郭 飛 祝培生 段棟文 王時原 張鶴子 GUO Fei, ZHU Peisheng, DUAN Dongwen, WANG Shiyuan, ZHANG Hezi

高密度城市氣候評估方法與應(yīng)用*

郭 飛 祝培生 段棟文 王時原 張鶴子 GUO Fei, ZHU Peisheng, DUAN Dongwen, WANG Shiyuan, ZHANG Hezi

摘 要高密度城市和建筑群可對氣候產(chǎn)生重要影響，例如熱島效應(yīng)、空氣污染和暴雨等?？茖W(xué)準(zhǔn)確地評估城市對氣候的影響并據(jù)此提出規(guī)劃改善對策已成為建設(shè)生態(tài)城市和宜居環(huán)境必不可少的重要內(nèi)容。本文對可用于城市氣候評估的模型進行了歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)以CFD耦合模型和WRF為代表的中尺度氣象模型具有優(yōu)勢，前者更適合建筑、城市設(shè)計和詳規(guī)尺度；后者更適合城市總規(guī)尺度；利用GIS平臺將氣候評估結(jié)果與城市信息數(shù)據(jù)庫進行疊加分析或者繪制城市氣候圖可以更好地對接規(guī)劃實踐需求。

關(guān)鍵詞高密度城市；氣候評估；CFD；WRF

郭飛, 祝培生, 段棟文, 等. 高密度城市氣候評估方法與應(yīng)用[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2015, 30(06): 19-23.

0 引 言

由于經(jīng)濟發(fā)展的要求，現(xiàn)代城市土地集約利用、功能高度復(fù)合，以高密度高容積率為主要特征。城市普遍出現(xiàn)了不同于郊區(qū)的熱島效應(yīng)等氣候現(xiàn)象，主要原因是下墊面不透水面積增加、綠化面積少、地表粗糙度大、空氣流通受到高密度建筑群阻礙而平均風(fēng)速小等。近年來城市氣候因此頻繁出現(xiàn)不利于居住及生存的情況，例如極端天氣、暴雨內(nèi)澇等災(zāi)害頻發(fā)，空氣污染濃度成倍增加，引發(fā)了呼吸道、肺部和眼部疾病發(fā)病率的上升，而且情況有愈加嚴(yán)重的趨勢[1-3]。

T.R.Oke、張景哲等人的研究表明，良好的氣候規(guī)劃是緩解城市熱島效應(yīng)和大氣污染的有效途徑，例如一定的風(fēng)速就能顯著減弱熱島效應(yīng)、改善城市熱舒適度、促進污染物的擴散；如果風(fēng)速達到一定的臨界值，城市熱島效應(yīng)就會消失，城市污染狀況就能顯著改善[4-6]。在當(dāng)前，研究如何緩解城市熱島效應(yīng)、改善城市氣候?qū)μ嵘钯|(zhì)量具有特別重要的意義，成為環(huán)境、氣象、地理、生態(tài)、城市規(guī)劃等許多學(xué)科廣泛探討和深入研究的熱點問題。

1 常規(guī)城市氣候評估方法

城市氣候的形成機理復(fù)雜，受周邊地形地貌影響很大，與風(fēng)、熱、濕、輻射等多種物理因素有關(guān)，包含了熱島、風(fēng)速降低、熱島環(huán)流、日照輻射減少、云量和降水變化等多種現(xiàn)象[7]（圖1）。城市內(nèi)部不同的功能布局、建筑幾何形態(tài)、建筑密度、街道走向、人為熱等也會影響微氣候環(huán)境。

圖1 城市總規(guī)尺度的氣候現(xiàn)象Fig.1 climatic phenomenon of the urban general gauge

圖2 城市詳規(guī)和街區(qū)尺度的氣候現(xiàn)象Fig.2 climatic phenomenon of the urban detailedplanning and block scale

城市氣候評估的工具主要有實地觀測、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬技術(shù)等[8]。常規(guī)氣候評估工具應(yīng)用于城市規(guī)劃評估時均有其自身的缺點：實地觀測耗費大量人力物力，且無法提供動態(tài)的預(yù)測能力；風(fēng)洞試驗準(zhǔn)確度高但時間周期較長；風(fēng)玫瑰圖過于簡單，難以評估高密度城市非常復(fù)雜的地面風(fēng)場分布；傳統(tǒng)的CFD（計算流體力學(xué)）缺乏描述城市復(fù)雜物理現(xiàn)象的模型；常規(guī)模型已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代高密度城市規(guī)劃的要求[9]?；诂F(xiàn)有評估工具在研究城市氣候?qū)Τ鞘幸?guī)劃的影響時存在的不足，很多學(xué)者已經(jīng)開始引入其他方法來評價城市氣候，主要有CFD的耦合模型、中尺度氣象模型等。

2 城市氣候評估模型

2.1 CFD耦合模型

CFD耦合模型在傳統(tǒng)CFD模型的基礎(chǔ)上，考慮城市詳規(guī)和城市設(shè)計尺度中的風(fēng)、太陽輻射、熱、人工排熱等要素，耦合輻射、熱舒適、污染物傳遞等模型（圖2）。CFD耦合模型針對的是城市室外活動的主要空間，分析范圍多在數(shù)十米至數(shù)千米范圍內(nèi)，分辨率可達1~10m，應(yīng)用于城市詳規(guī)和城市設(shè)計尺度具有顯著優(yōu)勢。許多學(xué)者利用CFD耦合模型深入解析空氣流動、熱量交換和水蒸氣輸送等物理現(xiàn)象，對城市詳規(guī)、城市設(shè)計尺度的局地氣候環(huán)境影響規(guī)律進行了有益的探索。

袁磊等利用airpak在深圳市綠色城市規(guī)劃導(dǎo)則制定中進行通風(fēng)評估，針對城市詳規(guī)尺度的規(guī)劃實踐提出了風(fēng)環(huán)境控制指標(biāo)、優(yōu)化策略、高密度區(qū)域通風(fēng)設(shè)計要求等[10-11]；盧軍等建立了GIS-CFD模型，對山地城市重慶、武鋼等地的風(fēng)環(huán)境和城市熱島進行評估并提出了相應(yīng)的規(guī)劃改善策略[12-13]；余莊等在武漢市總體規(guī)劃中利用本地水系資源豐富的條件，設(shè)計了一系列不同形式的“城市通風(fēng)廊道”，并通過CFD模型分析了城市通風(fēng)廊道對驅(qū)散恒溫層和污染物的作用[14-15]；孟慶林、趙敬源、李保峰等利用CFD耦合模型對不同氣候區(qū)的街谷走向、高寬比等形態(tài)參數(shù)與城市微氣候的關(guān)系進行了分析，對街谷的通風(fēng)效能、行人熱舒適、溫濕度和污染物分布進行了詳盡研究[16-18]。

我們以大連市中山區(qū)人民路為中心的高密度城區(qū)模擬結(jié)果表明，該區(qū)域內(nèi)建筑密集，周邊式街區(qū)較多，缺少氣流通道，使得空氣通透性較差，來流不能順暢地經(jīng)過。尤其是周邊式布局的多層住宅、大體量的高層裙房迎風(fēng)面積大、風(fēng)影區(qū)長，對風(fēng)的阻礙作用最大。區(qū)內(nèi)部分平均風(fēng)速均低于0.4m/s，僅為來流速度的22%，不僅對改善炎熱夏季熱舒適度十分不利，也易引起區(qū)域內(nèi)部的空氣滯留和污染聚集（圖3-4）。

CFD耦合模型的研究難點在于如何科學(xué)合理地設(shè)置模擬的邊界條件，否則初始條件的微小偏差就會嚴(yán)重影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常模擬區(qū)域周邊均存在復(fù)雜的地貌和城市環(huán)境，但是氣象觀測資料的密度不夠、城市空間的不均勻特征增加了獲取準(zhǔn)確邊界條件的困難。因此常需要采取多重區(qū)域嵌套的方法，先對更大范圍的區(qū)域進行較為粗略的通風(fēng)評估，以評估結(jié)果作為邊界條件，對更小范圍的區(qū)域進行精確評估；或者將CFD模型與更大尺度的氣象學(xué)模型相耦合，以提高初始邊界條件的準(zhǔn)確度。

圖3 大連中山廣場及人民路的城市形態(tài)Fig.3 urban morphology of Dalian Zhongshan Square and Renmin Road

圖4 大連中山廣場及人民路的風(fēng)環(huán)境模擬Fig.4 wind environment simulation of Dalian Zhongshan Square and Renmin Road

2.2 中尺度氣象模型及其耦合模型

來自氣象學(xué)領(lǐng)域的預(yù)報工具MM5、WRF等中尺度氣象模型特別適用于數(shù)十千米至數(shù)百千米范圍內(nèi)的風(fēng)環(huán)境評估，恰好與城市總體規(guī)劃的尺度和范圍相對應(yīng)。“中尺度”（mesoscale）介于大尺度和小尺度之間，是氣象科學(xué)領(lǐng)域?qū)ｉT描述數(shù)千米至數(shù)百千米天氣現(xiàn)象的專業(yè)詞匯，其大氣運動既受到垂直方向的浮力或重力的影響，同時也不能忽略水平方向的“柯氏力”（由地球自轉(zhuǎn)引起）和摩擦力。中尺度氣象模型采用完全可壓、非靜力平衡的歐拉模型、多重嵌套網(wǎng)格技術(shù)，擁有較為完善的物理模型方案，特別適用于具有各種復(fù)雜物理現(xiàn)象的城市風(fēng)環(huán)境的耦合解析。WRF發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確描述了許多城市獨特的氣候現(xiàn)象，還可通過耦合城市模型（UCM、BEP+BEM）詳細(xì)考慮城市下墊面結(jié)構(gòu)的非均勻性，以及街道、建筑形態(tài)等對城市低層大氣和地面能量平衡的影響。已有學(xué)者利用WRF耦合城市模型成功地評估了城市特征（用地類型和功能、綠地和水面、人為熱等）對氣候和通風(fēng)的動態(tài)影響[19-20]。

我們采用WRF工具對大連城市總體進行了高分辨率的氣候模擬，將模擬結(jié)果分別與現(xiàn)場和氣象站實測數(shù)據(jù)對比，變化趨勢基本吻合。地面2m溫度場觀測值與模擬值最大偏差2.2℃，最小0.1℃，平均偏差0.9℃；地面10m風(fēng)速模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測及氣象站觀測數(shù)據(jù)也基本吻合，最大偏差1.0m/s，最小0m/s，平均0.3m/s。對于尺度較大的城市而言，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性是十分理想的，用于分析城市溫度場、風(fēng)場的變化規(guī)律具有較高的可信度（圖5）。

圖5 WRF模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測對比Fig.5 comparison of WRF simulation results and field measurement

模擬結(jié)果還表明，風(fēng)速較低時城市存在較強的熱島效應(yīng)，強度達5.6℃，熱島中心位于城市西北部即甘井子區(qū)金三角一帶；山體對城市熱島具有良好的緩解作用。由于山體綠化較好，并且氣溫會隨著高度上升而下降，因此一定高度的山丘將會形成冷氣團的聚集區(qū)，為周邊提供山谷風(fēng)和冷空氣。城市規(guī)劃應(yīng)當(dāng)對此加以保護和利用，將山體與綠帶、公園相聯(lián)系，從而分割城市熱島，避免其蔓延擴張，對改善城市環(huán)境產(chǎn)生積極的影響（圖6）。

圖6 WRF對大連中心城區(qū)的風(fēng)場和溫度場模擬結(jié)果（300m分辨率）Fig.6 WRF simulation results of the wind field and temperature field of Dalian central urban area

3 氣候評估模型與規(guī)劃的對接研究

目前城市通風(fēng)研究在氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域比較活躍，研究者更關(guān)注通風(fēng)的規(guī)律和機制、如何構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)理模型等問題，而對如何將通風(fēng)評估與城市規(guī)劃對接的研究尚處于起步階段。究其原因，將專業(yè)的風(fēng)環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為規(guī)劃師和管理者能夠理解和應(yīng)用的“規(guī)劃語言”具有相當(dāng)?shù)碾y度，城市通風(fēng)與規(guī)劃相結(jié)合的手段還有待進一步完善。二者對接的主要難點如下。

一是迫切需要找到切實可行的方法，將城市形態(tài)和規(guī)劃信息準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成城市風(fēng)環(huán)境評估需要的參數(shù)，使通風(fēng)評估數(shù)據(jù)準(zhǔn)確體現(xiàn)來自城市的影響。由于城市規(guī)劃領(lǐng)域常用的是建筑密度、建筑高度、容積率、建筑體型等信息，且城市和建筑形態(tài)千差萬別，空間分布不均勻性顯著，因此轉(zhuǎn)換成風(fēng)環(huán)境參數(shù)具有一定的困難。

二是需要探索城市形態(tài)和規(guī)劃信息與城市風(fēng)環(huán)境之間的科學(xué)關(guān)系和相互影響規(guī)律，根據(jù)熱舒適等要求，確定在不同氣候條件下高密度城市規(guī)劃指標(biāo)的合理閾值，以切實參與和指導(dǎo)規(guī)劃的制定。

三是需要為規(guī)劃師提供一些簡便的通風(fēng)評估方法，以使他們在沒有專業(yè)的通風(fēng)評估工具時，仍然能夠在方案設(shè)計和政策制定中考慮風(fēng)環(huán)境的可能影響。

目前研究者針對這些難點開展的對接研究主要有城市形態(tài)參數(shù)、城市氣候圖等方向。

3.1 城市形態(tài)參數(shù)研究

基于氣候的城市形態(tài)參數(shù)指標(biāo)主要有城市表面粗糙度、零平面位移、可視天空系數(shù)、迎風(fēng)面積比、街道高寬比等。這些指標(biāo)均是空氣動力學(xué)和熱力學(xué)領(lǐng)域的重要參數(shù)，同時與地形地貌、土地利用性質(zhì)、建筑密度、高度、容積率等城市規(guī)劃信息也緊密聯(lián)系，是城市氣候與規(guī)劃設(shè)計對接的重要橋梁。丁沃沃等梳理城市形態(tài)、城市微氣候的研究進展后指出：建筑學(xué)領(lǐng)域?qū)Τ鞘袣夂蜻M行研究的關(guān)鍵問題是“針對千變?nèi)f化的城市形態(tài)進行有效的數(shù)據(jù)表征與描述”，方法是“城市肌理形態(tài)的圖示理論模型”和“城市物質(zhì)空間的數(shù)據(jù)化表述”[21]。

T. R.Oke是較早開展城市形態(tài)參數(shù)與氣候關(guān)聯(lián)研究的學(xué)者之一，他針對北美和歐洲的城市規(guī)模、人口、形態(tài)參數(shù)等要素與城市氣候之間的關(guān)系開展研究后，提出了街道高寬比、可視天空系數(shù)與城市熱島強度的換算公式，還總結(jié)城市人口規(guī)模、風(fēng)速和城市熱島強度之間的關(guān)系，提出城市熱島強度大致與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的平方根成反比關(guān)系[21]。隨著GIS（地理信息系統(tǒng)）的廣泛應(yīng)用，對城市物質(zhì)形態(tài)進行數(shù)據(jù)化的表述逐步具有了可行性，不少學(xué)者開始利用GIS的參數(shù)化方法對高精度城市地形地貌和建筑形態(tài)進行分析，總結(jié)形態(tài)參數(shù)與風(fēng)環(huán)境之間的關(guān)系。T.Gal以匈牙利賽格德一個大面積區(qū)域為例進行研究，根據(jù)3D建筑數(shù)據(jù)庫，利用高精度粗糙度參數(shù)圖法發(fā)掘大都市通風(fēng)廊道，檢測出的城市通風(fēng)廊道可在城市熱島環(huán)流中起到顯著減弱城市中心區(qū)空氣污染的作用[22]。C.Ratti等利用倫敦、圖盧茲和柏林的城市地形高程數(shù)據(jù)（DEM）和圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)計算城市街谷高寬比、粗糙度和可視天空系數(shù)，討論了這些參數(shù)和城市通風(fēng)能力之間的關(guān)系[22]。吳恩融通過高精度迎風(fēng)面積密度（Frontal Area Density）地圖評估城市粗糙度，來發(fā)掘香港高密度城市地塊的通風(fēng)潛力，并評估了可視天空系數(shù)的合理閾值。該成果被成功應(yīng)用到香港《城市空氣流通評估指南》中，直接指導(dǎo)了香港的城市規(guī)劃實踐[23-24]。

圖7 德國柏林2014版城市氣候圖Fig.7 urban climate map of Berlin, Germany (2014)

3.2 城市氣候圖研究

城市氣候圖研究最早于20世紀(jì)70年代從德國斯圖加特正式開展起來，后逐步擴展到德國及其他國家和地區(qū)的不同城市。城市氣候圖研究最初的目標(biāo)是為了緩解弱風(fēng)條件下的大氣污染問題，早期的研究手段包括拍攝熱成像圖、氣象站觀測及移動現(xiàn)場測量等，綜合地形地貌、航拍地圖、土地利用規(guī)劃信息等要素，繪制成氣候分析圖，區(qū)分當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量和熱環(huán)境狀況，指導(dǎo)土地利用規(guī)劃和環(huán)境規(guī)劃。1992年起，斯圖加特城市氣候研究所開始利用GIS繪制不同尺度的城市氣候圖，內(nèi)容也從城市氣候的各類分析圖拓展到氣候規(guī)劃建議圖。城市氣候圖通過GIS系統(tǒng)將城市風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、污染狀況的實測或模擬數(shù)據(jù)圖與地形地貌、綠地植被、規(guī)劃信息等相疊加，用分析圖表達風(fēng)流動的模式和阻礙風(fēng)的建筑物等內(nèi)容。城市氣候規(guī)劃建議圖則給出城市熱環(huán)境、通風(fēng)的規(guī)劃保護、改善的策略建議[25-27]。

城市氣候圖可以根據(jù)規(guī)劃的需要，制作成區(qū)域規(guī)劃、城市規(guī)劃等不同的尺度分析圖，并將氣候數(shù)據(jù)和現(xiàn)象用規(guī)劃師及政府容易理解和使用的圖示、顏色來表示，使城市氣候與規(guī)劃的協(xié)同工作更加便利地進行（圖7）。

近年來，城市氣候圖的數(shù)據(jù)變得越來越精確，應(yīng)用范圍也越來越廣。許多學(xué)者不僅采用現(xiàn)場測試、熱成像圖、氣象觀測等傳統(tǒng)方式，還開始利用風(fēng)洞實驗、中尺度氣象模型、CFD耦合模型等更加先進的方式來獲取氣象數(shù)據(jù)分布圖。研究者繪制的城市氣候圖分辨率越來越高，城市建筑物的體量、建筑密度等更精確的規(guī)劃信息也開始被考慮到氣候圖當(dāng)中。

4 結(jié) 語

目前，中國正處在城市化進程最快的歷史階段，營造良好的城市熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展必不可少的重要內(nèi)容，也成為城市管理者和規(guī)劃師不可忽視的挑戰(zhàn)。目前城市通風(fēng)的評估方法主要是實地觀測、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬技術(shù)等，其中CFD耦合模型、WRF中尺度氣象模型的應(yīng)用使很多城市尺度的熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境規(guī)律得以發(fā)現(xiàn)，為城市規(guī)劃實踐提供了亟需的、科學(xué)的通風(fēng)評估工具。但各種通風(fēng)評估工具在規(guī)劃中的應(yīng)用尚處于起步階段，需進一步將之與GIS平臺作有效的結(jié)合，對接城市規(guī)劃方案評估和策略制定的需求，進行定量分析，則會有更大的發(fā)展?？偟膩碚f，促進高密度城市通風(fēng)、緩解熱島效應(yīng)和空氣污染的工作綜合性強、實現(xiàn)難度高、挑戰(zhàn)艱巨，除了需要整合城市規(guī)劃、地理、氣候和信息等眾多專業(yè)和技術(shù)之外，還需要推動政府管理、法規(guī)、政策、公眾等全社會通力合作，才能真正取得令人滿意的效果。

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圖片來源：

圖1-6：作者繪制

圖7：VVDI 3787 Part I, Environmental Meteorology–Climate and Air Pollution Maps for Cities and Regions[S].The Association of German Engineers, 2014.

（編輯：鄭曦）

* 國家自然科學(xué)基金資助項目（51308087）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目

（DUT13RW306）

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150605

中圖分類號TU119；TU984

文獻標(biāo)識碼B

文 章 編 號2095-6304(2015)06-0019-05

收稿日期：2015-11-10

作者簡介

郭 飛： 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，副教授，guofei1209@126.com

祝培生： 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，教授

段棟文： 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，碩士研究生

王時原： 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，教授

張鶴子： 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，碩士研究生

High-density Urban Climate Evaluation Method and Application

Abstract:Buildings in high density cities hinder wind and cause urban heat island effect, air pollution and rainstorm. Scientifically and accurately evaluating the influence of cities on wind and proposing improvement countermeasures have been a necessary part of building the ecological cities and livable environment. The article summarizes wind evaluation models, finding that CFD and WRF coupling models have advantages, and the former is more suitable for urban design and detailed planning scale, the latter is more suitable for master planning scale; and that integrating wind evaluation results with urban information databases by GIS platform can provide better guideline for urban planning practice.

Keywords:High-density Urban; Climate Evaluation; CFD; WRF