張 碩， 房小怡， 陳 靜， 程 宸， 程鵬飛， 智利輝， 張 強(qiáng)， 于 瀛， 杜吳鵬

(1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081； 2.石家莊市氣象局，石家莊 050081； 3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875； 4.中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100044； 5.北京市氣候中心，北京 100089)

引 言

城市自然通風(fēng)是指城市中基于環(huán)境風(fēng)壓差及熱壓差所產(chǎn)生的非機(jī)械式通風(fēng)[1]。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，自然通風(fēng)受阻，主要表現(xiàn)為下墊面同質(zhì)，導(dǎo)致溫度梯度變小，空氣交換減少，靜風(fēng)頻率升高[2]；內(nèi)部建設(shè)密集，增加了下墊面的粗糙度，對(duì)空氣動(dòng)力產(chǎn)生阻礙和拖曳，降低了地表風(fēng)速[3]；高密度高層建筑群聳立，阻擋了氣流穿行，造成建筑物背風(fēng)面較大面積小風(fēng)區(qū)，使局地通風(fēng)環(huán)境和氣候舒適度明顯下降[4]。根據(jù)《中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書(shū)(2017)》，1961-2017年間，我國(guó)城市化高速發(fā)展，大部分地區(qū)平均風(fēng)速呈減少趨勢(shì)，平均每10年減少0.13 m/s。城市靜風(fēng)狀態(tài)增加，并不是受整個(gè)區(qū)域大氣變化影響，主要是城市對(duì)盛行風(fēng)的削弱作用[5]。與此同時(shí)，城市越來(lái)越“密不透風(fēng)”，加劇了其熱島和污染程度。以本文研究對(duì)象石家莊為例，其年平均氣溫(1981-2010年)明顯升高，增溫速率達(dá)0.36 ℃/10a；年平均風(fēng)速(1972-2012年)減少速率為-0.15(m/s)/10a，城市化貢獻(xiàn)率達(dá)86%[6]；2017年第一批實(shí)施空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)的74個(gè)城市空氣質(zhì)量排行榜中，石家莊居末位，全年平均優(yōu)良天數(shù)比率只有41.4%[7]。

城市規(guī)劃是城市發(fā)展藍(lán)圖。運(yùn)用城市規(guī)劃的方法，以自然通風(fēng)規(guī)劃技術(shù)為參考，調(diào)整城市發(fā)展模式及建筑、綠地、水體等區(qū)域的空間布局來(lái)提高城市“呼吸”能力和通透度，對(duì)于改善局地氣候和大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)城市建設(shè)和城市的宜居可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[8]。

城市自然通風(fēng)的有效性取決于所處城市冠層下部空氣交換與流動(dòng)的狀況，還與周邊的地形地貌、面積、長(zhǎng)度、朝向、非透水面比例、植被覆蓋類型及是否有高大建筑物的遮擋有關(guān)。對(duì)于通風(fēng)評(píng)估，國(guó)內(nèi)外已有先例，研究方法主要集中在基于風(fēng)環(huán)境站點(diǎn)觀測(cè)的通風(fēng)構(gòu)建[9-10]、針對(duì)單體建筑或小區(qū)域建筑群體的風(fēng)洞試驗(yàn)[11]及考慮下墊面特征的數(shù)值模擬。其中，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)受限于點(diǎn)位稀少和分布不均等問(wèn)題，普適性和代表性不強(qiáng)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)多用于小范圍的風(fēng)場(chǎng)模擬，模擬成本高，評(píng)估周期長(zhǎng)，并不適用于城市和區(qū)域尺度的自然通風(fēng)評(píng)估。數(shù)值模擬雖有利于從全局把握風(fēng)環(huán)境特征，但很難反映建筑物總體布局對(duì)城市內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的影響。遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)能支持空間連續(xù)的城市地表形態(tài)信息提取，且數(shù)據(jù)分辨率較高，不受研究尺度限制，為城市尺度的通風(fēng)環(huán)境評(píng)估提供了新的手段。Gal等[12]通過(guò)GIS技術(shù)和高分辨率激光雷達(dá)(LiDAR)數(shù)據(jù)庫(kù)估算了大曼徹斯特地區(qū)下墊面動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度，根據(jù)動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度大小來(lái)確定該地區(qū)的潛在通風(fēng)廊道。劉勇洪等[13]基于遙感和GIS技術(shù)，建立了一套面向城市規(guī)劃的熱環(huán)境與通風(fēng)環(huán)境評(píng)估指標(biāo)和技術(shù)方法，初步開(kāi)展了濟(jì)南中心城通風(fēng)廊道規(guī)劃應(yīng)用。詹慶明等[14]應(yīng)用遙感、地理信息技術(shù)，構(gòu)建氣候?qū)W及生態(tài)學(xué)模型，結(jié)合夏熱時(shí)段山谷風(fēng)和海陸風(fēng)的時(shí)空特點(diǎn)，挖掘現(xiàn)有通風(fēng)廊道，為城市風(fēng)道規(guī)劃提供決策依據(jù)。但以上研究尚缺乏對(duì)真實(shí)街區(qū)的氣候模擬評(píng)估及對(duì)廊道效果的實(shí)際觀測(cè)驗(yàn)證。

本文綜合氣象觀測(cè)、數(shù)值模擬、遙感反演和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的方法，基于城市建設(shè)現(xiàn)實(shí)，分析不易于擴(kuò)散和熱排放的小風(fēng)區(qū)和熱島區(qū)，以及對(duì)氣候能形成補(bǔ)償?shù)男迈r冷空氣產(chǎn)生區(qū)，利用通風(fēng)能力較強(qiáng)地塊，制定覆蓋城市—小區(qū)尺度的風(fēng)道規(guī)劃策略，具體應(yīng)用在石家莊通風(fēng)廊道劃定中，有針對(duì)性地提出尊重自然通風(fēng)的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)引導(dǎo)，并對(duì)通風(fēng)廊道的自然通風(fēng)效能進(jìn)行了觀測(cè)驗(yàn)證，為相關(guān)城市規(guī)劃氣候問(wèn)題的解決提供有效決策依據(jù)和管控手段。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石家莊市地處河北省中南部，距北京270 km(圖1a)。地勢(shì)西北高東南低，西部海拔在1000 m左右，東部為滹沱河沖積平原，海拔一般在30～100 m(圖1b)。受地形影響，北風(fēng)和西北風(fēng)受到山體阻擋后進(jìn)入城市，易被削弱，而刮東南風(fēng)時(shí)，受到山體阻擋后形成回流渦旋，因而地形決定其基本風(fēng)場(chǎng)條件不利于空氣流通和污染物擴(kuò)散。付桂琴等[15]分析了河北省霾日變化及成因時(shí)指出，石家莊“喇叭口”地形效應(yīng)不利于污染物擴(kuò)散；陳靜等[16]的研究也指出，受太行山阻擋，石家莊市東南部地區(qū)污染物向山前匯聚是污染嚴(yán)重的成因之一。

本文以石家莊市2017-2030年城市總體規(guī)劃修編工作關(guān)注的主城區(qū)及周邊4個(gè)建置區(qū)，包括正定、鹿泉、欒城、藁城(以下合稱為“都市區(qū)”)，為研究對(duì)象，所轄面積為2638 km2(圖1b)。

圖1 研究區(qū)地理位置(a)及國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)分布(b)

1.2 研究方法

首先，收集研究所需數(shù)據(jù)資料，主要分為以下幾類：

(1)石家莊地區(qū)16個(gè)國(guó)家基本氣象站和25個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站氣象觀測(cè)資料。其中，國(guó)家基本氣象站為1981-2010年氣候整編資料，用于市域范圍風(fēng)環(huán)境評(píng)估。區(qū)域自動(dòng)氣象站為石家莊都市區(qū)范圍內(nèi)的2017-2018年的10 min風(fēng)速、10 min風(fēng)向逐時(shí)數(shù)據(jù)，按照蒲氏風(fēng)等級(jí)，將風(fēng)速劃分為11個(gè)風(fēng)速段，即[0,0.5](0.5,1](1,1.5](1.5,2](2,2.5](2.5,3](3,3.5](3.5,4](4,4.5](4.5,5]和>5 m·s-1，用于統(tǒng)計(jì)都市區(qū)局地風(fēng)場(chǎng)特征。數(shù)據(jù)來(lái)源于石家莊市氣象局。

(2)石家莊市2016年8月31日成像的美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat8 OLI和TIRS傳感器數(shù)據(jù)，其中OLI空間分辨率為30 m，用于提取土地利用類型、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index)與綠量等，TIRS空間分辨率100 m，用于地表溫度反演與熱島強(qiáng)度計(jì)算。數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云遙感數(shù)據(jù)引擎網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/sources)。

(3)石家莊市數(shù)字高程影像(DEM)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，用于基本自然地理?xiàng)l件、地形高度與坡度提取。數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云遙感數(shù)據(jù)引擎網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/sources)。

(4)石家莊都市區(qū)2014年1∶2000基礎(chǔ)地理信息建筑圖層數(shù)據(jù)，用于提取建筑物高度和密度，計(jì)算建筑地區(qū)地表粗糙度和天空開(kāi)闊度，從而估算地表通風(fēng)潛力。數(shù)據(jù)來(lái)源于石家莊市勘察測(cè)繪研究院。

(5)美國(guó)地球科學(xué)激光測(cè)高儀系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)反演的全球1 km空間分辨率的森林植被高度數(shù)據(jù)和石家莊地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站根據(jù)平原地區(qū)農(nóng)作物的生理物候特征獲取的植被高度數(shù)據(jù)，用于計(jì)算植被地區(qū)的地表粗糙度及通風(fēng)潛力。

其次，把握城市整體的氣候環(huán)境狀況、地形地貌的特點(diǎn)及自然要素，進(jìn)行背景風(fēng)環(huán)境分析，通過(guò)氣象統(tǒng)計(jì)分析或數(shù)值模擬了解新鮮空氣的來(lái)源及城市空氣環(huán)流的類型，評(píng)估可利用的自然風(fēng)環(huán)境系統(tǒng)及局地風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)[17]。對(duì)于通風(fēng)而言，風(fēng)速過(guò)大或過(guò)小，有無(wú)通風(fēng)廊道對(duì)城市內(nèi)部通風(fēng)的效果差異并不明顯。根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候可行性論證規(guī)范城市通風(fēng)廊道》[18]將風(fēng)頻集中的中小風(fēng)速段(占全部風(fēng)頻的70%左右)確定為對(duì)通風(fēng)廊道起作用的軟輕風(fēng)范圍，在此范圍，廊道更能有效利用這段風(fēng)速，從而提高實(shí)際通風(fēng)效果。因此，開(kāi)展軟輕風(fēng)的風(fēng)速范圍統(tǒng)計(jì)，分析都市區(qū)軟輕風(fēng)的風(fēng)向頻率及局地特征，繪制對(duì)通風(fēng)廊道起作用的軟輕風(fēng)玫瑰圖。

再次，由于城市中的綠地、河流等是低溫區(qū)域，與城市建筑區(qū)域之間形成循環(huán)風(fēng)，利于改善城市的熱環(huán)境[19-20]。因此，基于Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行地表溫度反演和城市綠量估算。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展熱島及生態(tài)綠源空間分布分析，利用熱島和冷源的熱力差異產(chǎn)生的局地環(huán)流，作為自然“空調(diào)”系統(tǒng)，加速城市內(nèi)部空氣流動(dòng)，改善城市的熱環(huán)境。

最后，利用建筑高度、密度和土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)遙感和GIS技術(shù)，提取城市地表參數(shù)和空間形態(tài)參數(shù)，對(duì)地表通風(fēng)能力進(jìn)行評(píng)估；利用開(kāi)敞空間和建筑錯(cuò)落，提出城市通風(fēng)廊道分級(jí)構(gòu)建方案；選取典型廊道的典型街區(qū)，模擬街區(qū)尺度氣候環(huán)境，并提出有利于自然通風(fēng)的規(guī)劃建議。同時(shí)開(kāi)展人居氣候環(huán)境觀測(cè)，對(duì)比驗(yàn)證通風(fēng)廊道的自然通風(fēng)效果。

2 通風(fēng)評(píng)估結(jié)果與分析

2.1 背景風(fēng)環(huán)境評(píng)估

根據(jù)石家莊代表站歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，石家莊市年平均風(fēng)速為1.7 m·s-1，全年1/5為靜風(fēng)(指距地面10 m高處平均風(fēng)速小于0.5 m/s的氣象條件)，靜風(fēng)頻率較高。從歷年風(fēng)速變化來(lái)看，1955-1980年年平均風(fēng)速為1.74 m·s-1，1981-2010年年平均風(fēng)速下降為1.70 m·s-1，風(fēng)速呈減小趨勢(shì)。全年主導(dǎo)風(fēng)向以南東南風(fēng)最多，累計(jì)頻率為12%，其次為北風(fēng)，累計(jì)頻率為10%。各季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向存在明顯差異，秋、冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)(N)，春、夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)(SSE)。就各風(fēng)向的年平均風(fēng)速來(lái)看，南東南風(fēng)的風(fēng)速最大，西北西和西風(fēng)的風(fēng)速次之。

根據(jù)石家莊市域國(guó)家基本氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的主導(dǎo)風(fēng)空間分布見(jiàn)圖2。由圖2可看出，都市區(qū)風(fēng)源主要由自西部山區(qū)吹向平原的山風(fēng)，即西風(fēng)、西北風(fēng)，以及來(lái)自東部平原地區(qū)的偏南風(fēng)組成，是石家莊市自然通風(fēng)的進(jìn)氣口，且西部山區(qū)植被覆蓋度高，是都市區(qū)重要的清潔空氣來(lái)源。根據(jù)石家莊都市區(qū)自動(dòng)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的軟輕風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向分布見(jiàn)圖3。由圖3可看出，鹿泉區(qū)位于沿山地區(qū)，由于受山地與平原間熱力差異影響，在軟輕風(fēng)風(fēng)速段以西風(fēng)和西北風(fēng)為主，預(yù)留西-東、西北-東南方向的空氣引導(dǎo)通道有利于將外圍清潔空氣引入城區(qū)。新華區(qū)、橋東區(qū)和長(zhǎng)安區(qū)位于主城區(qū)偏北地區(qū)，軟輕風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向以東北風(fēng)、北風(fēng)為主；橋西區(qū)和裕華區(qū)位于主城區(qū)偏南地區(qū)，以東南風(fēng)、南風(fēng)為主；南部欒城區(qū)和東部藁城區(qū)則以東南、南風(fēng)較多。預(yù)留走向以東南-西北、南-北方向?yàn)橹鞯目諝庖龑?dǎo)通道，有利于提高通氣量和自然通風(fēng)效能。綜上，空氣引導(dǎo)通道設(shè)置為西部沿西-東、西北-東南方向，中部和東部沿南-北方向更有利于城市內(nèi)部通風(fēng)環(huán)境營(yíng)造。

圖2 石家莊市域主導(dǎo)風(fēng)向空間分布

圖3 石家莊都市區(qū)軟輕風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向空間分布

2.2 熱環(huán)境評(píng)估

地表熱島強(qiáng)度(SUHI)指通過(guò)衛(wèi)星遙感觀測(cè)到的某位置處的陸表溫度與鄉(xiāng)村背景內(nèi)的陸表溫度平均值的差值。本文利用Landsat數(shù)據(jù)反演地表溫度，從而得到SUHI。將熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分為7級(jí)，具體參見(jiàn)表1(QX/T 437-2018)。

表1 地表熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分及含義

圖4為石家莊熱島強(qiáng)度空間分布圖。由圖4可知，石家莊都市區(qū)熱島總體上呈東西走向橢圓狀分布，強(qiáng)熱島區(qū)主要集中在二環(huán)內(nèi)繁華的道路、商業(yè)區(qū)、居住區(qū)及建材城等，說(shuō)明城市建筑、道路的吸熱作用較強(qiáng)。這些區(qū)域建筑密度大且綠地覆蓋率低，缺少生態(tài)補(bǔ)給。此外，熱島中心有明顯向外圍擴(kuò)張趨勢(shì)，以東部擴(kuò)張明顯，主城區(qū)熱島與藁城熱島形成連片趨勢(shì)。周邊大量的農(nóng)田處于無(wú)熱島狀態(tài)，水體呈明顯冷島或無(wú)熱島效應(yīng)。

圖4 石家莊都市區(qū)熱島強(qiáng)度空間分布

由于水體、林地與城鎮(zhèn)建設(shè)用地之間的溫度差，即使在弱風(fēng)情況下，也可產(chǎn)生新鮮冷空氣流動(dòng)的現(xiàn)象，可以有效減緩城市熱島效應(yīng)，同時(shí)也是冷空氣來(lái)源和改善空氣流通與人居環(huán)境的重要場(chǎng)所，是自然通風(fēng)規(guī)劃的重要前提條件之一。因此，把水體、林地和農(nóng)田，以及城市綠地里的林地灌木和草地定義為城市生態(tài)冷源。綠量是綜合反映植被葉面積指數(shù)、植被覆蓋和植被結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，是衡量城市不同綠地生態(tài)效益及其綠化水平的重要參數(shù)，對(duì)降溫、增濕、改善城市小氣候具有明顯意義[21]。因此，采用土地利用類型和綠量綜合評(píng)估的方法，對(duì)生態(tài)冷源進(jìn)行等級(jí)劃分。具體參見(jiàn)表2(QX/T 437-2018)。

圖5是石家莊生態(tài)冷源空間分布。由圖5可知，強(qiáng)冷源集中于黃壁莊水庫(kù)、滹沱河等水體區(qū)域，較強(qiáng)冷源主要分布于鹿泉區(qū)西部綠量較大的山區(qū)林地，平原農(nóng)田屬一般冷源，城郊綠地和城區(qū)河道為較弱冷源。二環(huán)內(nèi)由于綠化和水體較少，生態(tài)冷源稀少，且分布分散，未能形成有效串聯(lián)，不利于對(duì)熱島進(jìn)行有效切割。正定新區(qū)屬于新開(kāi)發(fā)區(qū)，綠量較大，同時(shí)滹沱河是正定與主城區(qū)之間的天然生態(tài)屏障，對(duì)減緩熱島有積極作用。

2.3 通風(fēng)潛力評(píng)估

通風(fēng)潛力是指由地表植被和建筑覆蓋及周邊區(qū)域開(kāi)放程度而確定的空氣流通能力，通過(guò)天空開(kāi)闊度(SVF)和粗糙度長(zhǎng)度(Z0)計(jì)算[20]。劉勇洪等[21]初步建立了一套基于GIS和RS技術(shù)的城市通風(fēng)環(huán)境評(píng)估指標(biāo)體系與技術(shù)方法，開(kāi)展100 m左右分辨率的城市地表通風(fēng)潛力研究。由于城區(qū)粗糙度主要由建筑物引起，郊區(qū)主要由植被造成，因此，本研究在其基礎(chǔ)上，考慮城區(qū)和郊區(qū)不同的通風(fēng)潛力計(jì)算方法，對(duì)石家莊都市區(qū)地表通風(fēng)潛力進(jìn)行評(píng)估。

圖5 石家莊都市區(qū)生態(tài)冷源空間分布

(1)對(duì)于城市下墊面，建筑物是影響粗糙元吸收動(dòng)量能力的主要因素。通過(guò)1∶2000城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取建筑物圖層信息，提取建筑密度和建筑高度兩個(gè)參數(shù)，得到石家莊都市區(qū)25 m空間分辨率的城區(qū)地表粗糙度長(zhǎng)度。

(2)郊區(qū)地表粗糙度主要取決于植被類型、葉面積指數(shù)和植被高度。結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，將郊區(qū)地表植被分為森林、農(nóng)田兩種類型。葉面積指數(shù)的計(jì)算利用2016年8月31日成像的美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat數(shù)據(jù)，采用王修信等[22]建立的葉面積指數(shù)LAI與歸一化植被指數(shù)(NDVI)的多項(xiàng)式回歸關(guān)系，Jasinski等[23]確定的不同植被類型的形態(tài)模型參數(shù)，以及Zeng等[24]定義的植被冠層面積指數(shù)Λ的計(jì)算方法。植被高度的估算考慮森林及平原農(nóng)田，其中森林地區(qū)植被高度采用美國(guó)地球科學(xué)激光測(cè)高儀系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)反演的全球1 km空間分辨率的森林植被高度數(shù)據(jù)，平原農(nóng)田植被高度的估算采用石家莊地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站根據(jù)平原地區(qū)農(nóng)作物的生理物候特征獲取的植被高度數(shù)據(jù)。綜上，得到石家莊都市區(qū)25 m空間分辨率的郊區(qū)地表粗糙度長(zhǎng)度。

綜合城市和郊區(qū)地表粗糙度長(zhǎng)度空間分布，得到都市區(qū)粗糙度長(zhǎng)度(圖6)。由圖6可看出，主城區(qū)Z0值較高，大部分在1 m以上，其中北二環(huán)至北三環(huán)之間、長(zhǎng)安區(qū)西側(cè)二環(huán)以內(nèi)的部分地區(qū)，Z0達(dá)到3 m以上。三環(huán)外由于建筑高度和密度不大，粗糙度長(zhǎng)度明顯低于主城區(qū)的，一般在1 m以下。郊區(qū)地表主要以林地、低矮農(nóng)作物、休閑裸地和水體為主，Z0為0～0.3 m，這與Shinsuke等[25]把水體、裸地、冰面、平坦草地、低矮作物等的Z0值定義為0.0002～0.25 m接近。鹿泉地區(qū)的Z0大部分為0.2～0.3 m，這與山區(qū)森林植被高度較高直接相關(guān)[26-27]。

圖6 石家莊都市區(qū)地表粗糙度長(zhǎng)度空間分布

開(kāi)敞空間是空氣匯集、流通和引導(dǎo)的重要區(qū)域，也是人們室外休憩、交流的重要場(chǎng)所，對(duì)于城市通風(fēng)、生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和優(yōu)化具有重要意義[28]。天空開(kāi)闊度(SVF)是對(duì)某一點(diǎn)可視空間特征的描述，可以定量反映開(kāi)放空間敞開(kāi)區(qū)域的程度。采用Zak?ek等[29]提出的基于高分辨率數(shù)字高程模型(DEM)的柵格計(jì)算模型，利用1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，計(jì)算石家莊都市區(qū)SVF空間分布，結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知，橋東區(qū)中部至長(zhǎng)安區(qū)西部部分地區(qū)、北二環(huán)至北三環(huán)之間部分地塊，建筑物密集且建筑高度較高，SVF在0.6以下；其余城市建成區(qū)SVF普遍為0.6～0.8；部分山區(qū)及山前地區(qū)SVF為0.7～0.9；周邊平原地區(qū)普遍大于0.9。

良好的自然通風(fēng)環(huán)境的營(yíng)造，需要盡可能選擇通風(fēng)潛力較大、風(fēng)易于穿過(guò)的地區(qū)。結(jié)合地表粗糙度長(zhǎng)度和天空開(kāi)闊度兩個(gè)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)石家莊都市區(qū)通風(fēng)潛力。根據(jù)Matzarakis等[30]提出風(fēng)道的首要指標(biāo)是空氣動(dòng)力粗糙長(zhǎng)度小于0.5 m，因此，定義粗糙長(zhǎng)度0.5 m作為較高通風(fēng)潛力的上限值，而把1.0 m作為具有較低通風(fēng)潛力的空氣動(dòng)力粗糙長(zhǎng)度下限值。Oke[31]的研究指出，城市街道空間的天空開(kāi)闊度與城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生密切相關(guān)，SVF越小，形成城市熱島效應(yīng)的概率和強(qiáng)度越大。Chen等[32]在研究香港城市天空開(kāi)闊度時(shí)發(fā)現(xiàn)，天空開(kāi)闊度與熱島強(qiáng)度的回歸關(guān)系中SVF的有效范圍是0.76，因此，定義具有較高通風(fēng)潛力的SVF下限值為0.75(表3)。

圖7 石家莊都市區(qū)天空開(kāi)闊度空間分布

表3 通風(fēng)潛力等級(jí)劃分及含義

基于以上結(jié)果計(jì)算的地表通風(fēng)潛力見(jiàn)圖8。由圖8可知，二環(huán)內(nèi)城市建設(shè)密集，寬闊連續(xù)的水體、道路、綠地稀少，通風(fēng)能力較好的連續(xù)帶狀區(qū)域的空間尺度也較小，低潛力區(qū)域占比大，除京廣鐵路軸線外，基本無(wú)較高通風(fēng)潛力斑塊分布，地表通風(fēng)潛力較差。三環(huán)區(qū)域內(nèi)分布有零散的通風(fēng)潛力較大的城區(qū)河道、公園綠地及寬闊街道或低矮零碎的建筑區(qū)，建立連接進(jìn)行貫通，有利于形成良好的通風(fēng)環(huán)境。三環(huán)外目前通風(fēng)較好，高通風(fēng)潛力區(qū)域有連貫開(kāi)闊的地帶。

圖8 石家莊都市區(qū)通風(fēng)潛力等級(jí)分布

3 應(yīng)用與策略

城市空間形態(tài)對(duì)氣候產(chǎn)生的影響體現(xiàn)在宏觀和微觀兩種不同尺度上。因此，在城市規(guī)劃建設(shè)中，對(duì)于通風(fēng)評(píng)估來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)城市規(guī)劃中不同層面的應(yīng)用，分為城市尺度和小區(qū)尺度兩部分，分別提出規(guī)劃設(shè)計(jì)策略。

3.1 城市尺度

根據(jù)圖2、圖3，由于西部綠色山體生態(tài)屏障與滹沱河水體是石家莊都市區(qū)最為重要的生態(tài)冷源，廊道自西/西北延伸向東/東南，順應(yīng)自然風(fēng)場(chǎng)，引山水之風(fēng)；東部側(cè)重在城市組團(tuán)間進(jìn)行熱島切割，廊道宜南北向貫穿，增強(qiáng)通透性，建“呼吸”之城。

在以上研究分析的基礎(chǔ)上，初步勾畫(huà)潛在通風(fēng)廊道。研究表明，空氣引導(dǎo)通道的大小和數(shù)量與城市規(guī)模及所需通風(fēng)效率有關(guān)[33-34]。設(shè)城市建成區(qū)的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)(km)，風(fēng)速為V(km/h)，則每天城市的大氣被新鮮空氣置換的次數(shù)T=24V/L，進(jìn)氣通道的總寬度W占城市邊長(zhǎng)L的比例是T的倒數(shù)，即W/L=1/T，W=L/T，W=L1×L2/24V。石家莊都市區(qū)東西長(zhǎng)約26 km，南北長(zhǎng)約20 km，年均風(fēng)速1.7 m·s-1(6.12 km/h)，代入公式，得到東西方向T=5.65，W=2.72 km。若一級(jí)廊道每條寬約1 km，共2條，則剩余二級(jí)廊道總寬度為0.72 km，假設(shè)平均每條二級(jí)廊道寬約100 m，則總共還需7條二級(jí)廊道。同理，南北方向T=7.34,W=4.6 km，一級(jí)廊道4條，每條寬約1 km，二級(jí)廊道6條，每條寬約100 m。因此，構(gòu)建“6+13”通風(fēng)廊道系統(tǒng)。

根據(jù)圖4、圖5，可在規(guī)劃通風(fēng)廊道時(shí)，充分利用主導(dǎo)風(fēng)串連冷源和熱島區(qū)域，利用河流水系所形成的河道，如滹沱河、洨河，與城市對(duì)外交通干道(高速公路、國(guó)道、鐵路)的林地化綠帶，如京廣鐵路、新元高速、京港澳高速等，構(gòu)建一級(jí)通風(fēng)廊道，將外圍自然風(fēng)引入、城區(qū)的熱空氣導(dǎo)出，形成局地氣流良性運(yùn)轉(zhuǎn)，打散熱空氣團(tuán)，緩解城市熱島效應(yīng)。

根據(jù)圖8，可在城郊高通風(fēng)潛力的連貫開(kāi)闊地帶，將新鮮空氣引至城區(qū)邊緣后，再根據(jù)城區(qū)內(nèi)開(kāi)敞空間的尺度，采用一級(jí)廊道與二級(jí)廊道互相連接、輔助和延展的形式，選擇如園博園、植物園、民心河、城市公園等相互連接形成的冷源型補(bǔ)償空間，或和平路、槐安路、二環(huán)路等穿越城區(qū)的長(zhǎng)距離主干道，或正定站、云龍大橋、正定中學(xué)等大型開(kāi)放空間，作為載體，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)呈網(wǎng)狀均衡分布，形成促進(jìn)城區(qū)空氣流通的“藍(lán)網(wǎng)”。利用地理信息技術(shù)繪制城市氣候分析圖[13，35-36]，根據(jù)城市建設(shè)對(duì)不同的建設(shè)區(qū)、開(kāi)敞空間、復(fù)雜地形區(qū)的氣候影響程度，將研究區(qū)分為五類氣候空間(圖9)。一級(jí)區(qū)域主要為強(qiáng)熱島、通風(fēng)潛力最差、植被覆蓋度極低的城市高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)區(qū)域，是氣候環(huán)境亟須改善的敏感區(qū)域。二級(jí)區(qū)域主要為熱島較強(qiáng)、植被覆蓋一般、通風(fēng)潛力偏差的城市建設(shè)或村鎮(zhèn)建設(shè)地區(qū)。這些地塊如果開(kāi)發(fā)不合理，將導(dǎo)致氣候環(huán)境惡化，是未來(lái)建設(shè)主要管控和改善的目標(biāo)區(qū)域，需嚴(yán)防熱島升級(jí)和通風(fēng)環(huán)境惡化，也是通風(fēng)廊道重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。三級(jí)區(qū)域主要為二級(jí)區(qū)域的邊緣地塊，熱島強(qiáng)度一般。如果臨界的二級(jí)區(qū)域或一級(jí)區(qū)域面積較大，開(kāi)發(fā)建設(shè)中應(yīng)考慮生態(tài)隔離空間的規(guī)劃。四級(jí)區(qū)域?yàn)闊釐u較弱、植被覆蓋較好的城市氣候補(bǔ)償區(qū)域，主要為淺山地區(qū)、城市公園、郊野區(qū)域等。五級(jí)區(qū)域主要為植被覆蓋較好的林地和農(nóng)田等生態(tài)冷源區(qū)域。

圖9 石家莊都市區(qū)自然通風(fēng)營(yíng)造方案

3.2 小區(qū)尺度

在城市總體規(guī)劃基礎(chǔ)上，針對(duì)城市設(shè)計(jì)與控制性詳細(xì)規(guī)劃，研究城市微觀尺度上用地的布局和形態(tài)與局地小尺度氣候的相互作用、相互影響[37-38]。采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的方法，對(duì)石家莊典型街區(qū)進(jìn)行微氣候環(huán)境模擬，分析不同建筑格局對(duì)風(fēng)、熱環(huán)境的影響。

典型街區(qū)選取京廣線一級(jí)通風(fēng)廊道內(nèi)的部分地塊，端點(diǎn)北至和平路，南至槐安路，西至中華南大街，東至建設(shè)南大街(圖10a)，用以分析街區(qū)風(fēng)環(huán)境特征，獲得風(fēng)速、街道走向及建筑布局對(duì)街區(qū)通風(fēng)影響的一般規(guī)律。區(qū)域內(nèi)含有各類住宅小區(qū)、商業(yè)辦公樓、公共建筑等，建筑高度錯(cuò)落、布局密度適中，具有良好的街區(qū)代表性。

利用建筑數(shù)據(jù)，進(jìn)行典型街區(qū)三維實(shí)體模型構(gòu)建(圖10b)，將模型導(dǎo)入流體力學(xué)軟件，并將建筑物及周邊范圍內(nèi)所有的地形、地物進(jìn)行網(wǎng)格化，完成比例尺與方位角等匯入?yún)?shù)設(shè)置。風(fēng)環(huán)境對(duì)人體舒適度的影響集中在行人高度層，即1.5 m高度處。因此選擇距地2 m高度，分別模擬典型街區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向——東南風(fēng)、北風(fēng)兩種風(fēng)條件下，街區(qū)的風(fēng)場(chǎng)分布。基準(zhǔn)風(fēng)速設(shè)定為3 m/s，基準(zhǔn)高度為10 m，大氣層邊緣參數(shù)按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2012最新修訂版)中有密集建筑群的城市地況類進(jìn)行設(shè)置。

圖10 典型街區(qū)位置(a)與三維模型(b)示意圖

從北風(fēng)的模擬結(jié)果來(lái)看(圖11a)，京廣鐵路走向與主導(dǎo)風(fēng)向一致，沿線空間較為開(kāi)闊，其中中山西路至裕華路之間(1區(qū)域)最為開(kāi)闊，風(fēng)速最大，達(dá)2.4～-3 m·s-1；其次為解放廣場(chǎng)(2區(qū)域)，由于其建筑物密度較低，風(fēng)速約為1.8～-2 m·s-1，風(fēng)環(huán)境較好；平安大街(a)、建設(shè)大街(b)、中山路(c)、裕華路(d)街道較寬，區(qū)域內(nèi)部風(fēng)速也較高。將風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果與建筑密度作相關(guān)分析，得到典型街區(qū)風(fēng)速衰減與建筑密度的關(guān)系(表4)。由表4得出，風(fēng)速衰減等級(jí)隨建筑密度升高而增加，即建筑密度越大，風(fēng)速減小越多。

從東南風(fēng)的模擬結(jié)果來(lái)看(圖11b)，南部區(qū)域平均風(fēng)速最大，風(fēng)環(huán)境最好，與位于主導(dǎo)風(fēng)向上游的建筑高度普遍偏低有關(guān)；京廣鐵路、廣場(chǎng)等開(kāi)闊空間，通風(fēng)環(huán)境較好；北部區(qū)域處于風(fēng)向下游，建筑覆蓋密集且高層建筑偏多，通風(fēng)條件差，平均風(fēng)速在0.5 m·s-1以下，存在大面積連片分布的無(wú)風(fēng)區(qū)域。

圖11 典型街區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬分析

綜上所述，上游來(lái)風(fēng)方向建筑物越少、密度越小越有利于通風(fēng)；通風(fēng)效果的保證有賴于下墊面屬性及寬度、周邊開(kāi)發(fā)強(qiáng)度等[39]。相比較而言，寬闊道路的通風(fēng)環(huán)境較好，呈東西方向排列(垂直于風(fēng)向)且建筑密度較高的建筑群，擋風(fēng)效果最為明顯。

表4 典型街區(qū)風(fēng)速衰減與建筑密度的關(guān)系

為驗(yàn)證廊道的實(shí)際通風(fēng)效果，捕捉城市街道、樓宇冠層微氣候特點(diǎn)，開(kāi)展了人居氣候環(huán)境觀測(cè)。綜合考慮用地情況、通風(fēng)廊道位置、觀測(cè)站分布密度等因素，建立了7個(gè)城市微氣候觀測(cè)站(圖12)，包括3個(gè)地面觀測(cè)站、4個(gè)樓宇觀測(cè)站。選取2019年7月28日典型中小風(fēng)天氣條件逐小時(shí)觀測(cè)的風(fēng)速和氣溫，并進(jìn)行各站的對(duì)比分析，風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖13。對(duì)比分析表明，樓宇站風(fēng)速較大，地面站風(fēng)速較小。如家酒店站、華夏家具城站和懷特站主要分布于11號(hào)二級(jí)廊道上(圖9)，街道較寬闊，通風(fēng)環(huán)境較好，且如家酒店站的觀測(cè)風(fēng)速高于華夏家具城站和懷特站的，表明局地風(fēng)速具有西部的高于東部的特征，說(shuō)明離山區(qū)生態(tài)冷源越近，風(fēng)速越大。華藥站和懷特站主要分布于5號(hào)二級(jí)廊道上，且大部分時(shí)刻懷特站的觀測(cè)風(fēng)速高于華藥站的，表明南部片區(qū)通風(fēng)環(huán)境好于北部的，即主導(dǎo)風(fēng)上游通風(fēng)環(huán)境好于下游的。地面站以科大新校區(qū)站通風(fēng)環(huán)境最佳，民心河站風(fēng)速較小，表明民心河雖為生態(tài)冷源，但其氣候效應(yīng)并未有效發(fā)揮，建議在城市更新中拓寬河道，控制兩旁建筑高度和密度，改善局地氣候環(huán)境。

圖12 微氣候站分布

4 結(jié) 論

本研究在先期城市通風(fēng)潛力及通風(fēng)環(huán)境評(píng)估技術(shù)研究基礎(chǔ)上，以石家莊為例，構(gòu)建了基于城市建設(shè)與通風(fēng)環(huán)境之間關(guān)系的自然通風(fēng)規(guī)劃技術(shù)方法，并對(duì)通風(fēng)廊道的自然通風(fēng)效能進(jìn)行觀測(cè)驗(yàn)證，對(duì)未來(lái)規(guī)劃建設(shè)提供優(yōu)化城市空間、改善城市氣候環(huán)境、提升宜居品質(zhì)的指導(dǎo)建議。結(jié)果表明：

圖13 微氣候站風(fēng)速對(duì)比

(1)根據(jù)通風(fēng)效率要求，利用河流水系所形成的河道，與城市對(duì)外交通干道(高速公路、國(guó)道、鐵路)的林地化綠帶，構(gòu)建6條一級(jí)通風(fēng)廊道；根據(jù)地表通風(fēng)能力，以城市公園等形成的冷源型補(bǔ)償空間，或穿越城區(qū)的長(zhǎng)距離主干道，或廣場(chǎng)等大型開(kāi)放空間為載體，構(gòu)建13條二級(jí)通風(fēng)廊道。

(2)應(yīng)依據(jù)城市氣候分析圖(圖9)，采取不同策略:一級(jí)、二級(jí)區(qū)域應(yīng)充分尊重已有城市建設(shè)格局，采取“優(yōu)化與更新”策略，依據(jù)不同區(qū)域的現(xiàn)狀條件逐步調(diào)整建筑布局，緩解氣候環(huán)境問(wèn)題。三級(jí)區(qū)域采取“控制與引導(dǎo)”策略，在空間開(kāi)闊程度及建筑物覆蓋率、建筑排列布局方式等方面減少因規(guī)劃設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致的氣候環(huán)境問(wèn)題。四級(jí)、五級(jí)區(qū)域采取“保護(hù)與限制開(kāi)發(fā)”策略，使用于改善城市氣候的土地得到保護(hù)和合理利用。

(3)主導(dǎo)風(fēng)向上游方向建筑物越少、密度越小，越有利于通風(fēng)。低矮建筑或開(kāi)闊空間的通風(fēng)環(huán)境較好，呈東西方向，即垂直于風(fēng)向排列，且建筑密度較高的建筑群，擋風(fēng)效果最為明顯。風(fēng)速衰減等級(jí)隨建筑密度升高而增加，即建筑密度越大，風(fēng)速減小越多。

以上研究可為從規(guī)劃角度改善石家莊城市風(fēng)環(huán)境和大氣環(huán)境品質(zhì)提供參考，但通風(fēng)效率如何評(píng)估是下一步值得探討和研究的問(wèn)題。此外，尚需關(guān)注廊道建成后的通風(fēng)效益，對(duì)空氣引導(dǎo)通道長(zhǎng)度、寬度、補(bǔ)償空間規(guī)模等進(jìn)行分段定量精細(xì)化評(píng)估；開(kāi)展城市風(fēng)貌管控與高層建筑分布優(yōu)化，提出實(shí)操性較強(qiáng)的規(guī)劃建議。