層和邊界層的表面粗糙度急速增大，極大地滯緩了城市與周邊地區(qū)的空氣交換，造成城市的空氣流動(dòng)不通暢，抑制城市空氣污染物的有效擴(kuò)散[1]。

城市空氣通風(fēng)環(huán)境特征可以通過(guò)地面風(fēng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得，然而，在大城市區(qū)域里收集詳盡的風(fēng)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)是十分困難的。因此，獲得全面而又高質(zhì)量的實(shí)測(cè)資料是城市環(huán)境科研工作中遇到的主要挑戰(zhàn)。風(fēng)洞模型提供了一種方法，可以在一個(gè)地區(qū)上以大比例尺形式再現(xiàn)局地風(fēng)場(chǎng)狀況和污染物分散特性。Mfula等[2]采用一定比例尺建立風(fēng)洞模型，測(cè)試一個(gè)大型建筑環(huán)境的風(fēng)場(chǎng)分布。盡管城市通風(fēng)的風(fēng)洞研究可以提供一定約束條件下的精確風(fēng)模型，但仍存在區(qū)域覆蓋小、計(jì)算機(jī)處理要求高和操作成本昂貴等問(wèn)題，極大地限制了它的可用性。

近年來(lái)，人們通過(guò)地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)，采用簡(jiǎn)化的假設(shè)和數(shù)值近似來(lái)提供一種替代解決方案。通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的粗糙度參數(shù)估計(jì)，將近地表?xiàng)l件下的風(fēng)模型簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)模型，其中，在描述建筑結(jié)構(gòu)等下墊面表面空氣學(xué)動(dòng)力特征的粗糙度參數(shù)時(shí)，使用了形態(tài)學(xué)方法。形態(tài)學(xué)方法不需要?dú)庀箬F塔和風(fēng)觀測(cè)資料，而是依據(jù)下墊面粗糙元形態(tài)和特征，用公式計(jì)算任意方向的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該方法能有效地彌補(bǔ)局地觀測(cè)資料的不足，為城市下墊面空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)估算開(kāi)拓了新思路。文獻(xiàn)[3-4]研究表明，采用GIS和遙感技術(shù)對(duì)表面粗糙度進(jìn)行建模，可以提出表面粗糙度計(jì)算的幾個(gè)形態(tài)學(xué)參數(shù)，而在這些城市形態(tài)學(xué)參數(shù)中，迎風(fēng)面積密度(FAI)被認(rèn)為是采用中尺度氣象和城市擴(kuò)散模式來(lái)反映城市表面粗糙度的一個(gè)較好的指標(biāo)。

迎風(fēng)面積密度可以表示某一特定方向的建筑墻面對(duì)風(fēng)影響的參量，其與表面粗糙度(Z0)有很強(qiáng)的關(guān)系，并且是城市街道峽谷中氣流的函數(shù)。Gái等[5]計(jì)算了匈牙利塞格德不規(guī)則土地區(qū)域的迎風(fēng)面積指數(shù)，描述了城市的潛在通風(fēng)廊道。Wong等[6]利用香港三維建筑信息計(jì)算迎風(fēng)面密度，將其用不同的顏色表現(xiàn)出來(lái)，反映在地圖上可生成迎風(fēng)面密度地圖。從迎風(fēng)面密度地圖上可以直接讀取特定區(qū)域的值，判斷該區(qū)域的通風(fēng)廊道狀況，并可用于分析城市熱島分布特征。Ng等[7]利用截面方法計(jì)算區(qū)域建筑的迎風(fēng)面密度，繪制城市的迎風(fēng)面密度地圖，直觀反映地面層通風(fēng)狀況。

我國(guó)在城市通風(fēng)廊道以及影響方面已有相關(guān)研究，但主要是對(duì)城市通風(fēng)廊道進(jìn)行部分定性研究，簡(jiǎn)單介紹城市通風(fēng)廊道作用[8-11]，很少考慮到關(guān)鍵物理因子對(duì)城市通風(fēng)廊道的定量計(jì)算，特別是針對(duì)特大城市(如上海)的通風(fēng)廊道研究。

因此，本文以上海為例，計(jì)算城市的重要形態(tài)學(xué)參數(shù)“迎風(fēng)面積密度”，制定標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)，定量地識(shí)別城市通風(fēng)廊道，繪制上海市外環(huán)線以內(nèi)不同季節(jié)的城市通風(fēng)廊道分布地圖，最后評(píng)估和驗(yàn)證上海城市通風(fēng)廊道對(duì)PM 2.5分布的影響。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文利用上海市測(cè)繪局提供的外環(huán)線以內(nèi)建筑的三維GIS數(shù)據(jù)[12]，研究建筑群分布對(duì)城市通風(fēng)條件的影響。數(shù)據(jù)包含外環(huán)以內(nèi)所有建筑物高分辨率的空間分布和高度數(shù)據(jù)信息，生成外環(huán)區(qū)域500 m× 500 m的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格建筑物分布參數(shù)及迎風(fēng)面積等參數(shù)。

本文利用上海市城市環(huán)境氣象中心提供的2014—2015年上海10個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站PM 2.5濃度觀測(cè)值，分析上海不同季節(jié)的PM 2.5濃度分布特征。目前，上海市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)如圖1所示。

圖1 上海市PM 2.5監(jiān)測(cè)站分布Fig.1 Distribution of PM 2.5 monitoring stations in Shanghai

本文利用上海市氣象局1971—2000年徐家匯氣象站10 m高度日平均風(fēng)速、風(fēng)向資料，進(jìn)行30年16個(gè)方位風(fēng)向頻率的平均統(tǒng)計(jì)。通過(guò)計(jì)算上海城市風(fēng)玫瑰圖分布，反映上海城市不同季節(jié)盛行風(fēng)變化特征。

2 研究方法

2.1 迎風(fēng)面積密度

迎風(fēng)面密度的基本特征為群體性與方向性，與其相關(guān)的物理參數(shù)如圖2所示。其中，實(shí)箭頭表示風(fēng)向，虛線表示建筑物間距W，AT表示建筑用地面積，AF1和AF2分別建筑1和2的迎風(fēng)面面積。首先，迎風(fēng)面密度是一個(gè)針對(duì)群體建筑的參數(shù)。高層建筑單體的迎風(fēng)面密度，不僅取決于自身的形式、朝向和尺度，而且會(huì)受位于其上風(fēng)向建筑的影響，即AF=AF1+AF2。因此，研究特定區(qū)域的建筑群體迎風(fēng)面密度才能較為客觀地體現(xiàn)該區(qū)域城市形態(tài)對(duì)城市通風(fēng)的影響。其次，迎風(fēng)面密度λF是一個(gè)與風(fēng)向相關(guān)的參數(shù)。風(fēng)向不同則迎風(fēng)面密度λF不同。因此迎風(fēng)面密度能夠反映城市形態(tài)對(duì)于特定方向風(fēng)的阻礙作用，即反映特定方向風(fēng)在城市區(qū)域內(nèi)的通風(fēng)能力。

圖2 與迎風(fēng)面密度相關(guān)的物理參數(shù)Fig.2 Physical parameters related to the frontal area density

2.2 風(fēng)場(chǎng)氣候分布

1971—2000年上海城市風(fēng)玫瑰圖如圖3所示。通過(guò)風(fēng)資料氣候統(tǒng)計(jì)表明：上海城市冬季(12～2月)常年盛行西北風(fēng)(西北偏北風(fēng)比例近15%)；而夏季(6～ 8月)常年盛行東南風(fēng)(東南偏東風(fēng)比例為15%)。

(a) 冬季

(b) 夏季圖3 1971—2000年上海市風(fēng)玫瑰圖Fig.3 Shanghai wind rose diagram in 1971—2000

3 結(jié)果和分析

3.1 迎風(fēng)面積密度地圖

以西北風(fēng)向和東南風(fēng)向代表上海冬季和夏季主要風(fēng)流方向，計(jì)算冬季和夏季上海市外環(huán)線以內(nèi)建筑迎風(fēng)面積密度如圖4所示，其中，粗實(shí)曲線表示上海市外環(huán)線高架高速公路(簡(jiǎn)稱為外環(huán)線，以下同)。

(a) 西北風(fēng)向

(b) 東南風(fēng)向圖4 上海市外環(huán)線內(nèi)建筑迎風(fēng)面積密度Fig.4 Frontal area density of the building in theouter ring line of Shanghai

由圖4可知，在上海外環(huán)線以內(nèi)某些區(qū)域的λF值介于0.10～0.30之間，顯著高于其他城市區(qū)域的λF值。這個(gè)現(xiàn)象可以歸因于這些區(qū)域新建的高層建筑群的高度普遍大于其他區(qū)域，高層建筑的迎風(fēng)面面積顯著大于相同占地面積的低層建筑，引發(fā)了風(fēng)的阻滯，即“風(fēng)墻效應(yīng)”。由圖4(a)和4(b)對(duì)比可知，上海市外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域在不同風(fēng)向時(shí)迎風(fēng)面密度不同，對(duì)不同風(fēng)向的阻礙作用也不同。

3.2 城市通風(fēng)廊道識(shí)別

城市通風(fēng)廊道判斷的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)如下：

(1) 迎風(fēng)面密度λF小于0.10；

(2) 建筑物間距大于1 km。

當(dāng)同時(shí)滿足判據(jù)(1)和(2)，即當(dāng)城市建筑迎風(fēng)面密度較小且建筑物間距較寬時(shí)，認(rèn)為該區(qū)域?yàn)槌鞘型L(fēng)廊道。

上海市外環(huán)線以內(nèi)通風(fēng)廊道如圖5所示。由圖5(a)可知，上海市冬季存在3條通風(fēng)廊道，自北向南分別為：江楊北路區(qū)、長(zhǎng)江西路區(qū)、殷高西路區(qū)、復(fù)興島公園區(qū)域；滬太路區(qū)、廣中西路(大寧?kù)`石公園)區(qū)域、外灘(延安路隧道)區(qū)域、世紀(jì)公園區(qū)域；天山路區(qū)、吳中路區(qū)、漕寶路區(qū)、桂林路區(qū)、徐浦大橋區(qū)域。由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，上海市春季存在4條通風(fēng)廊道，自南向北分別是：徐浦大橋區(qū)域、桂林路區(qū)、漕寶路區(qū)、吳中路區(qū)；盧浦大橋區(qū)域、華山路區(qū)、武寧路區(qū)、曹安路區(qū)、真南路區(qū)；南浦大橋區(qū)域、外灘(延安路隧道)區(qū)域、廣中西路(大寧?kù)`石公園)區(qū)域、滬太路區(qū)；楊浦大橋區(qū)域、國(guó)和路區(qū)、國(guó)定路區(qū)、殷高西路區(qū)。

(a) 西北風(fēng)向

(b) 東南風(fēng)向圖5 上海市外環(huán)線以內(nèi)通風(fēng)廊道Fig.5 Wind ventilation corridors in the outerring line of Shanghai

由此可知：冬季上海市外環(huán)線以內(nèi)通風(fēng)廊道主要存在3條，方向大致自西北向東南，其中最北一條較寬；夏季上海市外環(huán)線以內(nèi)通風(fēng)廊道存在4條，方向大致自東南向西北，其中最北和最南各一條較寬。對(duì)比圖5(a)和5(b)可知，相較于冬季，夏季的上海城市通風(fēng)條件更好。

3.3 通風(fēng)廊道對(duì)PM 2.5的影響

取2014—2015年上海的10個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站PM 2.5濃度觀測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析上海冬季(12～2月)和夏季(6～8月)城市建筑引起的通風(fēng)作用對(duì)PM 2.5濃度分布的影響。

上海不同空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站PM 2.5濃度觀測(cè)值如圖6所示。由圖6可知，上海冬季的PM 2.5濃度(平均約為70 μg/m3)，明顯高于夏季(平均約為40 μg/m3)。 其主要原因是：上海冬季主要受大陸高氣壓下沉氣流影響，PM 2.5不容易擴(kuò)散稀釋；上海冬季經(jīng)常受西北部冷空氣影響，從西北方上游區(qū)域攜帶的大量空氣污染物(包括PM 2.5)容易遠(yuǎn)距離輸送到上海。

圖6 上海市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站PM 2.5濃度觀測(cè)值Fig.6 PM 2.5 concentrations of air quality monitoring stations in Shanghai

上海市冬季、夏季空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的PM 2.5濃度分布圖如圖7所示，其中，濃度相對(duì)較大的前5個(gè)站以深色圓點(diǎn)標(biāo)示出來(lái)，而濃度較小的其他站以淺色圓點(diǎn)表示。由圖7(a)可知，冬季上海PM 2.5濃度分布基本上呈現(xiàn)西高東低的特點(diǎn)。其主要原因是：一方面，上海冬季以偏西風(fēng)為主，污染物由上海西北部遠(yuǎn)距離輸送過(guò)來(lái)，受上游效應(yīng)影響的污染濃度高；另一方面，西部地區(qū)遇到迎風(fēng)面積密度較高的上海城市建筑群，通風(fēng)廊道狹小，對(duì)風(fēng)速的阻擋作用明顯。因此，普陀站、靜安站、盧灣站和上師大站的PM 2.5濃度明顯增大，而其他5個(gè)站明顯較低，其污染物低值區(qū)呈現(xiàn)一個(gè)西北至東南向的“走廊”形式。與圖5(a)對(duì)比可知，冬季上海PM 2.5濃度低值區(qū)分布形式與上海城市的最北較寬的一條通風(fēng)廊道分布形式非常吻合。

圖7 上海市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站PM 2.5濃度分布Fig.7 Distribution of PM 2.5 concentrations in airquality monitoring stations of Shanghai

夏季上海PM 2.5濃度普遍低于冬季(見(jiàn)圖6)。由圖7(b)可發(fā)現(xiàn)，臨海地區(qū)的張江站、川沙站、楊浦站和虹口站的PM 2.5濃度更低。其主要原因是：一方面，上海夏季以偏東風(fēng)為主，污染物不受上游效應(yīng)影響，自身污染濃度不高；另一方面，浦東站、靜安站、盧灣站和上師大站遇到迎風(fēng)面積密度較高的城市建筑群，通風(fēng)廊道狹小，對(duì)風(fēng)速的阻擋作用明顯，使得PM 2.5濃度明顯增大，而其他站點(diǎn)處于上海城市建筑群的上風(fēng)方向，通風(fēng)廊道較寬，有利于污染物輸送，使得PM 2.5濃度很低。與圖5(b)對(duì)比可知，在夏季上海PM 2.5濃度分布也與上海城市的通風(fēng)廊道分布形式密切相關(guān)。值得一提的是，由于冬季的污染上游效應(yīng)影響和夏季的通風(fēng)下風(fēng)效應(yīng)作用，使得遠(yuǎn)離市區(qū)的青浦站PM 2.5濃度常年較高。

盡管PM 2.5濃度的資料分辨率較粗，使得上述分析存在一定局限性，但從總體效應(yīng)來(lái)看，本文對(duì)上海城市通風(fēng)廊道作用的討論還是合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)地理信息系統(tǒng)資料計(jì)算城市的迎風(fēng)面積密度等形態(tài)學(xué)參數(shù)，對(duì)有利于減少城市空氣污染的通風(fēng)廊道進(jìn)行了定量化識(shí)別，分析討論了上海城市通風(fēng)廊道的分布和作用，研究結(jié)論如下所述。

(1) 城市通風(fēng)廊道與建筑的迎風(fēng)面積密切相關(guān)，可以通過(guò)對(duì)城市風(fēng)環(huán)境影響的迎風(fēng)面積密度等關(guān)鍵物理參數(shù)計(jì)算得到。

(2) 使用標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)定量地識(shí)別城市通風(fēng)廊道，并繪制上海市外環(huán)線以內(nèi)冬季和夏季城市通風(fēng)廊道分布圖。由此可知：冬季上海市外環(huán)線以內(nèi)通風(fēng)廊道主要存在3條，其中最北一條較寬；夏季上海市外環(huán)線以內(nèi)通風(fēng)廊道存在4條，其中最北和最南各一條較寬。

(3) 上海PM 2.5濃度分布呈現(xiàn)西高東低、冬季大于夏季的特點(diǎn)，初步解釋了上海外環(huán)線以內(nèi)冬季和夏季城市通風(fēng)廊道對(duì)PM 2.5濃度的影響和作用。

(4) 本文方法可適用于其他城市的通風(fēng)廊道研究工作。

致謝：感謝上海市氣象局氣候中心、上海市城市環(huán)境氣象中心提供相關(guān)資料。