楊至德，劉云思，張力元，夏 添

（1． 天津城建大學建筑學院，天津 西青300380；2. 河北滄州師范學院，河北 滄州061000）

近年來，我國有些城市冬季出現(xiàn)了嚴重的霧霾天氣，對人們的身體健康、交通出行等許多方面，造成嚴重的不良影響。面對這種嚴峻的空氣污染情況，國內(nèi)許多城市提出了建設(shè)“通風廊道”的設(shè)想[1]。據(jù)報導，北京市計劃規(guī)劃建設(shè)5 條通風廊道，主要由公園和綠地組成。第1 條西北部的廊道涉及昆明湖、昆玉河、紫竹院公園、玉淵潭等地區(qū)；第2 條西部的廊道起點設(shè)在植物園，延伸至西五環(huán)及兩側(cè)綠化帶；第3 條廊道沿中軸線地區(qū)，由北向南將太平郊野公園、奧林匹克公園、后海、北海、天壇公園等空間連成一線；第4 條、第5 條涉及清河郊野公園、朝陽公園等地區(qū)。規(guī)劃指出，在未來通風廊道規(guī)劃范圍內(nèi)，建筑物的高度、密度等都將嚴格控制。并且強調(diào)，具體的量化標準的制定十分復(fù)雜，需要綜合考慮避災(zāi)、景觀、生態(tài)、游憩、排污、降噪以及空氣流動等多方面的因素[2]。2018年8月，濟南市提出了“濟南市通風廊道構(gòu)建及規(guī)劃策略研究（社會公示與征求意見稿）”[3]。國內(nèi)其它城市，如廣州、西安、南京、福州等，都提出了規(guī)劃建設(shè)城市通風廊道的設(shè)想[3]。香港等城市也有類似提議[4]。

在大氣污染物總量不降低、天氣條件不發(fā)生明顯變化的情況下，城市通風廊道究竟能否起到通風的作用？ 通風廊道規(guī)劃建設(shè)方案，一旦通過并付諸設(shè)施，會對整座城市產(chǎn)生巨大的影響，影響到人們生活的各個方面，不單單是霧霾的問題了[5]。根據(jù)國內(nèi)主要城市已發(fā)布的城市通風廊道構(gòu)建初步規(guī)劃，有可能使現(xiàn)有的城市格局發(fā)生巨大變化，相應(yīng)地帶來大拆大建，對城市經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。建造城市通風廊道，究竟有什么理論做支撐？ 是否采用了嚴謹?shù)目茖W方法？

一般認為，大氣中污染物數(shù)量恒定的情況下，霧霾的形成與城市中空氣團運動情況密切相關(guān)。空氣團運動速度快，霧霾就輕；空氣團運動速度慢，霧霾就嚴重。那么，城市中空氣團運動受哪些因素影響呢？ 下面進行分析研究。

1 城市中空氣團運動受力情況

在地球表面，包括城市空間，空氣團的運動受到4 個力的控制。這4 個力分別為水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力和總摩擦力。

1.1 水平氣壓梯度力

只要在水平方向上存在氣壓差，就會產(chǎn)生水平氣壓梯度力。在水平氣壓梯度力的作用下，空氣由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動（見圖1），從而形成風。水平方向上氣壓分布不均，是空氣團產(chǎn)生水平運動的直接原因。太陽輻射所引起的熱量變化，是大氣中氣壓分布不均的直接動力。從根本上說，對風的產(chǎn)生和運動，如果要進行人工干預(yù)，還是要從太陽輻射著手。太陽輻射引起近地大氣和其它下墊面溫度的變化，進而引起氣壓的變化[6]。水平氣壓梯度力是形成風的主要原因。

實際上，氣團還受其它因素的影響，可能會導致出現(xiàn)風向與水平氣壓梯度不一致的情況。

1.2 水平地轉(zhuǎn)偏向力

地球的自轉(zhuǎn)，引起空氣團運動方向發(fā)生變化。地平面繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水平地轉(zhuǎn)偏向力。水平地轉(zhuǎn)偏向力，不能改變風速，但它能改變風向。水平地轉(zhuǎn)偏向力的方向，與空氣團運動方向垂直，在北半球偏向空氣運動右方[7]。也就是說，在水平地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，空氣團離開原來的方向向右偏移。水平地轉(zhuǎn)偏向力，與風速成正比。風速越大，偏向力越高，風向偏移越大[7]。

A=2Ωv cos φ

A-水平地轉(zhuǎn)偏向力；

v-空氣團運動速度；

Ω-地球自轉(zhuǎn)角速度；

φ-空氣團所處的緯度；

水平地轉(zhuǎn)偏向力與水平氣壓梯度力共同發(fā)揮作用時，空氣團運動情況（見圖2）。

以濟南市為例，春末夏初，主導風向—西風、西南風，向南偏移，更接近西南風和南風。冬季主導風向—東風、東北風，向北偏移，更接近東北風和北風。冬季另一主導風向—北風、西北風，向西偏移，更接近西北風和西風。

1.3 慣性離心力

慣性離心力，與空氣運動方向垂直，曲率中心指向外緣。大小與空氣運動速度的平方成正比，與曲率半徑成反比[8]。

C-慣性離心力；

v-空氣運動速度；

r-曲率半徑。

當空氣運動速度很大，曲率半徑很小時，慣性離心力的數(shù)值會很高，使風向發(fā)生急劇變化。城市中“丁字”形街道，使風向發(fā)生急劇改變，就屬于此種現(xiàn)象（見圖3）?？諝膺\動路徑接近于直線時，慣性離心力可忽略不計。

城市中，街道縱橫，有時街道非常狹窄。此時，慣性離心力的作用非常明顯，是城市通風廊道構(gòu)建應(yīng)該考慮的重要因素。在水平氣壓梯度力（PGF）、水平地轉(zhuǎn)偏向力（CF）和慣性離心力（CE）三個力的共同作用下，空氣團受力情況見圖4。

氣壓梯度風受力=水平氣壓梯度力 （PGF）+ 水平地轉(zhuǎn)偏向力（CF）+ 慣性離心力（CE）

1.4 摩擦力

空氣運動時，氣層與地面之間，氣層與氣層之間相互摩擦，對空氣運動產(chǎn)生阻力,包括內(nèi)摩擦力和外摩擦力兩種。粗糙地面對空氣運動所產(chǎn)生的阻力，為外摩擦力。外摩擦力的方向與空氣運動方向相反，大小與空氣運動速度成正比。

外摩擦力：R1＝－k1V

V-風速；

k1-外摩擦系數(shù)，大小由地面粗糙程度決定，負號表示外摩擦力的方向與風向相反。

外摩擦力的作用，在近地層最為顯著，隨高度增加逐漸減弱，距離地面1-2 公里以上，作用就很小了，可忽略不計。

當空氣內(nèi)部運動速度不一致或運動方向不同時，上下各層之間就會出現(xiàn)相互摩擦現(xiàn)象，即內(nèi)部摩擦力。內(nèi)摩擦力的方向與下層風速向量差的方向一致，大小與下層風速向量差成正比。

內(nèi)摩擦力：R2=-k2△V

R2——內(nèi)摩擦力；

k2——內(nèi)摩擦系數(shù)，大小與亂流交換程度有關(guān)；

△V——上下風速向量差；

總摩擦力：空氣所受到的摩擦力，是外摩擦力與內(nèi)摩擦力的合力，即總摩擦力。

R總＝R外＋R內(nèi)

總摩擦力的方向偏向于空氣運動反方向的右方，所偏的角度在陸地上為30 度左右，海上為15度左右，大小為外摩擦力與內(nèi)摩擦力向量之和?？偰Σ亮κ沟蛯涌諝膺\動速度減小，方向向右偏轉(zhuǎn)[9]?？諝馑艿降哪Σ亮Γ蛿?shù)量級來說，比水平氣壓梯度力和水平地轉(zhuǎn)偏向力小得多，一般可以忽略不計。但是，在近地層，也就是在距離地表2 km 以內(nèi)的大氣層內(nèi)，摩擦力還是具有一定影響的。特別是在城區(qū)，由于建筑物的存在，地表粗糙程度增加，外摩擦力具有增強的趨勢。

總摩擦力存在時，空氣團水平運動方程如下式：

PGF-水平氣壓梯度力，CE-地球自轉(zhuǎn)偏向力，F(xiàn)F-摩擦力

有些城市規(guī)劃設(shè)想的通風廊道，如果說有點理論依據(jù)、能夠起點作用的話，可能就在于外摩擦力了。直觀上說，建設(shè)通風廊道，可以降低外摩擦力，能夠在一定程度上改善通風效果。但是，如果再考慮到內(nèi)摩擦力和總摩擦力、外摩擦力與內(nèi)摩擦力的相互作用，使總摩擦力減小，或者趨近于零的情況下，這種通風廊道就不起作用了。

在近地層中，摩擦力的影響比較明顯。風速隨高度增加而逐漸增大，風向隨高度增加而逐漸增加。高層建筑，包括住宅和辦公等其它類型的建筑，風速上層比下層大[10]。如果再對頂層采取加溫措施，氣團受熱上升，風速加大更明顯，從而產(chǎn)生通風效果。（樓頂可安裝太陽能電池板，使局部溫度升高）。如果對建筑按照一定的規(guī)則進行排列，樓頂升溫引起大氣流動的綜合效應(yīng)，就有可能構(gòu)成一種“通風廊道”。

空氣團運動是上述四種力綜合作用的結(jié)果，可用下式表示：

Gn-水平氣壓梯度；

A-水平地轉(zhuǎn)偏向力；

C-慣性離心力；

R-總摩擦力。

1.5 熱力環(huán)流

對于地面上的兩個地點A 和B，假設(shè)在某一高度上氣壓和溫度都相等，那么，等壓面等溫面重合，成水平狀態(tài)。

此時，各高度上沒有水平氣壓梯度，沒有風。由于太陽輻射等原因，A、B 兩地受熱不等。A 地上空的氣壓高于B 地，在水平氣壓梯度力的作用下，空氣自A 地上空流向B 地流動。由于上層空氣的流動，B地空空氣質(zhì)量增加，地面氣壓升高。A 地上空空氣質(zhì)量減少，地面氣壓下降，于是在空氣下層地面產(chǎn)生水平氣壓梯度，自B 地指向A 地，空所自B 地流向A 地。

上層空氣自暖地流向冷地，下層地面自冷地流向暖地，形成環(huán)流，即熱力環(huán)流。

地面水平溫度梯度愈大，由暖地指向冷地上空的水平氣壓梯度愈大，熱力環(huán)流愈強，風速越大。反之，水平溫度梯度越小，熱力環(huán)流強度越弱，風速越小。

對于一座城市來說，空氣團的運動主要受熱力環(huán)流的影響。熱力環(huán)流強度越大，風速越大[11]。那么，如何創(chuàng)造條件，促進城市熱流環(huán)流的形成，并且使之達到最大值呢？首先就要看一下影響水平氣壓梯度的因素：即太陽輻射和下墊面性質(zhì)。下墊面包括：瀝青路面、水泥路面、建筑、建筑頂層、建筑立面、建筑高度(加生態(tài)國際會議獲獎?wù)撐?、建筑排列組合方式、水體、植被、街道布局[2]。地面水平溫度梯度愈大，由暖地指向冷地上空的水平氣壓梯度愈大，熱力環(huán)流愈強，風速越大。反之，水平溫度梯度越小，熱力環(huán)流強度越弱，風速越小[12]。對于一座城市，規(guī)劃建設(shè)通風廊道，促進城區(qū)空氣流動，最根本的就是要使熱力環(huán)流達到最大值。

2 城市空氣團運動改善策略

針對前面的分析，雖然在城區(qū)規(guī)劃建設(shè)通風廊道，通風效果不明顯，意義不大。但是，根據(jù)空氣團受力情況和熱力環(huán)流形成原理，可以采取一些其它措施，以便改善城市的通風狀況，減少霧霾的發(fā)生，降低霧霾的嚴重程度。這主要包括以下幾個方面。

2.1 在近城區(qū)建造森林

森林的降溫作用是十分明顯的。以停車場為例。汽車車內(nèi)平均溫度：有樹木遮蔭的，與無遮蔭的，相差26 ℃。下午13：00-16：00，太平洋標準時間。

在中心城區(qū)周邊，根據(jù)地形地勢和主導風向，選擇合適的位置，建造小面積片林。由于片林的存在，中心城區(qū)與周邊地區(qū)對太陽輻射的吸收與散射不同，溫度差增大，從而形成水平氣壓梯度，產(chǎn)生風，進而形成熱力環(huán)流[13]。中心城區(qū)暖空氣上升，外城片林區(qū)冷空氣從近地層向城區(qū)補充，形成環(huán)流和風。城區(qū)上空的污染物自然會被強烈的空氣帶走，從而起到降低霧霾強度的作用。

在森林降溫區(qū)，原來以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的地區(qū)，轉(zhuǎn)為造林和森林經(jīng)營管理，包括幼林撫育、間伐、疏伐、主伐、以及伐后更新等[14]。由糧農(nóng)變成林農(nóng)，單從經(jīng)濟收益來說，15年后，總收益高于單純農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。初期，森林降溫區(qū)糧食需求，可由政府協(xié)調(diào)解決。不過3-4個縣的面積，當?shù)氐募Z食需求，可從產(chǎn)糧區(qū)調(diào)運。

森林降溫區(qū)規(guī)劃實例之一：北京地區(qū)

北京城區(qū)西面、北面、東北面，主要為山地，對風具有阻擋作用[15]。只有南面和東面，可以建設(shè)森林降溫區(qū)。森林降溫區(qū)規(guī)劃實例之二：濟南地區(qū)

2018年8月，《濟南市通風廊道構(gòu)建及規(guī)劃策略研究（社會公示與征求意見稿）》，對擬建的通風廊道進行了規(guī)劃。根據(jù)該規(guī)劃，濟南市要建設(shè)南北向、東西向兩組通風廊道，并提出了具體要求[3]。南北向通風廊道的間距控制在5—10 km 范圍內(nèi)，通風廊道平均間距約8 km。通風廊道總寬度3 km，一級風廊2 條，每條寬度約1 km，總計寬度2 km；二級風廊8 條，每條約120 m，總計1 km。

根據(jù)城市中空氣團運動受力分析、以及由此形成的大氣環(huán)流特征，這種通風廊道的不合理性是顯而易見的，更不用說再考慮具體的街道和建筑物等情況了。仿照北京，建設(shè)森林降溫區(qū)是比較可行的，而且是行之有效的。下面是森林降溫區(qū)初步選址規(guī)劃（見圖12）。

2.2 在近城區(qū)建造陽光地帶

陽光地帶，就是沒有植被覆蓋的地帶。地表層為沙子、水泥、瀝青或其它易于吸收太陽輻射的材料[2]。與周邊溫度相比，在陽光地帶，溫度高5.7-22℃。白天升溫快，夜間降溫快，晝夜溫差大。能夠與城區(qū)形成溫度差，進而產(chǎn)生水平氣壓梯度，最后形成風和熱力環(huán)流，改善城區(qū)空氣運動情況。森林地帶與陽光地帶交替配置，效果會更好。

2.3 在近城區(qū)建造“人工?！?/h3>

利用海陸風原理，建造“人工?！?。在沿海地區(qū)，靜穩(wěn)天氣條件下，白天風從海上吹向陸地，夜間風由陸地吹向海洋，并且以一天為周期，隨晝夜交替而轉(zhuǎn)化。這種風，稱之為海陸風[16]。海陸風在海洋與陸地之間，實現(xiàn)水汽和熱量的輸送與交換。對內(nèi)陸城市來說，“人工?！本哂蓄愃频暮ｊ戯L作用，從而能夠促進城區(qū)的空氣流動。人工海的面積越大，海陸風效果越明顯。

以北京和濟南為例。北京中心城區(qū)北方向，雖然具有密云水庫，但是，距離較遠，再加上山體的阻隔，難以體現(xiàn)海陸風效果?？梢耘c南水北調(diào)工程相結(jié)合，充分利用永定河水，在中心城區(qū)東向和南向，建造人工海。北京“人工?！边x址（見圖13）。

濟南黃河北岸處，已經(jīng)建造了一座小型水庫[3]。但是面積太小，無法創(chuàng)造海陸風效果。根據(jù)濟南的地形地勢和水源情況，可以引黃河水，在城區(qū)北向和西向建造人工海。濟南“人工?！边x址（見圖14）。

2.4 城市建筑與街道格局

建筑能使局部溫度升高，增熱效應(yīng)極為明顯。一座建筑物，就是一座小火爐。一座高度為60 m 的大樓，占地面積為2400 m2米時，外表太陽輻射吸收面積為10800 m2，是占地面積的4.5倍。隨著建筑高度的增加，外表吸熱面積增大。建筑高度為100 m 時，面積放大系數(shù)達到6.83[2]。吸熱面積的增大，可能會引起城區(qū)局部溫度的升高，成為城市“熱島效應(yīng)”的重要貢獻因子。但是在冬季，太陽輻射強度下降，照射時間變短，溫度升高效應(yīng)相對較弱，“熱島效應(yīng)”不足以與周邊地帶形成水平氣壓梯度，進而對空氣的運動產(chǎn)生影響。在這種情況下，城市建筑對空氣運動的影響，主要在于摩擦阻力。通過合理地布局，可在一定程度上降低城區(qū)空氣運動摩擦阻力，從而促進空氣的運動。

謝賓斯基地毯（Sierpinski），作為一種分形結(jié)構(gòu)，在用地面積相同、建筑占地面積相同的情況下，能夠創(chuàng)造出更多的開放空間[17]。這些開放空間，一方面可以改善地面吸熱情況，造成局部溫差，產(chǎn)生水平氣壓梯度，在小范圍內(nèi)創(chuàng)造熱力環(huán)流，促進風的形成，提高風速。另一方面，能夠減少摩擦力對風的影響，提高風速。

許多城市建筑布局多采用正方網(wǎng)格式 （見圖15）。在這種布局下，分形維數(shù)D=2。

將一個實心正方形劃分為9 個小正方形，去掉中間的小正方形，再對余下的小正方形重復(fù)這一操作，便得到一次迭代謝賓斯基地毯（見圖16，圖17）。

D= Ln (b2-n2) / Ln b=1.8928

正方網(wǎng)格式均衡布局，空氣團運動能力最差。謝賓斯基地毯一次迭代布局,能使建筑相對集中，同時又能創(chuàng)造出更多開放空間，對空氣團運動最有利，促進城區(qū)空氣流動的效果最明顯。