占龙飞， 胡菊芳， 陈 亮， 姜智怀， 曹 毅， 罗少华， 蔡 娟
(1.江西省气候中心，南昌 330096；
2.华东师范大学地理科学学院，上海 200241；
3.江西省人工影响天气中心，南昌 330046)
随着江西省南昌市城市化进程的不断推进，下垫面结构发生了巨大变化，形成了特殊的城市气候，其中近地层风场的变化是城市化影响局地气候的一个重要方面。许多研究表明，复杂建筑物和陡峭地形将导致城市局部地区通风效率降低，城市热岛效应增强[1-5]，同时相应的空气污染问题也日益突出[6]。城市通风廊道研究对改善城市空气质量和缓解热岛效应具有非常重要的指导意义[7-8]。2016年2月，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部联合印发《城市适应气候变化行动方案》中，明确提出“依托现有城市绿地、道路、河流及其他公共空间，打通城市通风廊道，增加城市的空气流动性。”合理利用城市通风廊道引导自然风改善空气质量、缓解热岛效应已成为构建“呼吸城市”这一新的城市建设理念的切实要求。
国内外许多城市基于当地风源(风向)和通风廊道建设目标开展了一系列研究，取得了重大进展。国外发达国家对城市通风廊道理论研究起步较早，同时部分研究成果已实际应用于城市规划建设中。德国斯图加特市按其环保局城市气候科编制的《城市建设的气候学基础(Städtebauliche Klimafibel)》要求，通过设置风道，将山谷风引入城市中心，缓解城市热岛，提高人体舒适度[9]。日本东京通过5级通风廊道，引入东京湾海陆风、山谷风和公园风，以改善城市空气质量和缓解城市热岛[10]。此外，英国伦敦、美国洛杉矶等[11]也开展了相关研究。相比较，国内虽起步较晚，但发展迅速。香港规划署修订的《香港城市设计指引》，将海陆风引入城区，缓解城市热岛，改善空气质量[12]。北京打通城市通风廊道，将郊区湿冷空气输送进城区，可有效减轻热岛效应，改善局地气候环境，提高人体舒适度[3]。南京通过构建通风廊道系统，将山谷风和水陆风引入江北新区，以缓解城市热岛[13]。广州、天津、杭州、武汉、西安等地也根据当地实际气候、地貌特点，开展了相关研究[8, 14-17]。
虽然国内外在通风廊道的建设上也取得了重大进展，但南昌乃至整个江西在城市规划中对通风廊道的研究尚处空白。此外，以往的研究较少通过定量化对比分析三级通风廊道的规划效果。本研究基于气象、遥感数据，综合分析南昌市背景风场特征和城市热岛分布现状，结合建筑、地形、土地利用、河网、路网、大型公园等开展南昌市通风廊道的规划研究，旨在用于保护和合理规划已有通风廊道，减轻因城市建设引起的通风能力下降和热岛效应增强，填补省内空白，为城市规划建设提供可靠的科学依据。
1.1 研究区域概况
南昌市地处江西中部偏北，位于115°27′E至116°35′E、28°10′N至29°11′N，南北最大纵距约121 km，东西最大横距约108 km，总面积为7195 km2。南昌市全境以鄱阳湖平原为主，中部赣江、抚河贯通南北，西部丘陵起伏，北部紧邻鄱阳湖，东部湖泊众多，南部地势平坦(图1)。总体来看，南昌市地理环境利于气流的南北输送。
图1 南昌市国家基本气象站点分布及地理环境
1.2 研究资料
气象数据来源于江西省综合气象信息共享平台(CIMISS)，该平台面向气象业务和科研提供了唯一权威的数据服务。考虑气象站观测时长、位置、迁站及数据连续性等问题，最终选取南昌市新建、南昌及安义3个国家气象站1961-2019年逐月风速、风向数据，以代表研究区域整体风环境背景特征。其中，新建站、南昌站和安义站分别位于主城区内、近郊和远郊(表 1)。
表1 气象数据说明
遥感数据来源于美国国家航空航天局(NASA)发布的MODIS标准地表温度轨道逐日产品MOD11A1(空间分辨率1 km)，其数据经过了严格的质量控制，大量前人研究成果表明数据精度可达1 ℃[18]。本研究对该产品进行拼接、切割、投影转换、单位换算、栅格计算等处理，最终得到南昌市2018年夏(6-8月)、冬(12月-次年2月)两季LST(Land Surface Temperature，地表温度)空间分布栅格数据(表2)。
土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心[19]，本研究选取江西省2018年土地利用数据。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型，空间分辨率1 km(表2)。
表2 遥感、土地利用数据详情
2.1 风环境计算方法
基于筛选后的3个国家气象观测站(南昌、新建和安义，如图1所示)逐年夏季(6-8月)和冬季(12月-次年2月)距地面10 m处风速、风向气象观测资料,开展风速大小和风向频率的统计分析工作，风向采用16方位累计频率统计法，风向频率计算公式如下：
(1)
式中，gn为第n个方向出现风向频率，fn为选取时段内第n个方向出现风的次数，c为静风出现的次数。
2.2 热环境计算方法
采用城市热岛强度指数(Urban Heat Island Intensity Index，简称UHII)估算城市地表热岛强度，热岛强度指城市地表温度与郊区地表温度之差[20-23]。遥感数据各像元的热岛强度指数计算公式如下[20-21]：
(2)
式中，Ii为城市第i个像元热岛强度，Ti为城市第i个像元的地表温度值，n为郊区有效像元数，Tj为郊区第j个像元的地表温度值。按照热岛强度指数的大小，划分7级热岛强度：强冷岛、较强冷岛、弱冷岛、无热岛、弱热岛、较强热岛和强热岛等，具体划分方法见表3。
表3 城市热岛强度等级划分方法
在城市热岛强度指数的计算中，郊区像元的选择无统一的标准。在前人[20-21,24]研究基础上，考虑指标计算的简便性和通用性，本文按如下原则选取遥感栅格点作为郊区像元(图2)：
图2 2018年南昌市土地利用分类及郊区样本分布图
(1)远离城市中心，并与城市平均海拔高度基本一致的开阔植被覆盖地。
(2)下垫面性质保持稳定，即土地利用类型长期保持一致。
(3)周边土地利用类型应为耕地或林地。
(4)以城市为中心，尽可能多地在各方位上选点。
2.3 城市形态通风潜力评价
地表粗糙度越低，气流通过的阻力越小，风速越大。目前，有若干种基于城市形态模型计算地表粗糙度，其中常被运用的是迎风面积密度(Frontal Area Density，FAD)。
迎风面积密度(FAD)λf(Z,θ)表示在高度Z上的迎风面积指数:
(3)
其中，A(θ)proj(ΔZ)表示在一定高度增量(ΔZ)、一定风向(θ)下，建筑迎风面的投影面积；
AT表示建筑底下标准单位网格面积，本研究网格大小设为100 m×100 m。
迎风面积指数加权计算方法：
(4)
式中，λf(Z)是(3)式中λf(Z,θ)的各方位加权平均，本文取16方位；
Pθ,i是平均风速在θ方向的频率；
n为风向个数，本文取16。
南昌市迎风面积密度图等级划分方法见表4[25]。
表4 南昌市通风潜力等级划分方法
2.4 通风廊道构建方法
一级通风廊道的设计原则是能在引入郊区清新空气和缓解热岛效应方面起关键作用，规划(识别)方法是通风廊道走向顺应城市主导风向，连接主城区和郊区，贯穿热岛区域。一级通风廊道载体为平均宽度500 m以上的河流、湖面和平地等。一级通风廊道的规划(识别)方法适用于主导风明显且城市内部风道与主导风夹角较小的城市。
二级通风廊道的设计原则为一级通风廊道深入城区腹地的辅道，能够较好地引导一级通风廊道气流灌入主城区。结合南昌主城区道路实际情况，考虑平均宽度50-100 m的10 km以上且连接一级通风廊道的平直道路作为二级通风廊道，在条件允许的情况下可与主导风向垂直。二级通风廊道的规划(识别)方法适用于有一定长度、宽度和直度的道路或河流的城市。
有研究表明[17]，一、二级通风廊道对城市腹地空气置换能力有限，因此，需要三级通风廊道的补充。三级通风廊道设计原则主要为街道、广场、内河等局部通风条件较好的通道，可与主导风向成任意夹角。三级通风廊道适用于具有一、二级通风廊道的城市。该类通风廊道应尽可能扩宽或修正通道走向，提高通风能力。
2.5 三级通风廊道风场数值模拟
由于三级通风廊道修建成本最低，同时对街区空气置换的影响最直接、覆盖面最广，因此，科学合理地拓宽或修正三级通风廊道具有重要意义。本研究基于流体动力学开展了街区尺度的规划效果对比数值模拟研究，以探求三级通风廊道的科学规划方法。
数值模拟计算时，首先利用前处理软件Gambit构建1∶1的实况建筑，构建优化布局后的参照建筑，并进行结构化网格划分。综合考虑实际街区布局和建模成本，建筑布局优化遵循以下4个原则：
(1) 尽量保持原有建筑布局。
(2) 整合散乱建筑为规则整体。
(3) 保持街道开阔通畅。
(4) 尽量用矩形建筑替代不规则建筑。
数值模拟计算利用CFD(Computational Fluid Dynamics)的FLUENT软件。求解采用RNG κ-ε湍流模型，控制方程采用有限体积法，压力—速度耦合采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法，参数控制采用欠松弛技术进行方程迭代[1]。
考虑到模拟区域夏、冬季主导风，选择对应背景风场风向作为初始风向，入口风速设为3 m/s，代表该区域背景风场。
3.1 风环境特征
3.1.1 风速特征
根据Liu等[26]的研究可知，建筑覆盖率越高，风速衰减越明显，建筑越密集，通风能力越弱。江西省地处亚热带季风区，春秋季主导风向不明显，夏冬季风明显。通风廊道规划建设需有明确的主导风向。为探明城市化对南昌市风环境的影响，统计分析了新建、南昌和安义等3个站1961-2019年夏、冬季风速资料。从各站风速变化来看，夏、冬季风速均呈显著性(α= 0.05)下降(图3、表5)。其中，新建站风速下降趋势最明显，安义站下降相对缓和，这是由于前者位于南昌市主城区，后者远离城市中心，前者受城市化影响大，后者的小。从季节变化来看(表5)，冬季风速递减率大于夏季的，并且受城市化影响越大，风速递减率越大。从近10年平均风速和最大风速来看，新建站(城市内部)风速最小，南昌站(近郊)的次之，安义站(远郊)的最大。其中，各站夏、冬季平均风速最大仅为2.0 m·s-1，对热岛的缓解和清新空气的输入作用极其有限[27]。
图3 1961-2019年南昌市各站夏、冬季风速变化
表5 1961-2019年南昌市各站夏、冬季风速特征统计
3.1.2 风向特征
为探究南昌市主导风向特征，对新建、南昌和安义等3个站1961-2019年近59年的长序列风速风向数据进行了统计分析，结果见图4。由图4可知，16个方位的风速主要分布在2～6 m·s-1，南昌地区夏季主要以东北风(频率28%)和西南风(频率32%)为主，冬季主要以北风或东北风(频率90%)为主。由于南昌市地处亚热带季风区，风向随季节变化明显且稳定。夏季受副高抬升后退影响，交替出现西南风和东北风，有助于将鄱阳湖及南昌西南部郊区的湿冷空气带入主城区；
冬季冷空气自西伯利亚由北向南经鄱阳湖灌入南昌主城区，形成明显的北风或东北风，利于将鄱阳湖湿冷空气引入主城区。夏、冬季明显的风向有助于通风廊道的规划。
图4 1961-2019年南昌市各站夏、冬季风玫瑰图
3.2 热环境特征
2018年夏季地表温度反演结果显示(图5a)：夏季强热岛区域主要出现在赣江两岸的南昌市城区、工业园区等地，呈现多中心分布特征，与贺志明等[28]研究结论一致，且有相连成片趋势；
周边郊区和农村耕地呈较强热岛或弱热岛；
水域、远郊耕地和梅岭主要为无热岛或弱冷岛，视为冷源。在规划通风廊道时，应利用主导风串联冷源和城区，将冷源的自然风引入，导出城市滞留空气，形成局地气流良性循环，阻止城区热岛连片发展，缓解城市热岛效应。
从2018年冬季地表温度反演来看(图5b)，冬季城区热岛强度并不明显。因此，通风廊道的构建对于冬季的南昌，主要体现在清洁空气的畅通输入，置换出城区废气。
图5 2018年夏季(a)和冬季(b)热岛强度反演
3.3 中心城区通风潜力评估
通风潜力是构建城市通风廊道的重要参考依据[15, 29]。图6是利用Arcgis 10.2计算的FAD空间分布图。由图6可知，通风潜力差或较差区域分布在城区核心区域，这些区域空间上多呈组团状聚集，这也与前文分析的夏季热岛强度分布(图5)相对应。通风潜力一般的区域分布在城郊接合部，这些区域开发程度低，建筑相对开阔。通风潜力良好区域主要分布在赣江、抚河、青山湖、艾溪湖湿地公园等水域附近，郊区通风潜力明显优于城区的。通风潜力与土地利用类型有较高相关性。
图6 南昌城市通风潜力评价
3.4 通风廊道空间布局
基于夏、冬季背景风向和主城区迎风面积密度(FAD)，同时结合下垫面信息，规划(识别)出各级通风廊道[17]。
(1)一级通风廊道
选择2条东北-西南走向的长条形通风廊道作为一级通风廊道(图7)。其中一条以赣江作为通风廊道载体，属于河网型通风廊道。平均宽度约1.5 km，贯穿整个城区，为夏、冬两季气流的灌入提供了绝佳的通风廊道，可有效降低城区气温，阻止热岛连块成片发展，同时可引入郊区清新空气。
图7 南昌市通风廊道构建图
另一条选择“赣江支流-艾溪湖-昌东大道”，连通“河网-湖面-路网”。宽度约0.5～1.5 km，艾溪湖以南多以低矮建筑为主，利于冬季南下的北风灌入城区，为冬季清新空气的引入提供了良好的通道。在未来城市规划中，应逐步扩通艾溪湖以南的郊区，使之与艾溪湖畅连，减小风速阻力。
(2)二级通风廊道
城区内部选择“三横两纵”5条二级通风廊道(图7)。主要以长直公路和水体为主，长度大于10 km，平均宽度约50～100 m，作为一级通风廊道在城市内部的延伸，形成纵横交错的通风廊道体系(表6)。在条件允许的情况下，应尽量拓宽二级通风廊道。
表6 通风廊道位置
(3)三级通风廊道
三级通风廊道位于城区内部，作为二级通风廊道渗入街区内部的通道，起到缓解局部热压，改善局地空气流通的作用。
3.5 三级通风廊道规划指引
街道可视为三级通风廊道，良好的街道布局对空气流通起着关键作用。图8为南昌主城区内通风受阻严重的东湖区京门、观音巷小区不同主导风向下不同建筑布局下的2 m高度处水平风速对比模拟结果。实际上，研究区域四周均为高密集建筑群，因此，本研究仅讨论街区内部风场情况。总体来看，该区域北风背景下的通风能力更好，优化后的街区通风能力更强。原街区(图8a、8b)内部气流复杂，风向改变大，部分建筑下风方向出现横流或逆流，局部出现空气滞留现象。优化后的街区(图8c、8d)，无论南、北主导风方向，扰流均减小，风速相应增大。其中，与来流方向平行的街道因狭管效应风速增加60%以上，街区内部平均风速较原街区(图8a、8b)提高了4倍，利于街区内空气置换。值得一提的是，即使是优化后的街区，与来流方向垂直的街道风速依然较小，易形成横流或涡流。根据以上结论，得出相关规划建议：应减小街道与来流风方向的夹角，使得迎风面系数尽可能低，同时尽量增加楼距，预留足够的通风空间。
图8 南昌市中心街区北风(a)和南风(b)条件下的实际风场及优化后北风(c)和南风(d)条件下的风场(空白区域为建筑物)
(1)1961-2019年，南昌夏、冬季风速有明显减小趋势，其中城市内部风速减小速率大于郊区的。夏季受副高抬升后退影响，交替出现西南风和东北风；
冬季受南下冷空气影响，以北风或东北风为主。明显的主导风向利于通风廊道的规划。
(2)通过卫星遥感反演结果可知，南昌夏季城区热岛明显，城区大部处于强热岛中，呈现多热岛中心，并有相连成片趋势；
冬季城市热岛不明显。
(3)根据建筑物迎风面积密度(FAD)可知，郊区通风潜力明显优于城区的，城区内部存在大量通风不畅区域，仅在河流、湖泊等地通风潜力良好。
(4)基于风、热环境和下垫面信息，提出了由2条一级风道、5条二级风道和若干条三级通风廊道构成的南昌城市多级通风廊道体系，并通过数值模拟指引三级通风廊道规划，建议尽量减小街道与来流风方向的夹角，预留足够的通风空间。
目前，主流气象模式无法精细化模拟城市内部气象环境，通风廊道对污染物扩散影响的研究匮乏。下一步将融合空气质量监测数据和风速观测数据，深入通风廊道对空气污染物扩散的定量化研究，提升通风廊道规划科学性。需要指出的是，通风廊道规划落地需要政策支撑，明确通风廊道内的新建项目应增风环境评估，保障通风廊道内的新建项目不影响整体通风环境。
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