陸藝杰, 黃丹妮

(1.南京航天宏圖信息技術有限公司, 南京 210012; 2.滁州學院地理信息與旅游學院, 安徽 滁州 239000)

城市通風走廊(或稱城市通風廊道)是指在城市規(guī)劃和建設中,通過合理的設計和布局,利用建筑、道路、綠化帶等城市元素形成的一種通風系統(tǒng)[1]。城市通風走廊的設計理念是通過合理的城市規(guī)劃和建筑布局,利用自然風力,實現城市內部空氣的流通和凈化,改善城市的微氣候環(huán)境[2],提高建筑和城市的舒適性、節(jié)能性和環(huán)境質量。

國外的通風走廊實踐早于國內,德國是最早提出通風走廊的概念并在慕尼黑城市進行研究實踐,后在日本東京、巴西圣保羅、波蘭夫諾茲瓦夫、英國倫敦等城市有研究[3]。國內在對國外實踐進行總結學習的同時利用新技術結合城市規(guī)劃體系進行研究。2003年至今,中國氣象界先通過使用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)技術模擬局地風環(huán)境并優(yōu)化通風走廊的通風效果設計方案;后融合遙感(remote sensing,RS)和地理信息(geographic information system,GIS)技術基于實地觀測和氣象數據分析評估通風走廊的實際效果[4],相繼在香港、武漢、長沙、西安、廣州、鄭州、南京、北京等地開展了通風走廊的專項研究。

現階段城市通風廊道研究技術集中在以下幾個方面:CFD技術是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物。它以電子計算機為工具,應用各種離散化的數學方法,對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究,可用于城市通風走廊設計研究。不過,限于巨量的計算資源需求,CFD技術通常應用在小區(qū)規(guī)模的風場模擬分析,更大范圍的應用未有成果:①模型準確性。CFD模型的準確性取決于所選的數值方法和模型參數的選擇;模型的準確性受到如網格分辨率、邊界條件和物理模型的選擇多種因素的影響,結果易偏差大;②計算資源需求。CFD模擬通常需要大量的計算資源,包括高性能計算機和大容量存儲器,成本高時間長;③模型驗證,CFD模型需要經過驗證,以確保其準確性和可靠性。這需要與實際數據進行比較和驗證,工作量大;④數據不確定性:CFD模擬中使用的輸入數據包括風速、風向、建筑物幾何形狀等參數,輸入數據不確定性的存在直接導致結果的不確定性和偏差。遙感技術用于城市通風走廊設計的優(yōu)勢在于能大面積同步觀測,視域范圍大,具有宏觀特性,可提供大、中型城市的面向觀測:①高分辨率影像獲取:遙感技術可以獲取高分辨率的衛(wèi)星影像或航空影像,提供詳細的城市地貌和建筑物信息,為通風走廊的設計提供基礎數據;②空間數據分析:通過遙感技術獲取的影像數據進行空間分析,了解城市的空間布局,確定通風走廊的位置和形狀;③熱紅外影像分析:遙感技術可以獲取熱紅外影像,用于分析城市的熱島效應,通過分析熱紅外影像,確定熱島效應較為嚴重的區(qū)域,并在這些區(qū)域設計通風走廊,改善通風條件;④風場模擬和預測:遙感技術可以結合氣象數據,進行風場模擬和預測,通過分析遙感影像和氣象數據,確定不同區(qū)域的風速和風向,為通風走廊的設計提供依據。地理信息技術在城市通風走廊設計中發(fā)揮著重要的作用:①空間數據獲取和分析:地理信息技術可以獲取和分析城市的空間數據,包括地形、建筑物分布、道路網絡等,以此了解城市的地理環(huán)境,并為通風走廊的規(guī)劃提供基礎;②風場模擬和預測:地理信息技術可以結合氣象數據,進行風場模擬和預測,通過模擬和預測城市中不同區(qū)域的風速和風向,確定通風走廊的位置和形狀,以最大限度地利用自然風來改善城市的通風狀況;③可視化展示:地理信息技術將城市的地理數據以地圖、三維模型等形式展示,直觀地了解城市的地理特征和通風走廊的設計效果,有助于做出科學合理的決策;④空間規(guī)劃和優(yōu)化:地理信息技術通過空間規(guī)劃和優(yōu)化分析,確定通風走廊的最佳位置、長度和寬度,通過優(yōu)化設計,最大限度地提高通風效果,減少城市的熱島效應,改善居民的生活環(huán)境。進一步的研究和實踐仍然需要進行,以完善通風走廊的設計和應用策略。

地表溫度參量是構建城市通風廊道的指示器,它表征地球表面和大氣界面結合部的溫度狀況[5],既能直接體現地球表面和大氣能量之間的交互作用,還能間接反饋地球表面和大氣運動之間的復雜過程[6]。因此,地表溫度不僅是氣候變化的敏感指示因子和掌握氣候變化規(guī)律的重要前提,還是大氣遙感相關模型的直接輸入參數[7],在氣象氣候、環(huán)境生態(tài)和水文等領域有廣泛的應用。地表溫度可以影響通風走廊的通風效果和微氣候環(huán)境。首先,熱空氣具有上升的趨勢,而冷空氣則具有下沉的趨勢。城市通風走廊的設計可以利用這種溫度差異,引導和驅動風流的運動,增強通風效果。同時,通風走廊可以通過引導風流,將較低溫度的空氣引入城市中心地區(qū),降低熱島效應,改善城市的氣溫和空氣質量。因此,基于衛(wèi)星遙感反演全天候地表溫度(all-weather LST),以此模擬城市熱島效應, 可以分析城市的高溫區(qū)和低溫區(qū),識別城市的作用空間和補償空間。構建大、中型城市通風廊道,將近郊與遠郊的新鮮空氣引入城市中心,并帶走城區(qū)的高溫濕熱空氣,是提升城市空氣流通能力、緩解城市熱島效應、改善人體舒適度、降低建筑物能耗的有效途徑[8]。

城市風場是指城市中的風流動態(tài),包括風速、風向和風的強度等,其風速、風向、分布和性質等要素特征在城市環(huán)境中具有重要作用,是僅次于遮擋陽光的改善城市熱島、降低溫度的最有效途徑[9]、能提高高靜風頻率城市弱風狀態(tài)下的平均風速,改善城市空氣質量[10]等。城市風場對城市的微氣候環(huán)境有著直接的影響。首先,通風走廊可以通過合理設計和布局,引導風流,調節(jié)城市中的氣溫、濕度和空氣質量,改善城市的微氣候環(huán)境。其次,通風走廊的設計可以通過合理引導風流,提供較低溫度、較高風速的空氣,為人們提供更為舒適的室外環(huán)境。對于大、中型城市而言,城市風場的靜風頻率越低,擴散條件越好,有利于空氣環(huán)境的保護[11]。因此,在通風走廊的設計中,需要考慮城市風場的分布特點,掌握城市風場的分布、變化和性質等方面的內容,統(tǒng)計城市多年平均的風向頻率結果,通過綜合分析主導風向和靜風頻率,得到該城市的背景風場特征[12],合理利用風場的動態(tài)來引導風流,以達到優(yōu)化通風效果和改善城市環(huán)境的目的。

綜上所述,合理的城市通風廊道規(guī)劃有助于城市緩解氣象和環(huán)境問題,并有機辨識目前大、中型城市發(fā)展規(guī)劃研究中亟須解決的關鍵問題。本文圍繞市縣尺度通風廊道研究的目標,以南京市為例,結合南京市建設現狀和規(guī)劃情況,分析南京市歷史氣候態(tài)的地表溫度數據和風場數據,構建出適配于南京市發(fā)展規(guī)劃的通風廊道,為南京市規(guī)劃以及宜居環(huán)境的優(yōu)化提供科學依據。

1 研究區(qū)域概況

南京市[13],又稱古城金陵,位于中國東部地區(qū),地理位置優(yōu)越,南起北緯31°14′,北抵北緯32°37′,西起東經118°22′,東迄東經119°14′,現為江蘇省省會,位于江蘇省西南部,南京市總面積為6 587.02 km2,三面環(huán)山,北臨長江的河谷盆地之中。南京作為江蘇省唯一的特大城市,區(qū)位及其地形如圖1所示。南京市全市轄11區(qū),分別為玄武、秦淮、建鄴、鼓樓、棲霞、雨花臺、江寧、浦口、六合、溧水、高淳[14]。南京具有典型的北亞熱帶濕潤氣候特征,四季分明,雨水充沛,春秋短、冬夏長,年溫差較大[13]。

ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據來源于地理空間數據云平臺;南京市行政區(qū)劃數據來源于國家基礎地理信息中心平臺圖1 基于ArcGIS軟件制作的南京市區(qū)位及其地形圖

2 資料和方法

2.1 數據來源

(1)地表溫度(land surface temperature,LST)數據集(國家青藏高原科學數據中心)的主要輸入數據為Terra/Aqua中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)LST產品和全球高分辨率的陸面模擬產品(global land data assimilation system,GLDAS)等數據[15],輔助數據包括衛(wèi)星遙感提供的植被指數、地表反照率等。該數據集生產方法充分利用了衛(wèi)星熱紅外遙感和再分析數據提供的地表溫度高頻分量、低頻分量以及地表溫度的空間相關性,最終重建得到較高質量的全天候地表溫度數據集[16]。本數據集的時間分辨率為逐日4次,空間分辨率為1 km;時間跨度為2000—2021年;空間范圍包括我國陸域的主要區(qū)域(包含港澳臺地區(qū),暫不包含南海諸島)及周邊區(qū)域(72°E～135°E,19°N～55°N)。

(2)再分析數據集(http://rda.ucar.edu/data/ds083.2)源自美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Pkediction,NCEP)的再分析資料數據集(final operational global analysis,FNL)資料、GRIB2(general regularly-distributed information in Binary form,與計算機無關的壓縮的二進制編碼,主要用來表示數值天氣預報的產品資料)數據[17],包括地面觀測站點的氣溫、濕度、氣壓、風速、降水量等觀測數據和通過數值計算得到的氣象參數(如溫度、風場、降水等),空間范圍覆蓋全球,空間分辨率為1°×1°;時間分辨率為逐6 h;時間跨度為2021年全年。本文的氣象背景場驅動數據由全球數據通信網持續(xù)地采集并進行實時更新,經過數據分析和校正后形成[18],數據質量較高。

2.2 模型方法

通風走廊模型流程圖如圖2所示。

圖2 通風走廊模型流程

(1)制作垂直剖面圖(簡稱剖面圖),將南京市氣象要素疊加在垂直面上,詳細了解南京市大氣的三維空間結構,掌握大氣垂直方向的結構特征。

使用Python繪制南京市內119°E的經向剖面圖,以水平距離(本文以緯度)為橫坐標,用高度(本文以氣壓)作縱坐標,利用垂直剖面圖,分析各種氣象要素,如溫度場、濕度場、水平風場、垂直運動、位溫或假相當位溫等氣象要素。用以分析南京市地理環(huán)境。

(2)反演地表溫度,疊加日地表溫度數據得到歷史氣候態(tài)地表溫度,獲取南京市城市熱源和低源。

城市熱島效應強度等級目前沒有統(tǒng)一的劃分標準。綜合多種城市熱島強度分級標準和規(guī)范,依據《城市熱島效應監(jiān)測技術規(guī)范》(DB35/T 1674—2017)、《城市熱島強度等級》(DB 21/T2016—2012)、《城市熱島效應評估技術指南》(第1版)等標準和技術規(guī)范,利用MODIS 反演的地表溫度逐日數據集來分析南京市歷史氣候態(tài)地表熱島強度[19],為了消除氣候環(huán)境的影響,更客觀地分析溫度場的分布及變化,對 MODIS 數據每個像素點的地表溫度進行歸一化處理[3],定義像元的熱島指數為

(1)

式中:Li為熱島指數;Ti、Tj為像元溫度值;i=1,2,…,n;j=1,2,…,n;n為研究區(qū)域內像元總數;σ為研究區(qū)域內所有像元溫度值的標準差。根據熱島指數由大到小劃分為 7 個等級,如表1所示。

表1 熱島強度等級劃分

通過Python調用scipy.ndimage.filters.aussian_filter對歷史氣候態(tài)地表溫度得到的熱島指數進行高斯模糊處理,獲取南京市空間分辨率為1 km城市熱島強度的分布結果。

(3)計算城市風場和頻率,獲取南京市盛行風。結合具體的氣象資料數據,通過Python與xarray處理NCEP再分析資料獲取城市風場,調用metpy計算城市距地面 10 m 處風速和風向,然后調用scipy.interpolate.interp2d的線性插值法和分析方法,將氣象資料數據進行整合和處理,得到高時空分辨率的氣象數據集,計算空間分辨率為1 km的南京市風環(huán)境,提取南京市本年度出現頻率最高的風向[20],開展風速大小和風向頻率的統(tǒng)計分析工作,風向采用 16 方位累計頻率統(tǒng)計法,風向頻率計算公式如下:

(2)

式中:gn為第n個方向出現風向頻率;fn為選取時段內第n個方向出現風的次數;c為靜風出現的次數。

(4)基于步驟(1)～步驟(3)的結果,疊加江蘇省級行政區(qū)劃矢量數據,以南京縣級行政區(qū)為基本單元。參考南京市歷史城市綠地規(guī)劃、土地利用類型30 m數據等輔助數據,初步確定南京市宏觀通風廊道走向。綜合《南京市綠道詳細規(guī)劃(2020—2025年)》,錨固“一帶、兩片、兩環(huán)、六楔”的市域生態(tài)骨架?！耙粠А?長江綠色生態(tài)帶,由長江及其洲島、濕地和兩側帶狀綠地構成,形成市域綠色空間網絡的主軸;“兩片”:結合南北田園鄉(xiāng)村地區(qū)建設兩片生態(tài)保護區(qū),以生態(tài)保護和郊野休閑功能為主,是南京市主要的生態(tài)基底和斑塊;“兩環(huán)”:繞城公路環(huán)及繞越高速公路環(huán),繞城公路環(huán)由江南的明外郭-秦淮新河、繞城公路綠環(huán)、江北的三橋生態(tài)廊道、老山森林公園、龍王山公園及八卦洲省級濕地公園組成;繞越高速公路環(huán)由繞越高速公路綠環(huán)和老山北部公路三環(huán)綠地組成;“六楔”:六條由外圍向城鎮(zhèn)內部楔入的綠色廊道,以郊野公園和綠色開敞空間為主,聯系外部山水生態(tài)空間與城鎮(zhèn)內部結構性綠地,是城市重要的通風廊道。充分尊重現有南京市城市格局:江南綠道結構為“一江三環(huán),四廊銜一網”;江北綠道結構為“一江兩環(huán),兩廊銜一網”,細化南京市宏觀通風廊道設計結果。

3 模型結果

3.1 南京市環(huán)境場特征

圖3為基于Python繪制的2021年南京市119°E的經向剖面。其中,縱坐標代表氣壓值,范圍為200～1 000 hPa,橫坐標代表緯度值,范圍為20～40°N。q比濕圖(填色)、v風矢圖(矢量箭頭)、w垂直速度圖(藍色虛線)、θse假相當位溫圖(棕色實線)、地形填充(黑色填充)。由圖3可知, 南京市地勢主要位于氣壓值850 hPa以上的大氣環(huán)境中,位溫在300 K上下浮動,在數據時間段內,南京市主要盛行東向風,在氣壓值低于400 hPa時,東向風和西向風開始交替盛行,位溫值也由300 K攀升到350 K,但風垂直速度變化弱。

圖3 119°E經向剖面

3.2 南京市熱島分布特征

圖4為基于MODIS 地表溫度產品的2021年南京市熱島強度等級分布圖。由圖4可知,城鄉(xiāng)的溫差較小,主要的低溫區(qū)集中在水域部分。通過熱島效應的空間分布情況進行分析,強熱島主要集中于建筑眾多、人口聚集的中心城區(qū),且熱島集中、相連成片。城市內部的植被和水域地區(qū)的熱島強度處于較低的程度。所以建議在建設城市的過程中著重考慮城市內部綠化的建設。提升城市的綠化覆蓋度可以一定程度上減輕熱島強度。棲霞區(qū)、鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)、雨花臺區(qū)、高淳區(qū)和溧水區(qū)中部地區(qū),除了水體和部分綠地區(qū)域,大部地區(qū)呈現不同程度的熱島分布;六合區(qū)、浦口區(qū)和江寧區(qū)除了建筑和裸土區(qū)域呈弱熱島,其余基本無熱島出現,水體為冷島。水體具有較強的熱量儲存能力,水分蒸發(fā)時的耗熱能有效降低貼地氣層的溫度,增加水域的面積,可以對城市溫度起調節(jié)作用。故浦口區(qū)北部、六合區(qū)和江寧區(qū)的城郊綠地和水體可作為城市冷源,通過設計通風廊道,利用主導風將冷源和中心熱島區(qū)串聯,引入冷源自然風,導出南京市熱空氣,形成局地對流,削弱中心城區(qū)連片熱島發(fā)展,緩解南京市熱島效應。

圖4 南京市熱島強度分布

3.3 南京市背景風場特征

圖5為基于FNL氣象再分析數據的2021年南京市背景風場玫瑰圖。不同風速段的風速頻率進行統(tǒng)計表明,1.6 ～3.3 m/s段(“軟輕風”) 出現頻率超過全部風速段的七成以上,其中東北風尤為顯著。由圖5可知,南京市2021年以偏北風為主,尤其是東北風和西北風?！败涊p風”是城市通風廊道通風效果最明顯的風段。結合南京市熱島強度等級分布圖和背景風場特征分析,可初步確定南京市宏觀通風廊道的走向。

圖5 南京市背景風場

3.4 南京市通風廊道設計結果

圖6為結合遙感影像數據和氣象再分析資料構建出適配于南京市發(fā)展規(guī)劃的5條宏觀通風廊道/通風走廊。在分工與設計原則上,宏觀通風廊道的設計應盡可能與南京市主導風向平行或近似平行,并充分利用面積較大、生態(tài)環(huán)境較好的綠地、山地、河流等生態(tài)冷源。宏觀廊道的設置應起到輔助和延展南京市城市通風效能以及溝通、連接局地生態(tài)冷源和風環(huán)境較差區(qū)域的功能。具體如下:①由六合區(qū)沿著盛行風(東北風)方向,跨越長江流域,將冷源送至棲霞區(qū);②由浦口區(qū)北部地勢較高的山區(qū)(永寧鎮(zhèn)、盤城鎮(zhèn)和湯泉鎮(zhèn)等)向浦口區(qū)地勢較低的東南地帶(江浦街道)、雨花區(qū)西北部的鎮(zhèn)區(qū)送冷源;③江寧區(qū)東部郊區(qū)(湯山鎮(zhèn))貫穿整個城區(qū),聯通江寧區(qū)和雨花臺區(qū)交界處(鐵心橋街道和東山街道等),提供了絕佳的通風廊道;④江寧區(qū)南部與溧水區(qū)交界處和溧水區(qū)東部(東屏鎮(zhèn)和白馬鎮(zhèn))向溧水區(qū)中心地帶,可有效降低城區(qū)氣溫,阻止熱島連塊成片發(fā)展,同時可引入郊區(qū)清新空氣;⑤高淳區(qū)東部(椏溪鎮(zhèn))出發(fā),向高淳區(qū)中部和西部輸送冷源,以減小風速阻力,構建區(qū)內廊道。

圖6 南京市通風廊道模型結果

4 結語

本文結合歷史南京市通風走廊研究結果和建設與規(guī)劃現狀,分析南京市歷史氣候態(tài)的地表溫度數據和城市風場數據,統(tǒng)籌考慮近年來南京市需解決的氣象和環(huán)境問題,設計出適配于南京市發(fā)展規(guī)劃的5條宏觀通風廊道,具體結論如下。

(1)通過衛(wèi)星遙感反演的南京市歷史氣候態(tài)地表溫度結果可知,南京市中心區(qū)域熱島明顯,特別是棲霞區(qū)、雨花區(qū)和江寧區(qū)交界處、溧水區(qū)洪藍鎮(zhèn)和晶橋鎮(zhèn)、高淳區(qū)磚墻鎮(zhèn)和漆橋鎮(zhèn)熱島集中、相連成片。合理規(guī)劃城市的建筑分布,適當分散高層建筑物、降低建筑物密度便于散熱和通風。對城市的建筑分布進行優(yōu)化,可以大幅度緩解城市熱島效應。

(2)通過氣象再分析資料計算的南京市城市風場和頻率結果可知,南京市郊區(qū)至中心城區(qū)風速逐步減小,以北風或東北風為主,明顯的主導風向利于通風廊道的規(guī)劃。通過設計通風廊道,利用主導風將城郊綠地和水體同中心熱島區(qū)串聯,引入冷源自然風,導出城市熱空氣,形成局地對流,可緩解城市熱島效應。

(3)基于南京市風、熱環(huán)境和下墊面信息,設計出的5條宏觀通風廊道構成南京市通風廊道體系,以期為南京市城鎮(zhèn)化發(fā)展期間應對氣候變化提供參考借鑒。