多尺度城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性研究

裴 婷

（新疆師范大學(xué)，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830054）

空氣在人類日常生活中必不可缺，然而由于我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，使得環(huán)境問題日益凸顯，空氣污染問題日漸嚴(yán)重。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，居住在擁有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的城市中，超過80%的人生活在被污染過的空氣當(dāng)中，其超過了世界衛(wèi)生組織的限制?？諝馕廴緯?huì)危及人類的身心健康以及阻礙人類的出行活動(dòng)，還會(huì)降低居民對(duì)生活的主觀幸福感。通過流行病學(xué)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，空氣污染物的暴露與肺功能損傷有關(guān)，及與呼吸系統(tǒng)患病率和死亡率呈正相關(guān)。種種跡象表明，長(zhǎng)期暴露在被污染的空氣之下，其危害之大且廣泛。

由于空氣污染問題越發(fā)嚴(yán)重，因此許多學(xué)者從各種角度各類學(xué)科對(duì)于空氣質(zhì)量問題展開研究，關(guān)于空氣質(zhì)量相關(guān)的話題已成為熱點(diǎn)研究話題。以“空氣污染”話題為例，在知網(wǎng)上相關(guān)話題的研究高達(dá)34 000多篇，每年的研究數(shù)量仍然居高不下，其涉及的學(xué)科包含環(huán)境學(xué)、醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)和氣象學(xué)等多個(gè)學(xué)科，這些學(xué)科多從污染物的來源、影響機(jī)制等角度來探討空氣質(zhì)量。越來越多學(xué)者思考城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的聯(lián)系。城市形態(tài)是城市發(fā)展變化過程中城市空間在外部形狀、緊湊度和破碎性等方面所表現(xiàn)出的特征。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)城市空間形態(tài)會(huì)加劇空氣污染問題。復(fù)雜的城市形態(tài)會(huì)使得空氣污染天數(shù)增加，同時(shí)空氣污染天數(shù)的增加會(huì)有損人們的健康。家庭用車出行的尾氣排放是許多城市空氣污染的主要來源，其與城市形態(tài)有很強(qiáng)的相關(guān)性。以往對(duì)于城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性研究，多聚焦于大都市、街區(qū)或街谷等尺度單一的城市形態(tài)，因此，文章基于前人研究的基礎(chǔ)之上，從多尺度城市形態(tài)角度切入，分析和識(shí)別多尺度的城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性，是對(duì)已有研究的補(bǔ)充，其研究結(jié)果有助于優(yōu)化和改善設(shè)計(jì)城市形態(tài)要素，為城市空氣治理提供幫助和支持。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)外已有學(xué)者對(duì)不同尺度下城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究。首先基于城市尺度，對(duì)于城市形態(tài)對(duì)空氣質(zhì)量的影響這一研究較早做出貢獻(xiàn)的是Martin Wachs，其通過對(duì)美國(guó)洛杉磯城市形態(tài)對(duì)空氣質(zhì)量的影響中發(fā)現(xiàn)城市密度與空氣質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。而后有研究者在其基礎(chǔ)上，加入城市結(jié)構(gòu)、城市緊湊度、城市規(guī)模、城市碎片化程度、道路密度等城市形態(tài)指標(biāo)，通過建立多層次回歸模型、采用線性回歸方法和空間自相關(guān)等方法研究這些城市形態(tài)指標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)高緊湊度的城市形態(tài)會(huì)減少空氣中的碳氮化合物，城市碎片化程度、道路密度等于顆粒污染物呈正比。空氣污染物除了碳氮化合物和顆粒污染物對(duì)人體有害之外，臭氧同樣也對(duì)人體產(chǎn)生危害，Kang等人發(fā)現(xiàn)城市土地利用的混合程度越高，空間格局越集中，出現(xiàn)對(duì)人體健康有害的極端臭氧天數(shù)越少?；诮止瘸叨龋止鹊膸缀涡螤?、街谷陽(yáng)臺(tái)、街谷氣象條件和植被特征都會(huì)影響街谷的內(nèi)部氣流場(chǎng)，使得交通污染物分布不均勻，從而影響街谷內(nèi)的空氣質(zhì)量。街谷的流行交通干預(yù)措施包括低排放區(qū)和擁堵費(fèi)，可以適度改善路邊空氣質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)對(duì)于城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的影響研究比國(guó)外遲，但近年來也有越來越多學(xué)者關(guān)注到城市形態(tài)與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系。比如，基于城市尺度，李莎等人以長(zhǎng)沙市為例，研究結(jié)果表明商業(yè)服務(wù)用地與道路交通用地、高斑塊密度與高用地容積率網(wǎng)格PM2.5濃度相對(duì)較高；還有研究者發(fā)現(xiàn)城市形態(tài)指標(biāo)中，城市人口密度、城市用地類型、城市公共交通、城市規(guī)模、城市形狀和城市密度都對(duì)空氣質(zhì)量有影響?；诮止瘸叨?，街谷顆粒物的擴(kuò)散不僅與綠化有關(guān)，與街谷的高寬比、街谷形態(tài)、街谷走向和街谷天空視域因子有著密切聯(lián)系；任蘇琪利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD數(shù)值模型，結(jié)果表明街谷兩側(cè)建筑物高寬比的增加不利于空氣污染物的擴(kuò)散；柴晉鵬等人通過研究烏魯木齊市不同街谷交通污染物濃度的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向與街谷成銳角時(shí)污染物濃度較低，風(fēng)速較大時(shí)污染物濃度較高，街谷兩側(cè)建筑物高度比在[1.5，2）之間，污染物濃度較低，在[1，1.5）之間，污染物濃度較高。

國(guó)內(nèi)外均有學(xué)者對(duì)于城市形態(tài)與空氣質(zhì)量之間的聯(lián)系做出相關(guān)研究，得出相應(yīng)結(jié)論。國(guó)內(nèi)與國(guó)外相比，對(duì)于該研究起步較遲。國(guó)內(nèi)外對(duì)于城市尺度城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的關(guān)系多聚焦在城市規(guī)模、城市形狀、城市結(jié)構(gòu)和人口密度等形態(tài)指標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生何種影響上，也有學(xué)者通過構(gòu)建由發(fā)生模型、影響模型和測(cè)度模型三個(gè)模型構(gòu)成的城市形態(tài)與空氣質(zhì)量關(guān)系的研究框架來研究城市形態(tài)對(duì)空氣質(zhì)量的影響。為了更進(jìn)一步的了解城市形態(tài)是如何對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，有學(xué)者通過探究影響機(jī)制來回答這一問題。由于高流量排放和阻礙分散，街道峽谷通常是高度污染的城市環(huán)境。高層建筑形成的城市街道峽谷限制了車輛排放物的擴(kuò)散，這加劇了路邊空氣質(zhì)量，對(duì)公眾構(gòu)成了嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于街谷尺度城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的關(guān)系研究有從街谷的幾何形狀、交通特征、街谷朝向和街谷高寬比等街谷形態(tài)指標(biāo)切入研究，研究方法也日漸增多，研究結(jié)果表明街谷形態(tài)各指標(biāo)和氣象條件之間通過復(fù)雜的相互作用使得街谷內(nèi)空氣質(zhì)量發(fā)生變化。綜上所述，無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于城市形態(tài)與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系研究大多從單一尺度切入，因此文章通過梳理總結(jié)前人的研究現(xiàn)狀及結(jié)果，從多尺度角度切入研究該問題，試圖揭示不同尺度的城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的關(guān)系。

2 城市尺度城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

2.1 城市規(guī)模與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

城市規(guī)模是城市形態(tài)眾多指標(biāo)中最明顯的部分。城市規(guī)?？捎贸鞘薪ǔ擅娣e、城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模和城市人口規(guī)模來表示，因文章研究的是城市形態(tài)，故文章的城市規(guī)模指的是城市建成區(qū)面積。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，關(guān)于城市空氣污染物的總排放量也越來越大。由于城市規(guī)模的擴(kuò)大，人們的通勤距離變長(zhǎng)，其在通勤的道路上花費(fèi)的時(shí)間也相應(yīng)變長(zhǎng)，因此會(huì)排放出更多的交通污染物，這使得空氣質(zhì)量變得更差。P.D. Hien通過研究越南河內(nèi)的城市擴(kuò)張，結(jié)果表明隨著河內(nèi)城市的擴(kuò)張，其NO2和SO2在空氣中的濃度上升。但也有學(xué)者的研究結(jié)論與該觀點(diǎn)背道而馳，該結(jié)論揭示了城市規(guī)模的擴(kuò)張會(huì)緩解城市制造業(yè)聚集所產(chǎn)生的霧霾污染的加劇作用。

2.2 城市結(jié)構(gòu)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

有兩種城市結(jié)構(gòu)，一種是城市圍繞一種中心區(qū)集中發(fā)展的單核心結(jié)構(gòu)，另一種是由多個(gè)核心發(fā)展起來的多核心城市。研究表明，規(guī)模較小的城市采取單核心結(jié)構(gòu)，原因是有利于改善空氣質(zhì)量，單核心結(jié)構(gòu)縮短通勤距離，從而減少通勤路上污染物的交通排放；而多核心結(jié)構(gòu)則對(duì)規(guī)模較大的城市比較友好，規(guī)模較大的城市人口分布較廣泛，多核心結(jié)構(gòu)的城市交通網(wǎng)絡(luò)分散，其能更好地疏導(dǎo)規(guī)模較大的城市人口流動(dòng)。為了改善空氣污染問題，對(duì)于規(guī)模較小的城市建議采取單核心結(jié)構(gòu)，規(guī)模較大的城市采取多核心結(jié)構(gòu)。

2.3 城市密度與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

城市密度一般包括人口密度、建筑密度、交通密度和產(chǎn)業(yè)密度等。因?yàn)閿?shù)據(jù)獲取容易，前人較多用人口密度代表城市密度來研究城市密度與空氣質(zhì)量的相關(guān)性。文章為了更加廣泛且深入的研究其二者之間的關(guān)系，采取人口密度來代表城市密度。對(duì)于城市密度與空氣質(zhì)量的相關(guān)性，不同學(xué)者各抒己見。最早有學(xué)者認(rèn)為城市密度越高，人口越集中，其空氣污染必定越嚴(yán)重，而后發(fā)現(xiàn)低密度的城市蔓延使得空氣污染更嚴(yán)重。城市密度的提高，其對(duì)于改善空氣質(zhì)量具有重要意義。城市密度的提高會(huì)降低城市內(nèi)交通通勤成本，發(fā)揮公共交通系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)；高密度的企業(yè)集聚，有利于大氣污染的集中監(jiān)管、大氣污染治理公共設(shè)施的高效率使用和空氣污染治理技術(shù)的傳播；居住密度的擴(kuò)大，將有效地降低個(gè)人和家庭的能耗水平，減少個(gè)人活動(dòng)帶來的大氣污染物排放。

3 街谷尺度城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

3.1 街谷高寬比與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

街谷高寬比是研究街谷與空氣污染的熱點(diǎn)指標(biāo)。街谷兩側(cè)建筑物的高寬比影響著街谷內(nèi)部氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而影響街谷內(nèi)部空氣污染物的擴(kuò)散。在近來研究中，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在無架空層的情況下，街谷高寬比增大不利于空氣污染物的擴(kuò)散。有研究表明不同街谷高寬比，街谷內(nèi)的漩渦中心將位于不同位置，污染物濃度與街谷高寬比呈正比關(guān)系。這是由于街道兩側(cè)建筑物越高，街谷低部渦旋流場(chǎng)強(qiáng)度較弱，既污染物擴(kuò)散的動(dòng)力因子減弱，使得其擴(kuò)散速率減慢，污染物產(chǎn)生堆積，因而濃度較高。在建筑物高度一定的條件下，縮小建筑物寬度和加大街谷寬度會(huì)增強(qiáng)街谷內(nèi)外空氣的交換，從而有利于街谷內(nèi)部空氣質(zhì)量的改善。

3.2 街谷天空開闊度與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

天空開闊度是一個(gè)點(diǎn)可見天空面積與天空面積的比值，其值在0-1，0表示完全遮擋的街谷空間，1表示完全開放的街谷空間。街谷天空開闊度能比街谷橫縱比更好地描述復(fù)雜的街谷環(huán)境。有實(shí)例表明大氣顆粒物濃度與天空開闊度之間的有較強(qiáng)的正相關(guān)性，且隨著顆粒物粒徑的增大，相關(guān)性增強(qiáng)。街谷天空開闊度與街谷兩側(cè)建筑物的高度和街谷寬度有關(guān)，當(dāng)街谷寬度一定時(shí)，街谷兩側(cè)建筑物越高，其天空開闊度越低，空氣污染物越容易集聚于街谷之中，從而使得街谷內(nèi)空氣污染物濃度升高，街谷空氣質(zhì)量變差。

4 結(jié)論與展望

面對(duì)城市形態(tài)與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系研究，目前有實(shí)例證明其二者之間確實(shí)存在關(guān)系。城市空氣污染具有復(fù)雜性和綜合性，城市形態(tài)對(duì)空氣質(zhì)量的影響并非直接影響，城市形態(tài)通過改變空氣污染源頭排放，從而對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，比如改變和調(diào)整城市形態(tài)，其可影響交通布局和第二產(chǎn)業(yè)聚集，進(jìn)而影響汽車尾氣排放或工廠污染物排放，最終影響空氣環(huán)境。國(guó)外對(duì)于城市形態(tài)與空氣質(zhì)量關(guān)系的研究，為我國(guó)相關(guān)研究和城市規(guī)劃者未來規(guī)劃城市提供了新思路，由于我國(guó)發(fā)展背景和國(guó)外存在差別，在面對(duì)通過城市形態(tài)改善城市空氣質(zhì)量這一問題時(shí)，必須結(jié)合我國(guó)城市化的發(fā)展階段和特點(diǎn)，通過優(yōu)化城市形態(tài)來改善空氣質(zhì)量，從需求端控制能源的消費(fèi)將會(huì)對(duì)治理城市空氣污染起到長(zhǎng)期有效的作用效果。

根據(jù)已有研究，筆者對(duì)未來相關(guān)研究提出以下展望與設(shè)想：（1）除了從城市尺度和街谷尺度切入研究城市形態(tài)與空氣質(zhì)量的關(guān)系，還可以加入國(guó)家和街區(qū)等尺度來研究二者的關(guān)系；（2）城市空氣質(zhì)量不僅受到城市形態(tài)的影響，是否也受到周圍地區(qū)的影響，受影響的程度如何；（3）不同季節(jié)和天氣下的城市形態(tài)對(duì)空氣質(zhì)量的影響是否存在區(qū)別，存在區(qū)別背后的機(jī)制是什么?？傊?，對(duì)于城市形態(tài)對(duì)空氣質(zhì)量之間的關(guān)系，仍需更加全面徹底地研究，該研究不僅能為改善城市空氣質(zhì)量提供一份力量，也能推進(jìn)城市成為更加宜居的空間。