多模型、多尺度城市風(fēng)廊發(fā)掘及景觀策略

郭飛 趙君 張弘馳 王哲 宋煜

0 引言

中國已從高速城市化向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，如何保障城市安全、提升城市健康宜居性已成為滿足人們對美好生活向往的重要途徑，包括采取有效的規(guī)劃策略應(yīng)對未來氣候變暖，解決氣溫升高、城市熱島效應(yīng)加劇、空氣污染等問題[1-5]。城市通風(fēng)廊道是一種科學(xué)定量、精細(xì)化的氣候規(guī)劃策略和管控手段，通過通風(fēng)潛力大、空氣阻力小的線形空間，聯(lián)系郊區(qū)與城市中心區(qū)，將清潔、涼爽的氣流引導(dǎo)至高溫悶熱的空間，緩解熱島效應(yīng)和空氣污 染[6-7]，從城市尺度宏觀調(diào)控城市氣候資源。

1 多模型、多尺度方法示意Multi-model, multi-scale methodology diagram

德國是最早進(jìn)行城市通風(fēng)廊道研究和實(shí)踐的國家[8]53。德國學(xué)者認(rèn)為城市風(fēng)道系統(tǒng)是由補(bǔ)償空間（郊區(qū)及清潔空氣源）、作用空間（污染聚集及熱島中心區(qū)）以及連接兩者的通風(fēng)廊道3部分組成，并得到廣泛認(rèn)可[9]，在世界上許多城市都得到了應(yīng)用。鑒于城市氣候規(guī)劃的多尺度特性，風(fēng)廊的實(shí)踐跨越了從宏觀到中觀的各種尺度。例如歐洲城市從宏觀尺度調(diào)控城市用地、建設(shè)以及保護(hù)綠地、水體和清潔空氣源等方面的研究[10-14]；在中觀的城市設(shè)計(jì)和街區(qū)尺度，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了規(guī)劃指標(biāo)、建筑街道幾何形態(tài)、綠廊布局等分辨率更高的精細(xì)化研究[15-17]。這些研究和實(shí)踐涵蓋了不同學(xué)科的研究方法，如地理空間分析[18]、遙感[19]、數(shù)值模擬[20]等，與城市和建筑的不同設(shè)計(jì)尺度相對接。在亞洲，日本學(xué)者根據(jù)日本特有的自然環(huán)境，研究了如何利用海陸風(fēng)、山谷風(fēng)建立城市通風(fēng)廊道[21-23]。近年來中國城市在氣候變暖和空氣污染背景下開始進(jìn)行風(fēng)道的實(shí)踐和研究，為本研究提供了很好的借鑒。例如吳恩融、任超等針對香港特殊地理和城市環(huán)境結(jié)合海陸風(fēng)，開展城市氣候圖和風(fēng)廊的研究[8]52-60,[23-25]。杜吳鵬、房小怡等[26-27]利用地表粗糙度長度等城市形態(tài)參數(shù)對北京風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了評估；謝俊民等[28]130-143綜合運(yùn)用GIS計(jì)算城市形態(tài)參數(shù)對臺南市的通風(fēng)廊道進(jìn)行發(fā)掘；其他地區(qū)如武漢[29-30]、貴州[31]、西安[32]、長沙[33]、廣州[34]、珠三角[35]等，也有利用遙感、空間形態(tài)、數(shù)值模擬等技術(shù)進(jìn)行的風(fēng)廊研究與實(shí)踐工作。

綜上，通風(fēng)廊道的發(fā)掘方法主要有城市空間分析、遙感反演、數(shù)值模擬、氣象觀測等，這些方法的數(shù)據(jù)來源不同、時(shí)空尺度差異較大，與風(fēng)環(huán)境的關(guān)聯(lián)性各有不同。因此對于影響因素復(fù)雜、空間異質(zhì)性大的城市氣候而言，單一模型或單一尺度的風(fēng)廊發(fā)掘方法可能會造成較大的偏差[36-38]。鑒于此，本研究利用GIS平臺疊加多模型、多尺度風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價(jià)的技術(shù)路線，有助于對不同模型結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，避免模型片面化、數(shù)據(jù)碎片化造成的偏差，可以更加全面、準(zhǔn)確地總結(jié)城市風(fēng)環(huán)境規(guī)律，指導(dǎo)風(fēng)廊的規(guī)劃和實(shí)施。

大連地處遼東半島最南端，三面環(huán)海，是重要的港口、貿(mào)易、工業(yè)、旅游城市，這對城市氣候環(huán)境的宜居性提出了更高的要求。2017年大連被住建部確定為第二批全國“城市設(shè)計(jì)”試點(diǎn)城市。同年大連市規(guī)劃局（現(xiàn)大連市自然資源局）啟動(dòng)總體城市設(shè)計(jì)工作，確定了包括“大連城市通風(fēng)廊道專項(xiàng)規(guī)劃”在內(nèi)的7個(gè)專題任務(wù)。本文作者以大連核心區(qū)為例介紹該專題任務(wù)的部分成果。

1 多尺度多模型技術(shù)路線

2018年中國氣象局發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候可行性論證規(guī)范 城市通風(fēng)廊道》（QX/T 437—2018），詳細(xì)規(guī)定了風(fēng)廊的術(shù)語、資料處理方法、評估指標(biāo)、設(shè)立原則等[39]1-5。綜合該規(guī)范規(guī)定、國內(nèi)外研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[40-43]，制定了多模型、多尺度的發(fā)掘與識別技術(shù)路線（圖1）。大連核心區(qū)丘陵多、與黃渤海相鄰，城市風(fēng)環(huán)境受大氣環(huán)流、海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、城市熱島等局地環(huán)流的耦合影響[44]178-194，單一數(shù)據(jù)來源和尺度難以準(zhǔn)確描述。需要利用多模型、多尺度方法分析總結(jié)，進(jìn)行風(fēng)廊的挖掘與識別。

由于城市氣候的特點(diǎn)，研究領(lǐng)域主要可分為2種尺度的風(fēng)廊：1）城市總規(guī)尺度，研究10～100 km范圍的城市總體問題，主要考察大氣環(huán)流、局地環(huán)流（水陸分布、地形等）、土地利用、綠地格局等大尺度因素對城市氣候的影響。對應(yīng)的模型或研究方法有氣象觀測、氣象研究與天氣預(yù)報(bào)模型（Weather Research and Forecast Model, WRF）、氣象模擬、衛(wèi)星遙感和土地利用分類法等。2）街區(qū)尺度，研究10～1 000 m范圍的城市街區(qū)問題，主要考察建筑幾何形態(tài)因素對氣候的影響。對應(yīng)的模型或研究方法是基于GIS的城市形態(tài)參數(shù)（迎風(fēng)面積指數(shù)，F(xiàn)rontal Area Index, FAI；最小路徑法，Least Cost Path, LCP；地表粗糙度長度，Urban Roughness Length, URL；天空開闊度，Sky View Factor, SVF；通風(fēng)潛力，Ventilation Potential）等。本文作者將主要介紹大連市核心區(qū)（約750 km2）城市街區(qū)尺度風(fēng)廊。規(guī)劃控制方法包括：規(guī)定通風(fēng)廊道分布（包括一級、二級）及寬度、土地利用性質(zhì)、堵塞點(diǎn)控制、開發(fā)強(qiáng)度控制、建筑密度、綠地率、周邊地塊退讓、建筑和景觀設(shè)計(jì)導(dǎo)則等。

本研究技術(shù)路線為：根據(jù)土地利用現(xiàn)狀區(qū)分城市中心區(qū)和綠源分布；通過氣象觀測、模擬和衛(wèi)星遙感圖像獲取城市風(fēng)場、通風(fēng)量、風(fēng)玫瑰圖和溫度場，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀構(gòu)建通風(fēng)廊道系統(tǒng)的作用空間與補(bǔ)償空間；利用GIS根據(jù)城市形態(tài)參數(shù)計(jì)算城市通風(fēng)潛力并挖掘潛在風(fēng)廊；然后將各類評估結(jié)果疊加，綜合判斷通風(fēng)廊道所在位置及寬度，利用風(fēng)廊連接補(bǔ)償空間與作用空間，為作用空間輸送涼爽清潔的空氣；最后結(jié)果與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)對接，從總體、街區(qū)和景觀等方面提出規(guī)劃控制策略。

風(fēng)廊發(fā)掘的標(biāo)準(zhǔn)包括綠源等級、通風(fēng)量、主導(dǎo)風(fēng)向夾角、熱島強(qiáng)度等級、通風(fēng)潛力、一定寬度的空間等，分別對應(yīng)著不同尺度的模型，這些結(jié)果可相互校驗(yàn)，互相補(bǔ)充，也可能會存在矛盾（圖1，表1）。

1）WRF模擬可提供高分辨率風(fēng)場、通風(fēng)量、風(fēng)玫瑰圖。WRF補(bǔ)充了氣象觀測數(shù)據(jù)在站點(diǎn)數(shù)量、密度方面的不足。2）氣象觀測提供風(fēng)玫瑰圖，為WRF模擬和衛(wèi)星遙感提供驗(yàn)證和校準(zhǔn)，是迎風(fēng)面積和LCP法進(jìn)行加權(quán)計(jì)算的依據(jù)，也是一、二級風(fēng)廊布局和走向的判斷依據(jù)。3）衛(wèi)星遙感提供晴朗無云天氣下的高精度溫度場，是計(jì)算城市熱島強(qiáng)度并區(qū)分作用空間和補(bǔ)償空間的依據(jù)之一，補(bǔ)充了氣象觀測數(shù)據(jù)在站點(diǎn)數(shù)量、密度方面的不足。4）土地利用數(shù)據(jù)是綠源等級劃分的依據(jù)，也是區(qū)分作用空間和補(bǔ)償空間的依據(jù)之一。5）基于GIS的城市形態(tài)參數(shù)包括了SVF、FAI、URL、LCP等，是通風(fēng)潛力的計(jì)算基礎(chǔ)。因其分辨率高、與城市空間和規(guī)劃設(shè)計(jì)對接最緊密，是風(fēng)廊發(fā)掘的核心方法，也是WRF模擬的參數(shù)來源。

各模型結(jié)果在大部分情況下是一致的，但也可能存在矛盾。如LCP法挖掘的風(fēng)廊包括了16個(gè)風(fēng)向的結(jié)果，與軟輕風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向可能存在一定的矛盾。因此在進(jìn)行風(fēng)廊布局時(shí)，主要保留了與主導(dǎo)風(fēng)向一致或夾角較小的結(jié)果。又如風(fēng)廊在城市中心區(qū)由于各種限制條件難以滿足寬度要求，此時(shí)須綜合考慮上位規(guī)劃、土地利用現(xiàn)狀等因素綜合確定其控制指引等。各模型結(jié)果存在矛盾時(shí)，遵循的原則是觀測優(yōu)先于模擬、長期數(shù)據(jù)優(yōu)先于短期數(shù)據(jù)、氣象學(xué)方法優(yōu)先于城市形態(tài)參數(shù)法。

2 方法構(gòu)建

2.1 土地利用現(xiàn)狀

土地利用現(xiàn)狀是區(qū)分作用空間、補(bǔ)償空間和綠源等級的重要依據(jù)。風(fēng)廊的發(fā)掘結(jié)果也要與土地利用數(shù)據(jù)疊加，綜合上位規(guī)劃要求、土地利用現(xiàn)狀、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求等因素，確定其布局、位置、寬度。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

2.2.1 氣象觀測

利用城市氣象觀測數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)向玫瑰圖、風(fēng)速、溫度等要素，統(tǒng)計(jì)氣候基本狀況和變化趨勢并為驗(yàn)證遙感和氣象模擬的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。在本研究中我們獲取了大連市27個(gè)氣象站的觀測數(shù)據(jù)，其中大連中山站為百年站，可作為理解和掌握城市長期氣候的依據(jù)。以中山站1951—2017年近67年的觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對城市氣候進(jìn)行初步了解。

表1 通風(fēng)廊道識別主要依據(jù)[39]6Tab. 1 Main basis for identification of ventilation paths[39]6

2.2.2 氣象模擬

利用WRF進(jìn)行高分辨率模擬（400 m），并且根據(jù)城市形態(tài)特征設(shè)定了其城市冠層耦合模型（Urban Canopy Model, UCM）的參數(shù)，模擬邊界條件主要參考了一些相關(guān)文獻(xiàn)給出的方法[45-46]。歷史氣象統(tǒng)計(jì)資料[47]顯示大連最熱月是8月，因此我們對2015年8月整月進(jìn)行了逐時(shí)模擬。獲取城市軟輕風(fēng)并計(jì)算通風(fēng)量（表征城市三維空間空氣流通與擴(kuò)散能力），公式（1）。為確定補(bǔ)償空間提供依據(jù)，同時(shí)對應(yīng)規(guī)范中對風(fēng)廊風(fēng)向的要求，結(jié)合氣象觀測對潛在風(fēng)廊進(jìn)行篩選。

通風(fēng)量是以水平風(fēng)速在大氣混合層內(nèi)隨高度的積分來計(jì)算，計(jì)算公式如下[39]4：

其中VE為通風(fēng)量，單位為m2/s；H為大氣混合層高度，單位為m；z為垂直方向上高度，單位為m；u為垂直方向上高度z所對應(yīng)的水平風(fēng)速，單位為m/s。

2.2.3 衛(wèi)星遙感

利用衛(wèi)星遙感圖像反演獲取地表溫度（Land Surface Temperature, LST）。衛(wèi)星遙感圖像獲取LST具有數(shù)據(jù)精度高（可達(dá)30 m或更高）、與地面觀測溫度一致性高等特點(diǎn)[48-50]。基于此計(jì)算城市熱島強(qiáng)度（建成區(qū)與郊區(qū)的氣溫差值）并分級。與土地利用數(shù)據(jù)、通風(fēng)量結(jié)合，準(zhǔn)確區(qū)分風(fēng)廊作用空間。

2.3 基于GIS的城市形態(tài)參數(shù)計(jì)算

利用GIS計(jì)算城市形態(tài)參數(shù)，參照風(fēng)廊的識別條件（圖1），評估城市流通潛力、發(fā)掘連續(xù)的線性開敞空間。大量相關(guān)研究表明，城市形態(tài)參數(shù)與城市風(fēng)環(huán)境有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，是城市氣候研究對接城市規(guī)劃的重要橋梁[51-52]。本研究主要采用的城市形態(tài)參數(shù)是SVF、URL和FAI。

2.3.1 城市通風(fēng)潛力

對URL和SVF的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級，并將二者疊加生成城市通風(fēng)潛力圖。SVF反映了城市中街道幾何形態(tài)特征，與城市空氣流通能力和城市熱島強(qiáng)度關(guān)系密切[53]。其計(jì)算方法是，在地面一定高度（2 m）設(shè)置計(jì)算點(diǎn)，發(fā)出指向天空的掃描束，用以判斷被建筑遮擋的天穹范圍，未被遮擋的天穹面積比例即為該點(diǎn)的天空開闊度。URL代表近地面平均風(fēng)速為0處的高度[41]200，表征氣流通過城市粗糙表面時(shí)所受的拖曳力及其分布的指標(biāo)，依據(jù)的是Raupach[54]提出的計(jì)算模型，粗糙度是建筑高度、迎風(fēng)面積、零平面位移等參數(shù)的函數(shù)。兩者的計(jì)算工具為自行開發(fā)的Python-ArcGIS腳本，分辨率為100 m。

2.3.2 最小成本路徑法

基于GIS的LCP法是本研究采用的核心方法。在國內(nèi)外近些年的同類研究中[28]133-134,[55-56]，利用FAI地圖和LCP的風(fēng)廊發(fā)掘法相對準(zhǔn)確、計(jì)算快速簡便、能夠提供分辨率較高的結(jié)果，與城市設(shè)計(jì)對接方便，得到廣泛應(yīng)用。

FAI代表單位面積內(nèi)建筑物面對某個(gè)風(fēng)向的投影面積，表征建筑對風(fēng)的拖曳作用[57]，是LCP法的計(jì)算依據(jù)，其計(jì)算方法如公式（2）。筆者還采用了FAI改進(jìn)模型[24]62,[44]181-182,[58],[59]1881，通過減去被前排建筑投影阻擋的背風(fēng)建筑面積，使迎風(fēng)面積更合理地反映實(shí)際情況，也減輕了計(jì)算壓力。計(jì)算建筑投影面積時(shí)還考慮了計(jì)算網(wǎng)格對大型建筑的切分效應(yīng)。計(jì)算工具為自行開發(fā)的Python-ArcGIS腳本。

2 LCP計(jì)算示意圖LCP calculation diagram

4 大連氣象數(shù)據(jù)（1951 2017）Dalian meteorological data (1951 2017)4-1夏季白天風(fēng)頻Wind frequency of summer daytime4-2夏季夜間風(fēng)頻Wind frequency of summer nighttime4-3年均風(fēng)頻Annual wind frequency

3 大連核心區(qū)概況Overview of Dalian core area 3-1城市用地示意圖 City landuse diagram3-2綠源分級示意圖 Green source classification diagram

4-4 年平均風(fēng)速變化趨勢 Annual average wind speed variation trend4-5年平均溫度變化趨勢Annual average temperature variation trend

式中：λf(θ)代表某個(gè)方向建筑迎風(fēng)面積指數(shù)；AF是面向某個(gè)風(fēng)向θ的建筑物的總投影面積；AT是計(jì)算單元的面積；n是每個(gè)單位面積的建筑數(shù)量；bf(θ)是面向風(fēng)的建筑物的平均投影寬度；hf(θ)是面向風(fēng)的建筑物的平均投影高度。

得到FAI地圖之后，為了進(jìn)一步發(fā)掘城市通風(fēng)廊道，本研究運(yùn)用了LCP法。LCP法假定風(fēng)沿著更小阻力、更好連通性的路徑或空間前進(jìn)[42]422-430。具體的研究過程是（圖2）：在100 m×100 m的規(guī)則網(wǎng)格上，根據(jù)建筑的外形、高度計(jì)算得到每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的FAI值。針對16個(gè)風(fēng)向，分別利用LCP法計(jì)算每個(gè)風(fēng)向的最短路徑，最后借助GIS的疊加計(jì)算工具，利用16個(gè)風(fēng)向的頻率對每個(gè)風(fēng)向下的路徑結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，得到城市總體的風(fēng)廊發(fā)掘結(jié)果。進(jìn)行LCP計(jì)算時(shí)，起點(diǎn)和終點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置因方向不同而存在差異，主要分布在研究區(qū)域北部、南部海岸線和山體等處，為了保證精度同時(shí)減輕計(jì)算壓力，每個(gè)起點(diǎn)或終點(diǎn)的間隔為500 m。分別計(jì)算從N個(gè)起點(diǎn)到N個(gè)終點(diǎn)的LCP，然后統(tǒng)計(jì)這些路徑在每一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格出現(xiàn)的頻率，出現(xiàn)頻率高的路徑代表了高通風(fēng)潛力和高連接度，可以表達(dá)風(fēng)廊位置及強(qiáng)度。

3 案例研究

3.1 結(jié)果分析

根據(jù)城市用地現(xiàn)狀圖明確了城市中心區(qū)（圖3-1）和綠源（圖3-2）的分布。由于綠源的規(guī)模和性質(zhì)會影響其冷氣團(tuán)的生成能力，因此需要按綠量、種類對其分級。水體為1級強(qiáng)綠源，綠量≥2.0 hm2以上的林地或綠地為2級較強(qiáng)綠源，1.6 hm2≤綠量＜ 2 hm2為3級一般綠源，1.2 hm2≤綠量＜ 1.6 hm2為 4級弱綠源。

5 大連核心區(qū)典型月的軟輕風(fēng)平均風(fēng)場分級Typical monthly average soft and light wind field classification map of Dalian core area

6 核心區(qū)熱島強(qiáng)度分級（30 m分辨率）Urban heat island intensity classification in the core area (30m resolution)

7 城市形態(tài)參數(shù) Urban form parameters7-1 URL地圖 URL map7-2 SVF地圖SVF map7-3 FAI地圖FAI map

氣象觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，年均氣溫升高的速率是0.034 5 ℃（圖4-5），年均風(fēng)速下降的速率是0.035 7 m/s（圖4-4）。由此可見，氣候變暖和城市發(fā)展對風(fēng)熱環(huán)境影響甚大。根據(jù)夏季日（圖4-1）、夜（ 圖4-2）以及全年的風(fēng)向風(fēng)頻圖（圖4-3）可知，夏季主導(dǎo)風(fēng)為南向，北向次之；全年主導(dǎo)風(fēng)為北向，南向次之；夏季白天與夜晚的風(fēng)向相似。

利用WRF模擬結(jié)果生成城市平均風(fēng)場（圖5）及通風(fēng)量。結(jié)果與氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，大多數(shù)站點(diǎn)與WRF的相關(guān)性達(dá)到了0.55～0.76，個(gè)別站點(diǎn)因觀測儀器受構(gòu)筑物或高大山體遮擋等原因，相關(guān)性稍低（0.2～0.3），同時(shí)WRF模擬在物理方案、UCM模型參數(shù)以及氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)等方面在未來有進(jìn)一步改進(jìn)深化的空間?？傮w來說，WRF結(jié)果能夠?yàn)槊枋龀鞘斜尘帮L(fēng)環(huán)境提供重要依據(jù)，例如生成風(fēng)玫瑰圖、風(fēng)場地圖等。

利用Landsat8數(shù)據(jù)反演城市地表溫度，根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)，區(qū)分城市用地和郊區(qū)，利用GIS計(jì)算城市熱島強(qiáng)度將其分為7級 （圖6）。結(jié)果表明大連夏季白天熱島效應(yīng)最強(qiáng)可達(dá)7級，說明郊區(qū)和城市中心區(qū)地表溫度差值可達(dá)18 ℃或以上，集中在甘井子區(qū)、沙河口區(qū)、西崗區(qū)等地，嚴(yán)重影響市民的舒適與健康。

城市形態(tài)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。根據(jù)規(guī)范要求（表2）將SVF（3級）和URL（2級）進(jìn)行分級，利用GIS疊加生成5級通風(fēng)潛力圖（圖8），星海灣地區(qū)通風(fēng)潛力較強(qiáng)，甘井子區(qū)、沙河口區(qū)等地有較弱的通風(fēng)潛力。

經(jīng)過加權(quán)疊加和篩選，利用LCP法共發(fā)掘出6條主要的通風(fēng)路徑（圖9），風(fēng)廊強(qiáng)度在2%～60%之間，主要集中在中心城區(qū)的東南部和西北部，位于馬欄河、老虎灘和西山水庫等處。

3.2 通風(fēng)廊道的確定及驗(yàn)證

3.2.1 通風(fēng)廊道挖掘

利用GIS對上述圖層進(jìn)行統(tǒng)一處理并疊加分析，構(gòu)建城市通風(fēng)道系統(tǒng)（圖10）。選取通風(fēng)潛力較大的、與城市風(fēng)向一致或夾角不超過45°、能夠?qū)⒀a(bǔ)償空間與作用空間相連的線形區(qū)域作為城市風(fēng)廊（表1）。大連市核心區(qū)共發(fā)掘出4條一級通風(fēng)廊道，集中在東南部和西北部；結(jié)合上位規(guī)劃要求，確定西郊國家森林公園、大連灣森林公園及南部風(fēng)景區(qū)等處作為補(bǔ)償空間，為城市提供新鮮空氣。

表2 通風(fēng)潛力等級劃分[39]4Tab. 2 Classification of ventilation potential[39]4

表3 風(fēng)廊與非風(fēng)廊地表溫度對比Tab. 3 Comparison of surface temperatures between ventilation paths and non-ventilation paths

8 通風(fēng)潛力圖 Ventilation potential map

3.2.2 通風(fēng)廊道驗(yàn)證

利用LST對比風(fēng)廊與非風(fēng)廊區(qū)域的差異，驗(yàn)證發(fā)掘結(jié)果。根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，不同溫度的流體與固體壁面接觸時(shí)存在對流換熱現(xiàn)象。也就是說，風(fēng)流過城市各種表面時(shí)，會因?yàn)闇夭畲嬖诙a(chǎn)生熱交換。大量研究表明[60-63]風(fēng)速越大，固體表面與風(fēng)之間的熱交換量越大。由于風(fēng)廊所在處風(fēng)速較大、空氣溫度較低，勢必會帶走更多城市表面的熱量，進(jìn)而降低其溫度。因此采用溫度作為通風(fēng)廊道的間接驗(yàn)證指標(biāo)。在許多城市的風(fēng)廊規(guī)劃中如北京[64]、香港[59]1887-1888、東京[21]171-174都采用了溫度間接驗(yàn)證的方法。

9 LCP計(jì)算結(jié)果 LCP ventilation paths calculation results

通過GIS計(jì)算了風(fēng)廊與非風(fēng)廊城市區(qū)域平均溫度對比。結(jié)果表明（表3），春季風(fēng)廊使地表溫度降低0.427 ℃，夏季風(fēng)廊使地表溫度降低1.128 ℃，秋季風(fēng)廊使地表溫度升高1.525 ℃；冬季風(fēng)廊使地表溫度升高0.454 ℃。 結(jié)果說明，春夏季由于海洋表面溫度低，春夏季節(jié)風(fēng)廊處粗糙度低、風(fēng)的阻力小，風(fēng)速比非風(fēng)廊處大，因此對城市熱環(huán)境有良好的降溫作用。秋、冬季由于海洋表面溫度高，風(fēng)廊處引入大連周邊海風(fēng)，因此溫度比非風(fēng)廊溫度高。該結(jié)果證明了通風(fēng)廊道對城市熱環(huán)境的改善作用。

4 通風(fēng)廊道規(guī)劃策略

4.1 核心區(qū)通風(fēng)廊道布局結(jié)構(gòu)

基于上述通風(fēng)廊道的挖掘結(jié)果，可結(jié)合城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求制定城市風(fēng)廊規(guī)劃管控措施。在核心區(qū)內(nèi)共規(guī)劃4條一級通風(fēng)廊道和17條二級通風(fēng)廊道（圖10），并根據(jù)大連土地利用實(shí)際情況劃分了風(fēng)廊規(guī)劃控制范圍。4條一級通風(fēng)廊道整體布局為“三橫一縱”，分布于西山、馬欄河、老虎灘、東北快速路等區(qū)域。主要走向?yàn)闁|南—西北、南—東北、西—東南向，以山體、綠地、水體以及城市高等級區(qū)域性主干道為主要載體；二級通風(fēng)廊道是輔助一級風(fēng)廊的重要廊道，分布在道路、城市綠地、城市河湖水系等處，集中在熱島環(huán)境密集的地區(qū)或是熱島效應(yīng)較嚴(yán)重地區(qū)的上風(fēng)向，主要依托于龍?zhí)梁印⒗献胶?、凌水河、西北路等?/p>

10 核心區(qū)風(fēng)廊布局Core area ventilation path layout

對一級通風(fēng)廊道的寬度、風(fēng)廊內(nèi)建筑密度、容積率等管控指標(biāo)分別提出控制建議。如星海灣—東北路風(fēng)廊中有多處現(xiàn)狀空間寬度較窄，且位于城市一級風(fēng)廊的上游，其流通性能對風(fēng)廊效果的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要?；诖?，遠(yuǎn)期有改造更新潛力的地塊須為風(fēng)廊退讓出50～60 m綠化帶，并且控制風(fēng)廊上游區(qū)段未來的開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度，建議以中、低層建筑為主，增加綠化以保證通風(fēng)量及空氣品質(zhì)。

4.2 景觀策略

星海灣是西山水庫—馬欄河風(fēng)廊、星海灣—東北路風(fēng)廊的匯聚點(diǎn)，也是核心城區(qū)重要風(fēng)口。星海廣場北部建造了許多大體量高層建筑，體積巨大、表面材料熱容高，空氣升溫作用明顯，對下風(fēng)向的熱環(huán)境產(chǎn)生不利影響。由于建筑改造的難度較大，因此可通過景觀策略改善其熱環(huán)境（圖11）。

11 景觀策略示意圖Landscape strategy diagram

1）采用大面積屋頂綠化降低屋面溫度，提高建筑群綠化率。由于展覽建筑舉架高，屋頂多采用桁架結(jié)構(gòu)，建議采用承重要求低的拓展型屋面，即大面積草坪綠化。2）增加垂直綠化，降低流經(jīng)氣體溫度，提高人視環(huán)境的美化程度。高層建筑在中部可采用局部模塊化綠化形式，這種做法有利于植物穩(wěn)定栽植，提高成活率，降低維護(hù)成本。3）增加各類開放空間材料的透水性能。如對會展中心前廣場可統(tǒng)一采用透水材質(zhì)，形成綠化廣場；星海廣場沿廣場周邊設(shè)置的觀光停車位可采用排水性能好的聚氨酯材料，雨量大時(shí)也可形成徑流流向廣場草坪。

5 結(jié)語

綜上所述，本研究通過科學(xué)的定量分析從街區(qū)設(shè)計(jì)尺度構(gòu)建了大連城市通風(fēng)廊道系統(tǒng)，為地方政府和城市規(guī)劃師在提升城市風(fēng)環(huán)境質(zhì)量、改善空氣質(zhì)量、提升城市熱舒適度等方面提供了參考，為同類型城市進(jìn)一步建設(shè)生態(tài)宜居城市提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：1）大連全年主導(dǎo)風(fēng)為北向，南向次之，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟舷?，北向次之。大連夏季白天熱島強(qiáng)度可達(dá) 7級，集中在甘井子區(qū)、沙河口區(qū)、西崗區(qū)等地。2）發(fā)現(xiàn)了6條主要通風(fēng)路徑，分布在馬欄河、老虎灘和西山水庫等區(qū)域，且星海灣地區(qū)通風(fēng)潛力較大，最后確定4條主要風(fēng)廊和17條次要風(fēng)廊，將補(bǔ)償空間與作用空間相連，構(gòu)建了城市通風(fēng)廊道系統(tǒng)。3）春夏2個(gè)季節(jié)，溫度平均低于非風(fēng)廊0.78 ℃，風(fēng)廊對城市有良好的降溫作用，而秋、冬季風(fēng)廊引入海風(fēng)，溫度平均高于非風(fēng)廊0.99 ℃，證明了風(fēng)廊對城市氣候的改善作用。

在以下幾個(gè)方面還可進(jìn)一步研究：1）本研究在進(jìn)行城市形態(tài)參數(shù)計(jì)算時(shí)，沒有考慮城市綠化對風(fēng)環(huán)境的影響，在未來可計(jì)算植被粗糙度長度，改進(jìn)風(fēng)廊結(jié)果的準(zhǔn)確度，提出更具有針對性的景觀策略；2）本研究主要構(gòu)建的是一、二級風(fēng)廊，在三、四和五級風(fēng)廊等更精細(xì)尺度方面還可進(jìn)一步深入研究；3）本研究選定的氣象模擬背景為夏季，在冬季的氣候評估上還可展開進(jìn)一步研究。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1根據(jù)參考文獻(xiàn)[39]進(jìn)行繪制，其余圖片由作者繪制，其中城市邊界底圖來源于遼寧省地理信息公共服務(wù)平臺，審圖號為遼S〔2017〕127號；表1～2根據(jù)參考文獻(xiàn)[39]繪制，其余表格均為作者繪制。