王冠, 周宏軒, 王文真, 孫婧, 馬梟

中微觀尺度上城市形態(tài)指標(biāo)與城市通風(fēng)的關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)展

王冠, 周宏軒*, 王文真, 孫婧, 馬梟

中國礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院, 徐州 221116

城市化所導(dǎo)致的下墊面變化深刻影響著城市風(fēng)環(huán)境。在中性穩(wěn)定大氣條件下, 綜述了以街谷因子(s)、建筑密度()和迎風(fēng)面積比()為主的城市形態(tài)指標(biāo)在中微觀氣候尺度下與城市風(fēng)環(huán)境的關(guān)聯(lián)與指標(biāo)應(yīng)用。這三類參數(shù)代表了城市風(fēng)環(huán)境評估的三個方面,s有助于分析風(fēng)場分布特征和風(fēng)流流態(tài)變化規(guī)律、更多涉及通風(fēng)導(dǎo)向的城市規(guī)劃中的應(yīng)用問題、則是與城市風(fēng)環(huán)境評估指標(biāo)最為相關(guān)的參數(shù)。這三類參數(shù)只作為城市風(fēng)環(huán)境評估的參考, 不構(gòu)成決策依據(jù)。以下三方面有待深入研究: 進(jìn)一步發(fā)掘并完善相關(guān)城市形態(tài)參數(shù)、非穩(wěn)態(tài)條件下城市下墊面多因子的影響機(jī)制以及風(fēng)環(huán)境評估指標(biāo)體系評估體系的完善與應(yīng)用等。

城市形態(tài); 城市通風(fēng); 建筑密度; 迎風(fēng)面積比; 街谷因子

0 前言

隨著中國城市建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段[1], 城市原有的下墊面類型被改變, 導(dǎo)致了地區(qū)微氣候, 尤其是以行人高度風(fēng)環(huán)境為標(biāo)志的城市氣候環(huán)境變化[2]。城市大氣污染直接或間接地加劇了城市熱島效應(yīng)和人類罹患呼吸系統(tǒng)疾病的概率, 成為建設(shè)健康人居環(huán)境的重要挑戰(zhàn)[3, 4]。通過對大量案例在尺度、維度和度量等方面的實(shí)地調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析, 學(xué)者認(rèn)為城市形態(tài)與地域氣候存在密不可分的關(guān)系[5, 6], 城市平均風(fēng)速的變化與城市三維形態(tài)的改變往往體現(xiàn)在數(shù)十年的時(shí)間尺度上[7], 不僅直接影響污染物擴(kuò)散[8]和室內(nèi)外通風(fēng)狀況[9, 10], 還會間接影響城市熱島效應(yīng)[11]。目前, 我國基于城市通風(fēng)理論進(jìn)行的城市規(guī)劃與建設(shè), 主要體現(xiàn)在通風(fēng)廊道建設(shè)方面, 也提出了基于各類通風(fēng)指標(biāo)的參考守則及案例[12-14], 這多與大尺度宏觀氣候相關(guān), 但是在中微觀尺度(街區(qū)或組團(tuán)尺度)仍然缺乏較為完善的指導(dǎo)策略。解析城市三維形態(tài)與城市通風(fēng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是創(chuàng)建良好城市環(huán)境的必要過程, 也是進(jìn)行城市設(shè)計(jì)的合理需求[15], 主要包括以下幾個要點(diǎn): 1)如何量化描述城市的通風(fēng)效果和三維形態(tài); 2)各個參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系; 3)理論與實(shí)踐結(jié)合的基本原則。

1 城市形態(tài)的描述和通風(fēng)效率的評估方法

近年來, 城市通風(fēng)效果一般通過使用各種通風(fēng)指標(biāo)或排污指標(biāo)進(jìn)行評估, 如均風(fēng)速比[16], 體積流量[17], 每小時(shí)換氣量[18], 吹掃流量[19], 空氣齡[20, 21], 通風(fēng)效率[22], 交換速度和城市透氣性[23]等, 這些指標(biāo)均可以在計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的平臺上進(jìn)行計(jì)算[24-26],方便地應(yīng)用于相應(yīng)的網(wǎng)格模型中[27]。高海寧[28]和Peng[29]等系統(tǒng)歸納了與城市通風(fēng)評估相關(guān)的多個指標(biāo)的使用方式和各自優(yōu)劣, 使用一類通風(fēng)指標(biāo)來分析城市形態(tài)參數(shù)與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系已經(jīng)成為了學(xué)界共識。

城市形態(tài)可以通過街道高寬比(λ)、建筑密度(λ)和迎風(fēng)面積比(λ)等一系列比值型參數(shù)來量化描述[30], 這些指標(biāo)統(tǒng)稱為參數(shù)[31, 32],λ即建筑用地范圍內(nèi)所有建筑的基底總面積與該用地面積之比,λ=A/A, 其中A是建筑基底總面積,A是場地總面積;λ為與風(fēng)向同向的可見建筑物立面投影面積與用地面積之比; 街道高寬比λ=/,、分別是街道的高度和寬度,又被稱為街谷因子。參數(shù)共分三類(圖1): 第一類是用來描述建筑體塊的高度、寬度和建筑之間間距等模型尺寸的參數(shù), 其中用以描述街谷尺寸形態(tài)的就是街道高寬比λ; 第二類是用來表述城市下墊面特征的覆蓋率指標(biāo), 比如建筑密度、植被覆蓋率和水體覆蓋率等; 第三類是用以描述垂直方向城市形態(tài)結(jié)構(gòu)的指標(biāo), 如迎風(fēng)面積比λ、建筑高度等[33]。本文即在探索以參數(shù)為主的城市建筑形態(tài)與室外通風(fēng)的關(guān)系, 并通過分析該類指標(biāo)的應(yīng)用前景與特征來探討未來的發(fā)展趨勢。

2 城市建筑形態(tài)與城市通風(fēng)的關(guān)聯(lián)

2.1 街道高寬比(λs)

λ通過與風(fēng)流流態(tài)或渦旋形態(tài)的變化關(guān)聯(lián)來影響風(fēng)流傳送污染物的能力[34](圖2), 對于穩(wěn)態(tài)典型二維理想街谷(一般指與來流風(fēng)向垂直的街道)的城市氣候模型[33], 在λ < 0.35時(shí), 建筑被視為孤立障礙物, 相互之間影響很小, 出現(xiàn)獨(dú)立粗糙流(Isolated roughness flow), 其受表面阻礙物的作用很小, 但在背風(fēng)面等處可能會有污染物集聚, 整體通風(fēng)情況一般較好; 當(dāng)0.35 < λ < 0.65時(shí), 兩邊建筑同時(shí)影響風(fēng)流流態(tài)變化, 街谷內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定渦流造成對平均流的干擾, 稱為尾流干擾流(Wake interference flow), 該流態(tài)下, 湍流混合加劇, 垂直擴(kuò)散加強(qiáng), 一定程度上有助于污染物擴(kuò)散; 當(dāng)0.65 < λ < 1.67時(shí), 風(fēng)流吹過屋頂時(shí)會直接掠過, 幾乎不會向下進(jìn)入城市冠層內(nèi), 稱為掠流(Skimming flow), 此時(shí)由于剪切層的作用, 污染物被限制在街谷內(nèi)的穩(wěn)定渦流中, 掠流態(tài)條件下垂直擴(kuò)散最弱[35]。隨著λ增大, 渦流愈發(fā)明顯, 當(dāng)λ > 1.67時(shí), 街谷內(nèi)往往會產(chǎn)生多個渦旋, 不利于污染物擴(kuò)散。據(jù)學(xué)者研究, 兩個反向旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)在λ=2[36]時(shí), 而有3—5個垂直排列的渦旋對應(yīng)于λ=3—5[37]。Hang[38]發(fā)現(xiàn),λ=2時(shí), 迎風(fēng)面壁面熱效應(yīng)導(dǎo)致個體吸入指數(shù)升高, 此時(shí)形成2個渦旋; He[39]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)λ=1—4(一個渦旋)時(shí), 群體吸入指數(shù)=102—104ppm, 而當(dāng)λ=5—6(兩個渦旋)時(shí),=105—106ppm。隨著λ持續(xù)增大, 湍流流量逐漸占據(jù)主導(dǎo), 以致街谷產(chǎn)生多個渦旋時(shí), 污染物無法脫離, 聚集濃度會顯著升高, 但風(fēng)場內(nèi)的渦旋流態(tài)與λ并不擁有唯一恒定關(guān)系, 還與來流邊界條件等有關(guān)[40]。

圖1 λ參數(shù)相關(guān)概念示意

Figure 1parameters and related concepts

λ與通風(fēng)效率之間的關(guān)系受多因素影響。在不同城市的街道中, 曼哈頓、巴黎和柏林三個城市具有類似的λ, 內(nèi)部污染物濃度也相似。南京的λ最小(0.42), 風(fēng)速最高, 污染物濃度最小, 這是由于其垂直通風(fēng)和湍流有效促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散。相比之下, 巴塞羅那和巴黎主要依靠水平流擴(kuò)散污染物, 通風(fēng)效率有限[41], 這種情況多出現(xiàn)在λ(0.7 < λ < 1.0)較高的時(shí)候[42]。在理想條件下的均質(zhì)化模型, 當(dāng)λ=0.5—3時(shí), 空氣每小時(shí)交換率(ACH)為1.8—4 h-1, 而當(dāng)λ=5時(shí), ACH僅為0.8—0.9 h-1[43];λ增大(1—4), 通風(fēng)效率減少67%[44]。一般來說, 通風(fēng)效率隨λ增大顯著降低。需要注意的是, Yang[45]研究發(fā)現(xiàn), 行列式街區(qū)平均高度越高, 巷道風(fēng)效應(yīng)越強(qiáng), 均風(fēng)速比(VR)越大, 但建筑后的背風(fēng)面污染集聚加重, 整體風(fēng)環(huán)境并未改善, 這與下洗螺旋流帶動污染物的水平方向傳輸有關(guān)。只有在特定情況下, 減小λ才有助于降低污染物濃度, 增強(qiáng)通風(fēng)。因此, 建筑高度存在通風(fēng)效率最優(yōu)極值。對于幾乎不存在巷道效應(yīng)的錯列式建筑群, 在建筑密度相同的條件下,λ越大(0.3—1.5), 遮蔽效應(yīng)越強(qiáng), VR越低, 行人高度風(fēng)流越平穩(wěn)[46]。這里的結(jié)論并不矛盾, 反而證明λ表征的通風(fēng)效率與建筑布局是有關(guān)的。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),λ=0.5時(shí)的滯留時(shí)間大于λ=1的情況[47], 個體吸入指數(shù)在最窄(λ=1.5)與最寬的次街模型(λ=0.5)中相似, 都比中等長寬比模型(λ=1)小得多[48], 這都意味著λ與通風(fēng)效率之間并不是線性變化的, 而是存在臨界值也即閾值的。因此, 如何控制λ, 設(shè)計(jì)合適的比例, 需要根據(jù)具體情況具體確定, 以通過合理的設(shè)計(jì)尋求λ與通風(fēng)效率之間的平衡。

圖2 典型風(fēng)流流態(tài)

Figure 2 Typical types of wind flow

2.2 建筑密度(λp)

建筑是城市下墊面的主要組成部分, 同時(shí)也是最大的粗糙元素, 建筑密度(λ)反映區(qū)域內(nèi)建筑的水平面分布特征, 與城市氣候之間存在重要的聯(lián)系[30, 49]。對于稀疏的城市, 建筑之間干擾很小, 迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)場差異較大, 逆流僅發(fā)生在建筑物背風(fēng)面[27], 此時(shí)建筑群呈現(xiàn)出整體單個障礙物特征, 對應(yīng)于獨(dú)立粗糙流; 對于中等密度的城市, 風(fēng)場受到周圍建筑的影響較大, 多個干擾疊加導(dǎo)致復(fù)雜運(yùn)動, 建筑群呈現(xiàn)出障礙物組團(tuán)的特征, 對應(yīng)于尾流干擾流; 對于緊湊的城市, 掠流開始阻止空氣滲透到街谷內(nèi)部, 降低了交換速度和城市透氣性[50], 隨著密度繼續(xù)升高, 城市冠層內(nèi)開始出現(xiàn)強(qiáng)烈的反向流動和湍流氣泡[27], 這導(dǎo)致了大片的弱風(fēng)區(qū)和靜風(fēng)區(qū), 直至風(fēng)流逐漸從尾流干擾流過渡為掠流。這里對于密度范圍的區(qū)分是相對概念, 對于不同的城市,λ存在不同的變化閾值[51]。

容積率λloor是基于λ推導(dǎo)的參數(shù), 反映建筑平均高度(ZH)的影響,λ=λ×ZH。λ無法描述精確空間布局信息, 與建筑密度和高度、空間品質(zhì)、用地性質(zhì)、開發(fā)程度都有關(guān), 同樣的容積率可能是完全不同的城市形態(tài), 因此, 對于中尺度具有相似特征的城市區(qū)域, 有學(xué)者認(rèn)為,λ與區(qū)域內(nèi)均風(fēng)速并無直接關(guān)系[45, 55]。但這并不意味著λ不具有實(shí)踐意義, 對于垂直形態(tài)變化較大的城市, 仍然可以考慮結(jié)合高度參數(shù)與建筑密度來針對性精確描述建筑三維形態(tài)變化信息[57]。

2.3 迎風(fēng)面積比(λf)

λ反映了阻礙物對于風(fēng)的阻力大小[33],λ越高, 障礙物受到的風(fēng)的牽引力越大。λ不僅可以表征街道朝向、建筑高度、街道寬度、建筑布局等參數(shù)[45], 還可以表達(dá)建筑基底尺寸、0—15 m坪臺層形態(tài)[58]等較小尺度參數(shù)以及粗糙長度等大尺度參數(shù)的影響, 是綜合性較強(qiáng)的評估指標(biāo),λ()= A/ A=L×ZH×el, 其中,A為面向風(fēng)向的建筑物前部區(qū)域面積,L為面向風(fēng)向的粗糙度元素的平均寬度,el代表每單位面積建筑物的密度(數(shù)量)。λ通過A來反映建筑高度信息和風(fēng)向角的作用。A與測算的高度范圍有關(guān), 可以將λ表示為高度?z的函數(shù)λ(z), 以表達(dá)建筑高度差異和天際線變化等方面的信息[59]。λ(z)能夠有效表達(dá)尺度較大(500 m×500 m)的城市粗糙度, 但在香港這樣的高層城市中心, 0—15 m(表示偏移長度zd以下)平臺層的建筑往往無法反映在A中, 而λ(0—15 m)恰恰是對于行人高度的均風(fēng)速比影響最大的部分[58]。因此, Yuan[60]提出了測點(diǎn)迎風(fēng)面積比(λ_point), 通過建立微分坐標(biāo)系和相應(yīng)的ArcGIS算法, 從測點(diǎn)計(jì)算各個風(fēng)向的迎風(fēng)面積。λ_point的優(yōu)點(diǎn)在于不降低相關(guān)性的條件下顯著提升小范圍內(nèi)的測算精確度, 據(jù)此可得1 m×1 m的高分辨率VR標(biāo)記地圖[60], 缺點(diǎn)在于其測算精度與測點(diǎn)布置質(zhì)量密切相關(guān), 導(dǎo)致大范圍應(yīng)用時(shí)難以兼顧效率和精度。還可以使用十字切分法(Crossed method)劃分不同大小的網(wǎng)格來計(jì)算λ(z)[58], 其測算精度與網(wǎng)格劃分質(zhì)量有關(guān), 既能夠避免傳統(tǒng)方法zd以下平臺層數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn), 又能解決大范圍應(yīng)用的困難。A還與測算的來流風(fēng)風(fēng)向有關(guān), 基于16個風(fēng)向的風(fēng)頻數(shù)據(jù)可對λ(z)進(jìn)行加權(quán), 得式(1):

其中,為方向上的風(fēng)頻。式(1)即可用于計(jì)算某城市的全年風(fēng)頻加權(quán)下的迎風(fēng)面積比, 計(jì)算簡單, 應(yīng)用廣泛。

迎風(fēng)面積比表達(dá)城市孔隙度, 反應(yīng)建筑群對風(fēng)流的阻礙能力[59]。Mei[61]在λ的16組對比實(shí)驗(yàn)中(0.125—0.5), 發(fā)現(xiàn)保持λ不變,λ增大(同時(shí)s增大)時(shí), VR減小, 行列中心的空氣齡隨之增大, 城市通風(fēng)減弱。λ作為一種統(tǒng)計(jì)量, 并不能反映行列式布局中的巷道效應(yīng)[61], 對于錯列式或不規(guī)則的布局, 湍流混合作用相對廣泛, 這增強(qiáng)了街谷頂界面空氣的垂直流通, 因此, 相比于無規(guī)則網(wǎng)格, 風(fēng)流更容易進(jìn)入無序網(wǎng)格中[60]。λ與風(fēng)速之間具有不同的經(jīng)驗(yàn)回歸模型。Yuan[60]在對香港多個地區(qū)的分析中, 認(rèn)為λ_point與VR有著顯著線性關(guān)系, 但受城市街區(qū)網(wǎng)格影響, 斜率和截距會有所不同, 相關(guān)系數(shù)2在0.6左右。通過對不同高度、布局形式、尺寸間距等的理想街區(qū)模型進(jìn)行模擬分析, 可得λ對行人高度風(fēng)速的回歸方程[46]如式(2):

其中,U為無擾動風(fēng)速, 用以標(biāo)準(zhǔn)化V。

由于真實(shí)風(fēng)速空間分布異質(zhì)化程度很高, 風(fēng)速和流量類指標(biāo)在通風(fēng)評估方面應(yīng)用范圍有限, 比如吹掃速率會在遠(yuǎn)離入口的地方趨于定值, 在λ > 0.25,1以后, 吹掃流量與λ失去了明顯相關(guān)關(guān)系[61]。此時(shí), 可考慮使用平均冠層內(nèi)特征速度u[62], 其表達(dá)一種城市冠層內(nèi)的空氣等效運(yùn)動速度, 不受計(jì)算域尺寸的影響?；谝酝鄠€學(xué)者的數(shù)據(jù)可得式(3)[58], 當(dāng)λ > 0.4時(shí),

其中,*是大氣摩擦速度。式(3)可以直接用于分析不同λ條件下的場地風(fēng)環(huán)境特征。

3 λ參數(shù)的關(guān)聯(lián)與外延

λ與連續(xù)度、閉合度、開放比、對稱比、粗糙比等多個指標(biāo)相關(guān)[41], 較高的街道連續(xù)性比率和空間封閉比率值一定程度上有助于促進(jìn)街道峽谷中的空氣流動, 改善空氣質(zhì)量[63]。街谷高寬比λ表征了風(fēng)流通路的形態(tài), 而建筑高寬比(λ)則是表述風(fēng)流阻礙面形態(tài)的指標(biāo),sb=/,為建筑的面寬或進(jìn)深尺寸。在均質(zhì)模型中, 假定街谷截面形態(tài)不變, 即和恒定, 假設(shè)λ恒定, 則λ的變化其實(shí)反映了λ的大小。Tamura[64]對單個建筑的高寬比參數(shù)進(jìn)行了分類的風(fēng)洞測試, 最大風(fēng)速放大指數(shù)和風(fēng)速放大面積與建筑高度和建筑寬度二者分別具有正相關(guān)關(guān)系, 這主要與巷道效應(yīng)和下洗流有關(guān)。但是風(fēng)速放大指數(shù)在建筑周圍的分布情況和建筑高度或?qū)挾茸兓o明顯關(guān)聯(lián)。這表明建筑高寬比λ確實(shí)會影響測點(diǎn)風(fēng)速值, 但并不會影響風(fēng)速變化規(guī)律。在基于現(xiàn)實(shí)城市模型的研究中, 增大建筑高度, 反而會減弱周圍街谷內(nèi)的風(fēng)速[65]。

λ屬于描述下墊面覆蓋率的指標(biāo), 又稱為建筑覆蓋率。此外, 非建筑元素覆蓋率, 包括植被、水體等的覆蓋率[66], 也會對局地微氣候產(chǎn)生影響。非建筑元素覆蓋率有其自身的實(shí)際意義, 不同元素對風(fēng)環(huán)境的影響作用及機(jī)理都不盡相同。實(shí)際觀測中[67], 植被結(jié)構(gòu)或種類與空氣負(fù)離子濃度相關(guān), 合理的植被結(jié)構(gòu)有助于調(diào)控大氣顆粒物濃度(PM2.5), 研究指出PM2.5與喬木郁閉度、相對濕度和負(fù)離子的濃度呈顯著正相關(guān)。在對街谷的模擬分析中發(fā)現(xiàn)[68], 植被的存在會降低街谷內(nèi)風(fēng)速, 街谷渦流作用下使背風(fēng)側(cè)污染物濃度增加, 明顯高于迎風(fēng)側(cè), 加劇街谷污染程度。在城市環(huán)境中, 一般不考慮大尺度的森林或湖泊, 對于中等尺度范圍的城市綠地系統(tǒng), 合理的空間布局[69, 70]有助于發(fā)揮綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)作用, 共同構(gòu)筑城市通風(fēng)廊道; 而小范圍的綠地和水體, 一般等效為粗糙壁面, 視為城市局部開放空間進(jìn)行研究。

在Macdonald模型中[71], 使用阻抗系數(shù)作為建筑物陣列的空氣動力學(xué)阻抗的量度和城市冠層內(nèi)風(fēng)廓線的依據(jù)。街道尺度的通風(fēng)由垂直湍流傳輸過程主導(dǎo)[32, 72], 而湍流分量與下墊面阻抗系數(shù)的開方成比例[73], 并與λ二者互為驗(yàn)證,λ可作為對風(fēng)阻力的作用標(biāo)度。風(fēng)阻抗(G)、阻塞比()、立面面積比(FAR)等概念也具有相似之處。

Xie[74]將風(fēng)流類比為電流, 將與風(fēng)向垂直的城市截面視為電流截面, 將其中的阻礙物類比為電阻, 這里的阻值就可以通過λ來計(jì)算, 以λ代表風(fēng)力阻抗值(風(fēng)阻), 由式(4)表示:

其中,A—A表示對應(yīng)的風(fēng)流截面面積, 概念上等效于氣流有效流通面積[75],即表示有效流通面積比。

阻塞比[76]表達(dá)對來流的阻擋能力, 引入有效流通面積可得修正的通風(fēng)阻塞比, 與風(fēng)速的相關(guān)性較高, 用式(5)表示[75]:

顯然,越大, 越小,越高。同時(shí)涉及建筑密度及建筑物的影響, 表達(dá)了城市的連通性與阻礙性。

FAR用以描述阻礙物對風(fēng)的阻礙面積[77], 是一種基于實(shí)地調(diào)查的測算法, 由式(6)表示:

其中,P是建筑物在地面的周長,H是建筑物的高度,是調(diào)查區(qū)域內(nèi)建筑物的總數(shù)。λ為完整表面因子(Complete aspect ratio), 即完整覆蓋下墊面表面的所有面積與用地面積的比值, 在中性絕熱條件下與風(fēng)流關(guān)系不大[78], 在輻射、反射、滲透等多個微氣候過程的作用[33]則與壁面加熱效應(yīng)有關(guān)。以倫敦多個街區(qū)為例, 對于三種不同λ, FAR與風(fēng)舒適度分級指標(biāo)之間具有明顯的線性關(guān)系, 隨著FAR增大, 適宜坐立或行走的區(qū)域逐漸增多[77]。FAR與建筑平均高度強(qiáng)相關(guān), 影響行人高度的風(fēng)速和風(fēng)舒適度, 適用于建筑場地布局均勻的情況。

天空可視角(SVF)表示建筑圍合程度, 可以通過魚眼鏡頭測算。作為一種綜合性指標(biāo), SVF能夠反映λ、λ、等參數(shù)對風(fēng)流的影響, SVF與λ最為相關(guān)[51], 與建筑基底面和高度變化差異無關(guān)[79]。在實(shí)際觀測中, SVF只在特殊條件下與風(fēng)速具有相關(guān)性[80], 在不考慮建筑銳角和巷道效應(yīng)等條件時(shí), SVF越高, 風(fēng)速越大[81]。實(shí)際上, SVF與太陽輻射和溫度具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系[80], 這種風(fēng)熱耦合的復(fù)雜性可能是導(dǎo)致某些觀測中無法發(fā)掘明顯關(guān)聯(lián)的一個原因。

4 λ參數(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

城市緊湊度(Compactness)表示城市發(fā)展?fàn)顟B(tài), 與λ、λ、人口密度、土地利用和出行距離等有關(guān)[56, 61, 82], 稀疏城市有利于城市通風(fēng), 緊湊城市有助提高城市土地利用效率, 如何平衡城市土地利用效率與城市通風(fēng)是現(xiàn)代城市規(guī)劃的基本原則之一[43]。目前, 我國有67.2%的城市處于非緊湊狀態(tài)[83], 在實(shí)踐應(yīng)用中, 如何在緊湊度提高的同時(shí)盡量減弱區(qū)域風(fēng)環(huán)境惡化的影響是確定參數(shù)范圍以及應(yīng)用原則的重要問題。

λ源于對小尺度街道的描述, 多用于識別風(fēng)場流態(tài)和分析運(yùn)動模式。一般來說, 獨(dú)立粗糙流和尾流干擾流情形下風(fēng)環(huán)境較好, 但該情況在城市中心并不多見, 更多的是考慮控制過高的以避免出現(xiàn)上部掠流, 降低靜風(fēng)區(qū)影響面積。另一方面,λ源于描述理想二維街谷或街道圍合感較強(qiáng)的地區(qū), 對于布局分散的不規(guī)則建筑群, 則會導(dǎo)致λ計(jì)算困難或丟失建筑個體的細(xì)節(jié)信息[38, 48], 因此λ更適于對某一條目標(biāo)街道進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化, 在實(shí)際規(guī)劃中, 結(jié)合λ制定對建筑和街谷形態(tài)的控制方案。

λ在城市規(guī)劃實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛[84, 85], 常常和λ配合使用。Zhang[86]發(fā)現(xiàn)在中密度行列中, 如果通過提升建筑高度的方式提升城市緊湊度, 可能會導(dǎo)致流迎風(fēng)面污染物暴露風(fēng)險(xiǎn)升高, 背風(fēng)面污染物暴露風(fēng)險(xiǎn)降低, 這與下洗螺旋流變化有關(guān), 表明即使在高緊湊度建筑群中, 仍然可以通過設(shè)計(jì)方法來控制污染物對人群的實(shí)際危害程度。在具體設(shè)計(jì)策略中, Peng[54]分析街區(qū)尺度中心建筑群在固定容積率條件下,λ變化(11%—77%)及建筑布局方式變化對于多個通風(fēng)參數(shù)的表現(xiàn)結(jié)果差異, 認(rèn)為λ較小時(shí), 受建筑布局影響較大, 能構(gòu)成巷道效應(yīng)的布局通風(fēng)良好; 但在λ較大時(shí), 建筑布局的影響將微乎其微[54]。這說明在城市區(qū)域內(nèi)控制密度范圍是城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮的問題。不同建筑布局對于城市環(huán)境的影響程度不同, 權(quán)衡之下可得最適宜的設(shè)計(jì)策略。以深圳為例[87], 對于建筑密度較高的街區(qū), 應(yīng)依主導(dǎo)風(fēng)向預(yù)留通風(fēng)道; 相同容積率條件下, 分散的建筑布局比集中連片的建筑布局更有利于獲得通風(fēng)條件; 略有錯落的建筑布局更有助于通風(fēng)等。

對于不同布局類型的理想街區(qū)模型, Abd[46]先后分析了λ、λ、λ對于VR的影響, 增大λ(4.4%—44.4%,λ=1)或s(0.5—3,λ=16%), VR均顯著減小, 表明VR同時(shí)與λ,λ相關(guān)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn), 以λ與風(fēng)速的指數(shù)回歸方程擬合程度較高, 可同時(shí)反映λ、λ對風(fēng)速的影響, 這表明λ是在城市風(fēng)環(huán)境評估中影響權(quán)重最大的參數(shù)。盡管如此,λ在國內(nèi)規(guī)劃與設(shè)計(jì)實(shí)踐中仍然缺乏足夠的重視, 目前, 只有《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[76]等少數(shù)條例中涉及到了類似的指標(biāo)。在城市通風(fēng)評估中, Xie[74]認(rèn)為可以使用基于風(fēng)阻的等效風(fēng)路圖來高效評估城市風(fēng)環(huán)境, 風(fēng)流分叉時(shí)可以類比電流并聯(lián)定律, 則通往支路的風(fēng)流流量反比于支路的風(fēng)阻。這種方法與城市通風(fēng)廊道的最短路徑法理論相似, 有助于減少CFD計(jì)算消耗, 方便的應(yīng)用于大尺度城市通風(fēng)評估中。

λ憑借簡單易用等特性在建筑設(shè)計(jì)或規(guī)劃實(shí)踐中應(yīng)用廣泛, 有可能作為連接通風(fēng)評估指標(biāo)與城市形態(tài)指標(biāo)的橋梁, 但無法提供更加細(xì)節(jié)的信息。λ可以提供細(xì)節(jié)信息, 卻無法作為評估通風(fēng)效率的指標(biāo)。λ與城市風(fēng)環(huán)境的相關(guān)性較強(qiáng), 適用性較強(qiáng), 但是相關(guān)規(guī)劃政策中重視度仍然不夠。這三類參數(shù)互相關(guān)聯(lián), 在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)綜合考慮, 相互協(xié)調(diào), 可以使用一種地圖法來綜合考慮各個指標(biāo)的影響?；趨?shù)對風(fēng)環(huán)境的不同影響特征, 可將城市區(qū)域分類。城市氣候分區(qū)(LCZ)理論[88, 89]結(jié)合用地性質(zhì)等將λ分成低密度(λ < –0.2)、中密度(0.2 < λ < –0.4)、高密度(λ > –0.4)三類[89]; Ng[90]從粗糙長度出發(fā)將λ(z)在垂直方向分成平臺(0—15 m), 建筑(15—60 m), 城市冠層(0—60 m)三種; Yuan[58, 60]基于λ與VR的關(guān)系將城市區(qū)域分成[58]λ≤ 0.35, 0.35 < λ≤ 0.45, 0.45 < λ≤ 0.6和λ > 0.6四類。在分類的基礎(chǔ)上結(jié)合模擬地圖法[91]可形成對應(yīng)于各個評估參數(shù)的專用地圖, 使得城市風(fēng)環(huán)境的評估成果結(jié)合已有的控制規(guī)劃圖[90]或生態(tài)敏感性分析圖等城鄉(xiāng)規(guī)劃成果進(jìn)行協(xié)同考量成為了可能。

5 討論

參數(shù)與風(fēng)熱環(huán)境的關(guān)聯(lián)性大小以及變化規(guī)律與研究尺度有關(guān)[92]。Liu[51]以北京市為例, 在基于城市尺度的觀測分析中, 通過統(tǒng)計(jì)分析對比了SVF等8類城市形態(tài)參數(shù)與近地面風(fēng)速的相關(guān)性差異, 識別出與均風(fēng)速關(guān)聯(lián)性最大的三個指標(biāo)依次為λ、λ、。其研究表明SVF與VR成正相關(guān),λ、λ與風(fēng)速成負(fù)相關(guān), 這三類參數(shù)每變化10%, 風(fēng)速變化7%, 佐證了Yang[93]的結(jié)論。λ與風(fēng)速之間具有非線性相關(guān)關(guān)系[51], 當(dāng)λ0.35時(shí),λ越大, 風(fēng)速越低, 當(dāng)λ > 0.35時(shí),λ越大, 風(fēng)速越高。因此, 對于不同研究尺度和方法, 得到的結(jié)論可能是不同的, 在解決問題之前, 明確并選擇合理的研究尺度及其對應(yīng)的參數(shù)非常重要。海拔高度、來流風(fēng)性質(zhì)、城市坡度、城市方位等指標(biāo)主要與大尺度范圍的氣象變化相關(guān), 都屬于氣候邊界條件, 具有地域性差異。

來流風(fēng)風(fēng)向直接影響到城市建筑群內(nèi)部風(fēng)場。城市風(fēng)玫瑰圖反映了全年風(fēng)向風(fēng)頻分布信息[70], 其與城市的地理地形特征相關(guān), 包括海拔、地形和城市方位等。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中, 可以通過合理控制街道朝向來應(yīng)對當(dāng)?shù)氐氖⑿酗L(fēng)風(fēng)向, 利用巷道效應(yīng)和遮蔽效應(yīng)來調(diào)節(jié)內(nèi)部風(fēng)速[65]。

城市的地形會影響近地面風(fēng)場特征。烏日柴胡等[94]對山區(qū)、山區(qū)與平原過渡區(qū)、平原區(qū)、城區(qū)幾種典型地形的觀測研究發(fā)現(xiàn), 平均風(fēng)速沿地形梯度分布, 山區(qū)高平原低, 平原中又以城區(qū)風(fēng)速最小, 對于山地城市, 山谷風(fēng)可能會導(dǎo)致污染物擴(kuò)散受阻, 加重城市污染[95]。不同海拔高度下, 體現(xiàn)出來的風(fēng)場特征也不同, 高山近地面風(fēng)速大體上隨觀測高度而增大, 高海拔站點(diǎn)日平均風(fēng)速數(shù)倍于低海拔站點(diǎn)[94]。

城市緯度也會影響到指標(biāo)的應(yīng)用。在新加坡、香港[96]、倫敦[77]等低緯度城市中, 日照影響較小, 高密度(λ≈ 0.44)發(fā)展具有一定合理性, 但在我國高緯度地區(qū), 由于日照要求的建筑間距遠(yuǎn)大于城市通風(fēng)要求的間距, 中密度(λ≈ 0.25)社群較為常見。影響日照規(guī)范的還包括城市方位、用地性質(zhì)和建筑形式等。在中微觀尺度的研究中, 還需考慮到當(dāng)?shù)貧夂蛱卣髋c實(shí)際目標(biāo), 辨析季節(jié)差異[51, 70]等。在嚴(yán)寒地區(qū)需要考慮控制冬季冷風(fēng), 在炎熱地區(qū)則需要控制夏季風(fēng)速, 考慮熱舒適度問題[51]。

目前的研究在中性絕熱大氣中的研究較為豐富, 壁面加熱效應(yīng)還與污染物擴(kuò)散的日夜差異[97]等有關(guān), 進(jìn)一步考慮壁面加熱效應(yīng)時(shí)風(fēng)場運(yùn)動規(guī)律可能完全不同。對典型二維街谷, 一般條件下(Froude數(shù)=0.48, 入流風(fēng)速U=5 m·s-1), 風(fēng)動力作用影響最大; 但在弱風(fēng)條件下(=0.25,U=0.5 m·s-1), 熱力作用, 即壁面加熱作用影響最大, 尤其是在建筑背風(fēng)面, 熱動力促進(jìn)空氣流動, 將顯著加強(qiáng)污染物垂直擴(kuò)散[38, 48]。實(shí)際上, 街道軸線與南北向的夾角反映著太陽輻射的得失量, 由此導(dǎo)致的立面溫差進(jìn)一步又會影響到風(fēng)的熱力運(yùn)動[98], 在迪拜, 由此導(dǎo)致的氣溫變化幅度能夠達(dá)到1.8 ℃[99]。

理想化通用模型有助于揭示一般性原理, 但是由于城市空間的復(fù)雜性, 通用模型的結(jié)論仍然需要放在真實(shí)場景中進(jìn)行對比驗(yàn)證。在構(gòu)建城市通風(fēng)評估體系時(shí), 必須考慮地域、氣候等外部條件的差異性和復(fù)雜性[100], 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)應(yīng)當(dāng)通過結(jié)合當(dāng)?shù)厍榫暗膶ｍ?xiàng)模擬與研究得出, 根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂虻匦翁卣骱统鞘邪l(fā)展需求, 制定具有地域特色的規(guī)范條例。

6 結(jié)論與展望

本文在中微觀尺度上, 中性穩(wěn)定大氣條件下, 針對參數(shù)對城市風(fēng)環(huán)境的影響, 進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性和差異性的對比研究, 并分析了以參數(shù)為核心的城市形態(tài)參數(shù)的應(yīng)用特征。參數(shù)分別在城市風(fēng)環(huán)境評估理論中的原理、應(yīng)用和關(guān)聯(lián)三部分中體現(xiàn)出主要價(jià)值,λ有助于分析風(fēng)流流態(tài)特征和變化規(guī)律λ在實(shí)際的城市規(guī)劃應(yīng)用中具有重要價(jià)值λ則是與城市風(fēng)環(huán)境評估指標(biāo)最為相關(guān)的參數(shù)。建筑高寬比、路走向、天空可視角、阻塞比和植被覆蓋等因素都和參數(shù)有關(guān)。以上城市形態(tài)指標(biāo)或參數(shù)只作為參考, 不構(gòu)成決策依據(jù), 在實(shí)際應(yīng)用中, 還需因地制宜制定合理的規(guī)劃條例。未來有待從以下三個方面進(jìn)行補(bǔ)充研究。

1)發(fā)掘并完善更加可靠且具有實(shí)踐價(jià)值的城市形態(tài)參數(shù)。真實(shí)城市下墊面異質(zhì)化程度很高, 本文所涉及的參數(shù)仍不能充分反映城市形態(tài)的全貌, 基于城市形態(tài)學(xué)的量化指標(biāo)能夠較好的描述城市肌理, 但與城市風(fēng)環(huán)境的關(guān)聯(lián)仍然不明[101]; 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)方法, 如基于城市三維數(shù)據(jù)庫的程序語言[102], GIS與遙感結(jié)合生態(tài)規(guī)劃方法[103, 104]和城市大數(shù)據(jù)的處理與分析[103]等, 一定程度上有助于對各個城市三維形態(tài)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行精確測算。如何發(fā)掘并完善可靠的城市形態(tài)指標(biāo), 并且能夠結(jié)合現(xiàn)有研究成果, 以此構(gòu)筑一套合理可行的城市形態(tài)量化指標(biāo)體系, 這將是未來研究的重點(diǎn)。

2)影響城市通風(fēng)的多元因素的探索與綜合分析。參數(shù)與風(fēng)場運(yùn)動、污染物擴(kuò)散的機(jī)理涉及多個復(fù)雜過程[30], 考慮污染物的化學(xué)沉積與衰減過程時(shí), 城市風(fēng)環(huán)境指標(biāo)可能會暗示相反的設(shè)計(jì)策略[86]。城市風(fēng)環(huán)境還與下墊面元素種類或用地性質(zhì)有關(guān), 包括如人口密度、建筑綠化[105]、交通尾氣[106]等多個影響因子。如何綜合考慮各個要素對風(fēng)環(huán)境的影響, 辨析不同要素之間的關(guān)系以及闡明作用機(jī)制等方面仍然有待進(jìn)一步研究。

3)參數(shù)的應(yīng)用與實(shí)際流程的接合方法仍然有待探索。一方面是地域性差異問題, 包括城市建筑特征、氣候邊界條件以及地理地形等, 對于不同邊界條件, 風(fēng)場運(yùn)動和變化規(guī)律存在哪些差異仍然有待研究, 同時(shí)也提示了城市建筑形態(tài)與氣候數(shù)據(jù)的重要性; 另一方面, 通過何種方式、框架或流程建立相關(guān)的評估應(yīng)用體系, 將此類指標(biāo)與設(shè)計(jì)實(shí)踐中的各個尺度嵌合并融入設(shè)計(jì)流程之中也是亟待解決的問題。

[1] 任杲, 宋迎昌, 蔣金星. 改革開放40年中國城市化進(jìn)程研究[J]. 寧夏社會科學(xué), 2019(1): 23–31.

[2] 李浩, 袁曉玲, 李毓. 城市化水平、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對居民幸福感影響的實(shí)證分析——基于中國家庭追蹤調(diào)查數(shù)據(jù)[J]. 河南社會科學(xué), 2019, 27(2): 98–103.

[3] 張紅艷, 魏春燕, 鄭秀麗, 等. 淺談大氣污染的危害、來源及防治措施[J]. 河南科技, 2013(1): 191.

[4] 王庚辰, 王普才. 中國PM_(2.5)污染現(xiàn)狀及其對人體健康的危害[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2014, 32(26): 72–78.

[5] Rudofsky B. Architecture without architects: a short introduction to non-pedigreed architecture[M]. Mexico: UNM Press, 1987.

[6] 王振, 李保峰. 從街道峽谷到街區(qū)層峽:城市形態(tài)與微氣候的相關(guān)性分析[J]. 南方建筑, 2016: 5–10.

[7] ADAMEK K, VASAN N, ELSHAER A, et al. Pedestrian level wind assessment through city development: A study of the financial district in Toronto[J]. Sustainable Cities and Society, 2017, 35: 178–190.

[8] YANG J, SHI B, SHI Y, et al. Air pollution dispersal in high density urban areas: Research on the triadic relation of wind, air pollution, and urban form[J]. Sustainable Cities and Society, 2020, 54: 101941.

[9] YUAN C, NG E, NORFORD L K. Improving air quality in high-density cities by understanding the relationship between air pollutant dispersion and urban morphologies[J]. Building and Environment, 2014, 71: 245–258.

[10] NAZARIAN N, MARTILLI A, NORFORD L, et al. Impacts of Realistic Urban Heating. Part II: Air Quality and City Breathability[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2018, 168(2): 321–341.

[11] OKE T R. City size and the urban heat island[J]. Atmospheric Environment, 1973, 7(8): 769–779.

[12] SU N, ZHOU D, JIANGX T. Study on the application of ventilation corridor planning in urban new area-a case study of Xixian New Area[J]. Procedia Engineering, 2016, 169: 340–349.

[13] REN C, YANG R, CHENG C, et al. Creating breathing cities by adopting urban ventilation assessment and wind corridor plan – The implementation in Chinese cities[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2018, 182: 170–188.

[14] GU K, FANG Y, QIAN Z, et al. Spatial planning for urban ventilation corridors by urban climatology[J]. Ecosystem Health and Sustainability, 2020, 6(1): 1747946.

[15] HE B J, DING L, PRASAD D. Enhancing urban ventilation performance through the development of precinct ventilation zones: A case study based on the Greater Sydney, Australia[J]. Sustainable Cities and Society, 2019, 47: 101472.

[16] TOMINAGA Y. Visualization of city breathability based on CFD technique: case study for urban blocks in Niigata City[J]. Journal of Visualization, 2012, 15(3): 269–276.

[17] HANG J, SANDBERG M, LI Y, et al. Pollutant dispersion in idealized city models with different urban morphologies[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(38): 6011–6025.

[18] LIN M, HANG J, LI Y, et al. Quantitative ventilation assessments of idealized urban canopy layers with various urban layouts and the same building packing density[J]. Building and Environment, 2014, 79: 152–167.

[19] BUCCOLIERI R, SALIZZONI P, SOULHAC L, et al. The breathability of compact cities[J]. Urban Climate, 2015, 13: 73–93.

[20] DU Y, MAK C M, TANG B S. Effects of building height and porosity on pedestrian level wind comfort in a high-density urban built environment[J]. Building Simulation, 2018, 11(6): 1215–1228.

[21] HANG J, BUCCOLIERI R, YANG X, et al. Impact of indoor-outdoor temperature differences on dispersion of gaseous pollutant and particles in idealized street canyons with and without viaduct settings[J]. Building Simulation, 2018, 12(2): 285–297.

[22] KATO S, ITO K, MURAKAMI S. Analysis of visitation frequency through particle tracking method based on LES and model experiment[J]. Indoor Air, 2003, 13(2): 182– 193.

[23] GARAU M, BADAS M G, FERRARI S, et al. Turbulence and Air Exchange in a Two-Dimensional Urban Street Canyon Between Gable Roof Buildings[J]. Boundary- Layer Meteorology, 2018, 167(1): 123–143.

[24] TOPARLAR Y, BLOCKEN B, MAIHEU B, et al. A review on the CFD analysis of urban microclimate[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 80: 1613–1640.

[25] VAN HOOFF T, BLOCKEN B. CFD evaluation of natural ventilation of indoor environments by the concentration decay method: CO2gas dispersion from a semi-enclosed stadium[J]. Building and Environment, 2013, 61: 1–17.

[26] ASHIE Y, KONO T. Urban scale CFD analysis in support of a climate‐sensitive design for the Tokyo Bay area[J]. International Journal of Climatology, 2011, 31(2): 174–188.

[27] BUCCOLIERI R, SANDBERG M, DI SABATINO S. City breathability and its link to pollutant concentration distribution within urban-like geometries[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(15): 1894–1903.

[28] 高海寧, 李元征, 韓風(fēng)森, 等. 城市街道峽谷通風(fēng)與空氣污染研究進(jìn)展[J]. 世界科技研究與發(fā)展, 2017, 39(4): 363–371.

[29] PENG Y, BUCCOLIERI R, GAO Z, et al. Indices employed for the assessment of “urban outdoor ventilation” -A review [J]. Atmospheric Environment, 2020, 223: 117211.

[30] SREBRIC J, HEIDARINEJAD M, LIU J. Building neighborhood emerging properties and their impacts on multi-scale modeling of building energy and airflows[J]. Building and Environment, 2015, 91: 246–262.

[31] GRIMMOND C, OKE T R J J O A M. Aerodynamic properties of urban areas derived from analysis of surface form[J]. Journal of Applied Meteorology, 1999, 38(9): 1262–1292.

[32] BRITTER R, HANNA S. Flow and dispersion in urban areas[J]. Annual review of fluid mechanics, 2003, 35(1): 469–496.

[33] OKE T R, MILLS G, CHRISTEN A, et al. Urban climates[M]. England: Cambridge University Press, 2017.

[34] SINI J F, ANQUETIN S, MESTAYER P G. Pollutant dispersion and thermal effects in urban street canyons[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(15): 2659–2677.

[35] CATON F, BRITTER R E, DALZIEL S. Dispersion mechanisms in a street canyon[J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(5): 693–702.

[36] XIAOMIN X, ZHEN H, JIASONG W. The impact of urban street layout on local atmospheric environment[J]. Building and Environment, 2006, 41(10): 1352–1363.

[37] LI X X, LIU C H, LEUNG D Y C. Numerical investigation of pollutant transport characteristics inside deep urban street canyons[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(15): 2410–2418.

[38] HANG J, CHEN X, CHEN G, et al. The influence of aspect ratios and wall heating conditions on flow and passive pollutant exposure in 2D typical street canyons[J]. Building and Environment, 2020, 168: 106536.

[39] HE L, HANG J, WANG X, et al. Numerical investigations of flow and passive pollutant exposure in high-rise deep street canyons with various street aspect ratios and viaduct settings[J]. Science of The Total Environment, 2017, 584/585: 189–206.

[40] DI BERNARDINO A, MONTI P, LEUZZI G, et al. Pollutant fluxes in two-dimensional street canyons[J]. Urban Climate, 2018, 24: 80–93.

[41] SHEN J, GAO Z, DING W, et al. An investigation on the effect of street morphology to ambient air quality using six real-world cases[J]. Atmospheric Environment, 2017, 164: 85–101.

[42] HALL D, MACDONALD R, WALKER S, et al. Visualisation studies of flows in simulated urban arrays[J]. Client Report, 1997, 39: 97.

[43] YANG X, ZHANG Y, HANG J, et al. Integrated assessment of indoor and outdoor ventilation in street canyons with naturally-ventilated buildings by various ventilation indexes[J]. Building and Environment, 2020, 169: 106528.

[44] LAU G E, NGAN K. Analysing urban ventilation in building arrays with the age spectrum and mean age of pollutants[J]. Building and Environment, 2018, 131: 288– 305.

[45] YANG J, FU X. Coupling Analysis of Wind Environment and Space Form Index in Xinjiekou Central Area[M]. Singapore: Springer Singapore, 2020: 85–107.

[46] ABD RAZAK A, HAGISHIMA A, IKEGAYA N, et al. Analysis of airflow over building arrays for assessment of urban wind environment[J]. Building and Environment, 2013, 59: 56–65.

[47] CHENG W C, LIU C H, LEUNG D Y C. Computational formulation for the evaluation of street canyon ventilation and pollutant removal performance[J]. Atmospheric Environment, 2008, 42(40): 9041–9051.

[48] HANG J, XIAN Z, WANG D, et al. The impacts of viaduct settings and street aspect ratios on personal intake fraction in three-dimensional urban-like geometries[J]. Building and Environment, 2018, 143: 138–162.

[49] Dodman D. Analytical Review of the Interaction between Urban Growth Trends and Environmental Changes[J]. United Nations Population Fund, 2009: 6–7.

[50] PANAGIOTOU I, NEOPHYTOU M K A, HAMLYN D, et al. City breathability as quantified by the exchange velocity and its spatial variation in real inhomogeneous urban geometries: An example from central London urban area[J]. Science of The Total Environment, 2013, 442: 466–477.

[51] LIU Y, XU Y, ZHANG F, et al. A preliminary study on the influence of Beijing urban spatial morphology on near-surface wind speed[J]. Urban Climate, 2020, 34: 100703.

[52] JIANG D, JIANG W, LIU H, et al. Systematic influence of different building spacing, height and layout on mean wind and turbulent characteristics within and over urban building arrays[J]. Wind and Structures, 2008, 11(4): 275–290.

[53] YAZID M N A W M, SHARIF A S B, CHE N A, et al. Effects of Staggered Array of Cubical Obstacles on Near-Ground Wind Environment and Air Quality[J]. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 2019, 58: 261–274.

[54] PENG Y, GAO Z, BUCCOLIERI R, et al. An Investigation of the Quantitative Correlation between Urban Morphology Parameters and Outdoor Ventilation Efficiency Indices[J]. Atmosphere, 2019, 10(1): 33.

[55] KUBOTA T, MIURA M, TOMINAGA Y, et al. Wind tunnel tests on the relationship between building density and pedestrian-level wind velocity: Development of guidelines for realizing acceptable wind environment in residential neighborhoods[J]. Building and Environment, 2008, 43(10): 1699–1708.

[56] CHEN L, HANG J, SANDBERG M, et al. The impacts of building height variations and building packing densities on flow adjustment and city breathability in idealized urban models[J]. Building and Environment, 2017, 118: 344–361.

[57] DI SABATINO S, LEO L S, CATALDO R, et al. Construction of Digital Elevation Models for a Southern European City and a Comparative Morphological Analysis with Respect to Northern European and North American Cities[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2010, 49(7): 1377–1396.

[58] YUAN C. Urban Wind Environment: Integrated Climate- Sensitive Planning and Design[M]. Springer, 2018.

[59] DI SABATINO S, SOLAZZO E, PARADISI P, et al. A Simple Model for Spatially-averaged Wind Profiles Within and Above an Urban Canopy[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2008, 127(1): 131–151.

[60] YUAN C, NORFORD L, BRITTER R, et al. A modelling-mapping approach for fine-scale assessment of pedestrian-level wind in high-density cities[J]. Building and Environment, 2016, 97: 152–165.

[61] MEI S J, HU J T, LIU D, et al. Wind driven natural ventilation in the idealized building block arrays with multiple urban morphologies and unique package building density[J]. Energy and Buildings, 2017, 155: 324–338.

[62] BENTHAM T, BRITTER R. Spatially averaged flow within obstacle arrays[J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(15): 2037–2043.

[63] ADOLPHE L. A Simplified Model of Urban Morphology: Application to an Analysis of the Environmental Performance of Cities[J]. Environment and Planning B: Planning and Design, 2001, 28(2): 183–200.

[64] TAMURA Y, XU X, YANG Q. Characteristics of pedestrian-level Mean wind speed around square buildings: Effects of height, width, size and approaching flow profile[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019, 192: 74–87.

[65] HUANG T L, KUO C Y, TZENG C T, et al. The Influence of High-Rise Buildings on Pedestrian-Level Wind in Surrounding Street Canyons in an Urban Renewal Project[J]. Energies, 2020, 13(11): 2745.

[66] 符興源, 溫琦, 鄒鐵安. 基于風(fēng)環(huán)境的高層住區(qū)植被優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2020, 20(30): 12560–12569.

[67] 劉雙芳, 張維康, 韓靜波, 等. 不同植被結(jié)構(gòu)對空氣質(zhì)量的調(diào)控功能[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2020, 29(8): 1602–1609.

[68] 戰(zhàn)乃巖, 呂廣, 李曉莉, 等. 灌木與喬木聯(lián)合作用對街谷污染物分布影響[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2020, 43(6): 101–107.

[69] 張?jiān)坡? 李雄. 基于城市綠地系統(tǒng)空間布局優(yōu)化的城市通風(fēng)廊道規(guī)劃探索——以晉中市為例[J]. 城市發(fā)展研究, 2017, 24(5): 35–41.

[70] 張思源. 基于城市綠地系統(tǒng)空間布局優(yōu)化的城市通風(fēng)廊道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究[J]. 低碳世界, 2018(12): 160–161.

[71] MACDONALD R, CARTER S, SLAWSON P J T F R. Measurements of mean velocity and turbulence statistics in simple obstacle arrays at 1: 200 scale[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2000, 1: 169–171

[72] WANG Q, SANDBERG M, LIN Y, et al. Impacts of Urban Layouts and Open Space on Urban Ventilation Evaluated by Concentration Decay Method[J]. Atmosphere, 2017, 8(9): 169.

[73] MO Z, LIU C H. A wind tunnel study of ventilation mechanism over hypothetical urban roughness: The role of intermittent motion scales[J]. Building and Environment, 2018, 135: 94–103.

[74] XIE P, YANG J, WANG H, et al. A New method of simulating urban ventilation corridors using circuit theory[J]. Sustainable Cities and Society, 2020, 59: 102162.

[75] 胡一東, 劉兆輝, 譚洪衛(wèi). 街區(qū)尺度建筑布局對通風(fēng)性能的影響及評價(jià)方法研究[J]. 建筑科學(xué), 2017, 33(6): 108–114.

[76] 辛威. 武漢地區(qū)基于自然通風(fēng)優(yōu)化的街區(qū)空間形態(tài)設(shè)計(jì)策略研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

[77] TSICHRITZIS L, NIKOLOPOULOU M. The effect of building height and fa?ade area ratio on pedestrian wind comfort of London [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019, 191: 63–75.

[78] Burian S, Han W, Brown M. Morphological analyses using 3D building databases: Oklahoma City[M]. Oklahoma, LA-UR, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, 2003.

[79] MIRZAEE S, ?ZGUN O, RUTH M, et al. Neighborhood- scale sky view factor variations with building density and height: A simulation approach and case study of Boston[J]. Urban Climate, 2018, 26: 95–108.

[80] NASROLLAHI N, NAMAZI Y, TALEGHANI M. The effect of urban shading and canyon geometry on outdoor thermal comfort in hot climates: A case study of Ahvaz, Iran[J]. Sustainable Cities and Society, 2021, 65: 102638.

[81] HE B J, DING L, PRASAD D. Outdoor thermal environment of an open space under sea breeze: A mobile experience in a coastal city of Sydney, Australia[J]. Urban Climate, 2020, 31: 100567.

[82] GORDON P, RICHARDSON H W. Are Compact Cities a Desirable Planning Goal?[J]. Journal of the American Planning Association, 1997, 63(1): 95–106.

[83] 馬麗, 金鳳君. 中國城市化發(fā)展的緊湊度評價(jià)分析[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2011, 30(8): 1014–1020.

[84] 吳志強(qiáng), 李德華. 城市規(guī)劃原理(第四版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[85] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50180—2018》[M]. 2018.

[86] ZHANG Y, OU C, CHEN L, et al. Numerical studies of passive and reactive pollutant dispersion in high-density urban models with various building densities and height variations[J]. Building and Environment, 2020, 177: 106916.

[87] 李磊, 吳迪, 張立杰, 等. 基于數(shù)值模擬的城市街區(qū)詳細(xì)規(guī)劃通風(fēng)評估研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(4): 946–953.

[88] PERERA N G R, EMMANUEL R. A “Local Climate Zone” based approach to urban planning in Colombo, Sri Lanka[J]. Urban Climate, 2018, 23: 188–203.

[89] STEWART I D, OKE T R. Local Climate Zones for Urban Temperature Studies[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2012, 93(12): 1879–1900.

[90] NG E, YUAN C, CHEN L, et al. Improving the wind environment in high-density cities by understanding urban morphology and surface roughness: A study in Hong Kong[J]. Landscape and Urban Planning, 2011, 101(1): 59–74.

[91] H K P D. Hong Kong planning standards and guidelines[M]. The government of the Hong Kong special administrative region, 2008.

[92] YANG J, WANG Y, XIAO X, et al. Spatial differentiation of urban wind and thermal environment in different grid sizes[J]. Urban Climate, 2019, 28: 100458.

[93] YANG F, QIAN F, LAU S S Y. Urban form and density as indicators for summertime outdoor ventilation potential: A case study on high-rise housing in Shanghai[J]. Building and Environment, 2013, 70: 122–137.

[94] 烏日柴胡, 王建捷, 孫靖, 等. 北京山區(qū)與平原冬季近地面風(fēng)的精細(xì)觀測特征[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2019, 77(6): 1107– 1123.

[95] 張瀟, 孫揚(yáng), 韓琳, 等. 典型山地地形城市大氣環(huán)境狀況與成因分析[J]. 成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 35(2): 203–213.

[96] HANG J, LI Y. Ventilation strategy and air change rates in idealized high-rise compact urban areas[J]. Building and Environment, 2010, 45(12): 2754–2767.

[97] 張?jiān)苽? 王晴茹, 陳嘉, 等. 城市街谷內(nèi)PM(2.5)濃度時(shí)空變化及影響因素分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016, 36(10): 2944–2949.

[98] 金雨蒙, 康健, 金虹. 哈爾濱舊城住區(qū)街道冬季熱環(huán)境實(shí)測研究[J]. 建筑科學(xué), 2016, 32(10): 34–38+79.

[99] SHAREEF S, ABUHIJLEH B. The effect of building height diversity on outdoor microclimate conditions in hot climate. A case study of Dubai-UAE [J]. Urban Climate, 2020, 32: 100611.

[100]顧兆林, 張?jiān)苽? 雷康斌. 不同大氣穩(wěn)定度下綠化街谷流動的大渦模擬[J]. 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2011, 41(1): 109–118.

[101]MERLIER L, KUZNIK F, RUSAOU?N G, et al. Derivation of generic typologies for microscale urban airflow studies[J]. Sustainable Cities and Society, 2018, 36: 71–80.

[102]JHALDIYAL A, GUPTA K, GUPTA P K, et al. Urban Morphology Extractor: A spatial tool for characterizing urban morphology[J]. Urban Climate, 2018, 24: 237–246.

[103]XU Y, REN C, MA P, et al. Urban morphology detection and computation for urban climate research[J]. Landscape and Urban Planning, 2017, 167: 212–224.

[104]詹慶明, 歐陽婉璐, 金志誠, 等. 基于RS和GIS的城市通風(fēng)潛力研究與規(guī)劃指引[J]. 規(guī)劃師, 2015, 31(11): 95–99.

[105]王友君, 亢燕銘, 陳勇航. 建筑和綠化對街谷空氣污染物擴(kuò)散的影響[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 38(6): 740–744.

[106]張?jiān)苽? 張海煒, 顧兆林. 行駛車輛誘導(dǎo)城市街谷內(nèi)流場的大渦模擬[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2015, 38(9): 64– 69.

Research progress on correlations between urban morphological parameters and city ventilation on mesoscale and microscale

WANG Guan, ZHOU Hongxuan*, WANG Wenzhen, SUN Jing, MA Xiao

School of Architecture and Design, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

Under neutral and stable atmospheric conditions, the correlation and application of urban morphological indicators, including street canyon factor (λ), building density (λ) and windward area ratio (λ), and urban wind environment are summarized on the meso and micro scale. These three parameters represent the three aspects of urban wind environment assessment,sis beneficial for the analysis on flow distribution characteristics and flow regime patterns,λmay make differences to practical urban planning orientated to urban ventilation, and λis the parameter most relevant to urban wind environment assessment indicators. Note that these three parameters are only for reference and do not constitute a basis for decision-making. The following three aspects may need further research: the reliability and completeness of relevant urban morphological parameters, the influence mechanism of multiple urban underlying elements under unstable conditions, and the improvement and application of the wind environment assessment index system.

urban form; urban ventilation; building density; frontal area ratio; street aspect ratio

王冠, 周宏軒, 王文真, 等. 中微觀尺度上城市形態(tài)指標(biāo)與城市通風(fēng)的關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2023, 42(1): 252–262.

WANG Guan, ZHOU Hongxuan, WANG Wenzhen, et al. Research progress on correlations between urban morphological parameters and city ventilation on mesoscale and microscale[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 252–262.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.029

TU98

A

1008-8873(2023)01-252-11

2020-11-17;

2021-1-18

國家自然科學(xué)基金(51908544); 教育部人文社會科學(xué)研究基金(19YJC760169); 江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃(SJCX20_0805); 中國礦業(yè)大學(xué)未來杰出人才助力計(jì)劃(2020WLJCRCZL066); 中國礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20190401)

王冠(1996—), 男, 山西武鄉(xiāng)人, 碩士, 主要從事生態(tài)城市設(shè)計(jì)與城市風(fēng)環(huán)境相關(guān)研究, E-mail: sun@cumt.edu.cn

周宏軒, 男, 博士, 副教授, 碩士研究生導(dǎo)師, 主要從事城市生態(tài)學(xué)、生態(tài)景觀設(shè)計(jì)、生態(tài)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)、城市熱環(huán)境等方面的研究, E-mail: zhouhongxuan@live.cn