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(guó)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(lèi)參數(shù)代表了城市風(fēng)環(huán)境評(píng)估的三個(gè)方面,s有助于分析風(fēng)場(chǎng)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(wèn)題、則是與城市風(fēng)環(huán)境評(píng)估指標(biāo)最為相關(guān)的參數(shù)。這三類(lèi)參數(shù)只作為城市風(fēng)環(huán)境評(píng)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(píng)估指標(biāo)體系評(píng)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(guó)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(lèi)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(lèi)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(guò)對(duì)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(huì)間接影響城市熱島效應(yīng)[11]。目前, 我國(guó)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(lèi)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(guò)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(gè)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(gè)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(píng)估方法

近年來(lái), 城市通風(fēng)效果一般通過(guò)使用各種通風(fēng)指標(biāo)或排污指標(biāo)進(jìn)行評(píng)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(tái)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(píng)估相關(guān)的多個(gè)指標(biāo)的使用方式和各自?xún)?yōu)劣, 使用一類(lèi)通風(fēng)指標(biāo)來(lái)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(shí)。

城市形態(tài)可以通過(guò)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(lái)量化描述[30], 這些指標(biāo)統(tǒng)稱(chēng)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(chǎng)地總面積;λ為與風(fēng)向同向的可見(jiàn)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(chēng)為街谷因子。參數(shù)共分三類(lèi)(圖1): 第一類(lèi)是用來(lái)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(lèi)是用來(lái)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(lèi)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(guò)分析該類(lèi)指標(biāo)的應(yīng)用前景與特征來(lái)探討未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

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(guò)與風(fēng)流流態(tài)或渦旋形態(tài)的變化關(guān)聯(lián)來(lái)影響風(fēng)流傳送污染物的能力[34](圖2), 對(duì)于穩(wěn)態(tài)典型二維理想街谷(一般指與來(lái)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(huì)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(duì)平均流的干擾, 稱(chēng)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(guò)屋頂時(shí)會(huì)直接掠過(guò), 幾乎不會(huì)向下進(jìn)入城市冠層內(nèi), 稱(chēng)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(huì)產(chǎn)生多個(gè)渦旋, 不利于污染物擴(kuò)散。據(jù)學(xué)者研究, 兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)在λ=2[36]時(shí), 而有3—5個(gè)垂直排列的渦旋對(duì)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(gè)體吸入指數(shù)升高, 此時(shí)形成2個(gè)渦旋; He[39]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)λ=1—4(一個(gè)渦旋)時(shí), 群體吸入指數(shù)=102—104ppm, 而當(dāng)λ=5—6(兩個(gè)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(gè)渦旋時(shí), 污染物無(wú)法脫離, 聚集濃度會(huì)顯著升高, 但風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的渦旋流態(tài)與λ并不擁有唯一恒定關(guān)系, 還與來(lái)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(gè)城市具有類(lèi)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(lái)說(shuō), 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(dòng)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(duì)于幾乎不存在巷道效應(yīng)的錯(cuò)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(gè)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(zhǎng)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(xiàn)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(gè)障礙物特征, 對(duì)應(yīng)于獨(dú)立粗糙流; 對(duì)于中等密度的城市, 風(fēng)場(chǎng)受到周?chē)ㄖ挠绊戄^大, 多個(gè)干擾疊加導(dǎo)致復(fù)雜運(yùn)動(dòng), 建筑群呈現(xiàn)出障礙物組團(tuán)的特征, 對(duì)應(yīng)于尾流干擾流; 對(duì)于緊湊的城市, 掠流開(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)烈的反向流動(dòng)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(guò)渡為掠流。這里對(duì)于密度范圍的區(qū)分是相對(duì)概念, 對(duì)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(wú)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(kāi)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(duì)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(wú)直接關(guān)系[45, 55]。但這并不意味著λ不具有實(shí)踐意義, 對(duì)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(lái)針對(duì)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(duì)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(tái)層形態(tài)[58]等較小尺度參數(shù)以及粗糙長(zhǎng)度等大尺度參數(shù)的影響, 是綜合性較強(qiáng)的評(píng)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(guò)A來(lái)反映建筑高度信息和風(fēng)向角的作用。A與測(cè)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(xiàn)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(zhǎng)度zd以下)平臺(tái)層的建筑往往無(wú)法反映在A中, 而λ(0—15 m)恰恰是對(duì)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(cè)點(diǎn)迎風(fēng)面積比(λ_point), 通過(guò)建立微分坐標(biāo)系和相應(yīng)的ArcGIS算法, 從測(cè)點(diǎn)計(jì)算各個(gè)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(cè)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(cè)算精度與測(cè)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(lái)計(jì)算λ(z)[58], 其測(cè)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(tái)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(cè)算的來(lái)流風(fēng)風(fēng)向有關(guān), 基于16個(gè)風(fēng)向的風(fēng)頻數(shù)據(jù)可對(duì)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(jiǎn)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(duì)風(fēng)流的阻礙能力[59]。Mei[61]在λ的16組對(duì)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(duì)于錯(cuò)列式或不規(guī)則的布局, 湍流混合作用相對(duì)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(wú)規(guī)則網(wǎng)格, 風(fēng)流更容易進(jìn)入無(wú)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(duì)香港多個(gè)地區(qū)的分析中, 認(rèn)為λ_point與VR有著顯著線(xiàn)性關(guān)系, 但受城市街區(qū)網(wǎng)格影響, 斜率和截距會(huì)有所不同, 相關(guān)系數(shù)2在0.6左右。通過(guò)對(duì)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(duì)行人高度風(fēng)速的回歸方程[46]如式(2):

其中,U為無(wú)擾動(dòng)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(lèi)指標(biāo)在通風(fēng)評(píng)估方面應(yīng)用范圍有限, 比如吹掃速率會(huì)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(dòng)速度, 不受計(jì)算域尺寸的影響?；谝酝鄠€(gè)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(chǎng)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(kāi)放比、對(duì)稱(chēng)比、粗糙比等多個(gè)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(dòng), 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(duì)單個(gè)建筑的高寬比參數(shù)進(jìn)行了分類(lèi)的風(fēng)洞測(cè)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?chē)姆植记闆r和建筑高度或?qū)挾茸兓o(wú)明顯關(guān)聯(lián)。這表明建筑高寬比λ確實(shí)會(huì)影響測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值, 但并不會(huì)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(huì)減弱周?chē)止葍?nèi)的風(fēng)速[65]。

λ屬于描述下墊面覆蓋率的指標(biāo), 又稱(chēng)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(huì)對(duì)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(duì)風(fēng)環(huán)境的影響作用及機(jī)理都不盡相同。實(shí)際觀測(cè)中[67], 植被結(jié)構(gòu)或種類(lèi)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(duì)濕度和負(fù)離子的濃度呈顯著正相關(guān)。在對(duì)街谷的模擬分析中發(fā)現(xiàn)[68], 植被的存在會(huì)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(duì)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(kāi)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(dòng)力學(xué)阻抗的量度和城市冠層內(nèi)風(fēng)廓線(xiàn)的依據(jù)。街道尺度的通風(fēng)由垂直湍流傳輸過(guò)程主導(dǎo)[32, 72], 而湍流分量與下墊面阻抗系數(shù)的開(kāi)方成比例[73], 并與λ二者互為驗(yàn)證,λ可作為對(duì)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(lèi)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(lèi)比為電阻, 這里的阻值就可以通過(guò)λ來(lái)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(duì)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(duì)來(lái)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(duì)風(fēng)的阻礙面積[77], 是一種基于實(shí)地調(diào)查的測(cè)算法, 由式(6)表示:

其中,P是建筑物在地面的周長(zhǎng),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(gè)微氣候過(guò)程的作用[33]則與壁面加熱效應(yīng)有關(guān)。以倫敦多個(gè)街區(qū)為例, 對(duì)于三種不同λ, FAR與風(fēng)舒適度分級(jí)指標(biāo)之間具有明顯的線(xiàn)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(chǎng)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(guò)魚(yú)眼鏡頭測(cè)算。作為一種綜合性指標(biāo), SVF能夠反映λ、λ、等參數(shù)對(duì)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(wú)關(guān)[79]。在實(shí)際觀測(cè)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(yáng)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(cè)中無(wú)法發(fā)掘明顯關(guān)聯(lián)的一個(gè)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(guó)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(wèn)題。

λ源于對(duì)小尺度街道的描述, 多用于識(shí)別風(fēng)場(chǎng)流態(tài)和分析運(yùn)動(dòng)模式。一般來(lái)說(shuō), 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(jiàn), 更多的是考慮控制過(guò)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(duì)于布局分散的不規(guī)則建筑群, 則會(huì)導(dǎo)致λ計(jì)算困難或丟失建筑個(gè)體的細(xì)節(jié)信息[38, 48], 因此λ更適于對(duì)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(duì)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(guò)提升建筑高度的方式提升城市緊湊度, 可能會(huì)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(guò)設(shè)計(jì)方法來(lái)控制污染物對(duì)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(duì)于多個(gè)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(shuō)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(wèn)題。不同建筑布局對(duì)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(duì)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(cuò)落的建筑布局更有助于通風(fēng)等。

對(duì)于不同布局類(lèi)型的理想街區(qū)模型, Abd[46]先后分析了λ、λ、λ對(duì)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(duì)風(fēng)速的影響, 這表明λ是在城市風(fēng)環(huán)境評(píng)估中影響權(quán)重最大的參數(shù)。盡管如此,λ在國(guó)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(lèi)似的指標(biāo)。在城市通風(fēng)評(píng)估中, Xie[74]認(rèn)為可以使用基于風(fēng)阻的等效風(fēng)路圖來(lái)高效評(píng)估城市風(fēng)環(huán)境, 風(fēng)流分叉時(shí)可以類(lèi)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(píng)估中。

λ憑借簡(jiǎn)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(píng)估指標(biāo)與城市形態(tài)指標(biāo)的橋梁, 但無(wú)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(wú)法作為評(píng)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(lèi)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(lái)綜合考慮各個(gè)指標(biāo)的影響?；趨?shù)對(duì)風(fēng)環(huán)境的不同影響特征, 可將城市區(qū)域分類(lèi)。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(lèi)[89]; Ng[90]從粗糙長(zhǎng)度出發(fā)將λ(z)在垂直方向分成平臺(tái)(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(lèi)。在分類(lèi)的基礎(chǔ)上結(jié)合模擬地圖法[91]可形成對(duì)應(yīng)于各個(gè)評(píng)估參數(shù)的專(zhuān)用地圖, 使得城市風(fēng)環(huán)境的評(píng)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(cè)分析中, 通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比了SVF等8類(lèi)城市形態(tài)參數(shù)與近地面風(fēng)速的相關(guān)性差異, 識(shí)別出與均風(fēng)速關(guān)聯(lián)性最大的三個(gè)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(lèi)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(xiàn)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(duì)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(wèn)題之前, 明確并選擇合理的研究尺度及其對(duì)應(yīng)的參數(shù)非常重要。海拔高度、來(lái)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(lái)流風(fēng)風(fēng)向直接影響到城市建筑群內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)。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(guò)合理控制街道朝向來(lái)應(yīng)對(duì)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(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部風(fēng)速[65]。

城市的地形會(huì)影響近地面風(fēng)場(chǎng)特征。烏日柴胡等[94]對(duì)山區(qū)、山區(qū)與平原過(guò)渡區(qū)、平原區(qū)、城區(qū)幾種典型地形的觀測(cè)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(duì)于山地城市, 山谷風(fēng)可能會(huì)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(lái)的風(fēng)場(chǎng)特征也不同, 高山近地面風(fēng)速大體上隨觀測(cè)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(huì)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(guó)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(jiàn)。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(wèn)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(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律可能完全不同。對(duì)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(dòng)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(dòng)力促進(jìn)空氣流動(dòng), 將顯著加強(qiáng)污染物垂直擴(kuò)散[38, 48]。實(shí)際上, 街道軸線(xiàn)與南北向的夾角反映著太陽(yáng)輻射的得失量, 由此導(dǎo)致的立面溫差進(jìn)一步又會(huì)影響到風(fēng)的熱力運(yùn)動(dòng)[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(chǎng)景中進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在構(gòu)建城市通風(fēng)評(píng)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(guò)結(jié)合當(dāng)?shù)厍榫暗膶?zhuān)項(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(duì)參數(shù)對(duì)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(duì)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(píng)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(píng)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(lái)有待從以下三個(gè)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(kù)的程序語(yǔ)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(duì)各個(gè)城市三維形態(tài)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)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(lái)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(chǎng)運(yùn)動(dòng)、污染物擴(kuò)散的機(jī)理涉及多個(gè)復(fù)雜過(guò)程[30], 考慮污染物的化學(xué)沉積與衰減過(guò)程時(shí), 城市風(fēng)環(huán)境指標(biāo)可能會(huì)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(lèi)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(gè)影響因子。如何綜合考慮各個(gè)要素對(duì)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(wèn)題, 包括城市建筑特征、氣候邊界條件以及地理地形等, 對(duì)于不同邊界條件, 風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)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(guò)何種方式、框架或流程建立相關(guān)的評(píng)估應(yīng)用體系, 將此類(lèi)指標(biāo)與設(shè)計(jì)實(shí)踐中的各個(gè)尺度嵌合并融入設(shè)計(jì)流程之中也是亟待解決的問(wèn)題。

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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(guó)家自然科學(xué)基金(51908544); 教育部人文社會(huì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)未來(lái)杰出人才助力計(jì)劃(2020WLJCRCZL066); 中國(guó)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