1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，快速的城市擴張和高密度、集約化的用地發(fā)展模式使得中國大多數(shù)大城市（特別是特大型城市）都面臨著較為嚴(yán)重的城市空氣污染問題[1]?？諝鈫栴}主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是受熱島效應(yīng)影響，城市核心區(qū)熱污染嚴(yán)重[2]；二是城市內(nèi)部的高濃度空氣污染物無法進(jìn)行快速有效地擴散；三是近10年以來出現(xiàn)的日益嚴(yán)重的城市霧霾[3]。為解決城市的空氣污染問題，20世紀(jì)70年代，德國氣候?qū)W家和城市規(guī)劃專家開始合作，探討應(yīng)用城市氣候?qū)W、生態(tài)學(xué)等方面的相關(guān)理論指導(dǎo)城市規(guī)劃與綠地建設(shè)，并在斯圖加特、柏林、慕尼黑等城市進(jìn)行探索與實踐，提出了一套較為系統(tǒng)的城市氣候?qū)W理論與規(guī)劃管理方法及策略，研究成果奠定了這一研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論并得到廣泛應(yīng)用[4]。到20世紀(jì)90年代，隨著計算機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， 簡 稱 CFD）技術(shù)對城市風(fēng)環(huán)境的模擬計算與分析為研究提供了更為堅實的技術(shù)支撐[2]。借助計算機手段的輔助，建設(shè)城市風(fēng)道以加快城市熱空氣流通和污染物排放已成為研究的熱點領(lǐng)域，并作為改善城市氣象的重要手段。近年來，日本和中國香港在城市氣候?qū)W與城市設(shè)計的跨學(xué)科交叉、城市風(fēng)道的系統(tǒng)分級等方面的研究也有了新的進(jìn)展。中國大陸在建設(shè)城市風(fēng)道以加速城市通風(fēng)、緩解熱島效應(yīng)等方面進(jìn)行了一系列的積極嘗試與探索，并在武漢、南京等城市規(guī)劃與管理中進(jìn)行了實踐與應(yīng)用[5-7]。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，簡稱 GI）為城市提供了包括空氣凈化、氣候調(diào)節(jié)等一系列的生態(tài)服務(wù)，是城市可持續(xù)發(fā)展的生命支撐系統(tǒng)[8-9]。中國城市采用的集約化用地的發(fā)展模式使得城市建設(shè)區(qū)表現(xiàn)出開發(fā)強度大、建設(shè)密度高的特征，城市內(nèi)的綠地數(shù)量少而珍貴，僅依靠城市內(nèi)部的綠地遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到空氣自凈。根據(jù)學(xué)者研究，城市中擁有70%面積的森林型綠地才能維持城市的碳氧平衡，而對空氣污染物的凈化則需要更大的面積[10]；因此，城市周邊的綠地、水體等生態(tài)斑塊在提供清潔空氣、消解空氣污染物、調(diào)節(jié)城市氣候中發(fā)揮著重要作用[11-12]。當(dāng)前區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施在生物多樣性保護(hù)、城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃、綠道建設(shè)等方面取得了一系列研究成果[13]，但對于GI對城市氣候的作用與影響，以及如何保護(hù)與建設(shè)調(diào)節(jié)城市氣候的重要生態(tài)斑塊，還缺乏深入與系統(tǒng)的研究。同時，城市風(fēng)道建設(shè)是當(dāng)前改善城市空氣的重要手段，但關(guān)于如何建立城市風(fēng)道與作為新鮮空氣供給源的生態(tài)斑塊間的有效連接，也有待深入研究。

為了保證綠地規(guī)劃建設(shè)更科學(xué)，并能夠?qū)Ω纳瞥鞘袣夂驐l件發(fā)揮更大作用，需要對城市及區(qū)域內(nèi)的氣候資料進(jìn)行系統(tǒng)而準(zhǔn)確的掌握。德國最早在斯圖加特、慕尼黑等城市編制城市氣候圖以指導(dǎo)城市建設(shè)和環(huán)境規(guī)劃；到目前為止，全球已有20多個國家開展了城市氣候圖的研究與編制工作[14-15]。城市氣候圖通常包括熱污染、通風(fēng)條件、大氣污染、評估與分析等方面的內(nèi)容。然而，繪制城市氣候環(huán)境圖需要多年的氣象觀測數(shù)據(jù)和用地類型、空氣污染及其排放數(shù)據(jù)，并由專家團(tuán)隊進(jìn)行綜合整理與分析，工作量巨大；在中國除香港等極少數(shù)城市外，大多數(shù)城市還沒有編制氣候圖[16]。針對這種情況，本研究通過氣象模擬軟件CALMET進(jìn)行城市風(fēng)場模擬與分析，以哈爾濱為研究案例，以ArcGIS為數(shù)據(jù)分析平臺，提出市域尺度下調(diào)節(jié)城市空氣的綠色基礎(chǔ)設(shè)施識別的方法，討論GI在改善城市氣候中扮演的角色與發(fā)揮的作用，以及對應(yīng)的綠地保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃策略。

2 研究方法

2.1 局地環(huán)流理論下的GI空間單元分類

20世紀(jì)70年代，德國規(guī)劃學(xué)家開始與氣候?qū)W家合作研究，針對斯圖加特嚴(yán)重的空氣污染問題規(guī)劃城市風(fēng)道，并奠定了城市風(fēng)環(huán)境研究的基礎(chǔ)，其中克雷斯（Kress）提出的局地環(huán)流理論得到了廣泛的應(yīng)用[17-18]。局地環(huán)流理論認(rèn)為：下墊面可劃分為補償空間、空氣引導(dǎo)通道及作用空間。作用空間指存在熱污染或空氣污染的建成及待建區(qū)域；補償空間毗鄰作用空間，可以通過空氣交換來緩解空間中的空氣污染?？死姿箤⒀a償空間劃分為冷氣流生成區(qū)及新鮮空氣補給區(qū)兩大類。冷氣流生成區(qū)依靠空氣的熱壓差形成局地風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，可以對作用空間產(chǎn)生氣候調(diào)節(jié)功能[19]。在城市微風(fēng)或靜風(fēng)氣候條件下，冷空氣的生成對城市污染物的擴散起到重要作用[20]，其中地表類型及土壤性質(zhì)對傍晚及夜晚冷空氣的產(chǎn)生具有關(guān)鍵的影響。植物具有吸廢吐氧的功效并且可以吸收空氣中的污染物，因此大型綠地都是補償空間中新鮮空氣的供給區(qū)。

當(dāng)前對綠色基礎(chǔ)設(shè)施的空間分布與作用關(guān)系的描述大多依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)原理，將GI網(wǎng)絡(luò)定義為由樞紐斑塊（hubs）、連接廊道（links, corridor）和小斑塊（site, stepping stone）組合而成，3類斑塊形態(tài)各異，并承擔(dān)不同的生態(tài)職能[8]。與以往研究不同的是，基于城市空氣調(diào)節(jié)視角的GI識別依據(jù)空氣環(huán)流理論，關(guān)注綠地氣體改變與氣候調(diào)節(jié)的生態(tài)過程對城市的影響。以生態(tài)斑塊作為GI基本單元，以空間單元之間的生態(tài)作用關(guān)系機制來揭示GI空間分布在城市空氣改善中發(fā)揮的作用。

2.2 氣象分析與區(qū)域風(fēng)場模擬

掌握區(qū)域的氣象資料和風(fēng)場情況對于科學(xué)、準(zhǔn)確地識別GI至關(guān)重要。目前中國絕大多數(shù)城市還沒有編制城市氣候圖，需要利用氣象模擬軟件來模擬區(qū)域的氣象情況。研究城市尺度風(fēng)環(huán)境常用的軟件主要是以CFD技術(shù)為主的風(fēng)場模擬軟件，其中Airpak、Fluent、Phoenics[21]應(yīng)用較多。CFD軟件在街區(qū)尺度和城市尺度的風(fēng)環(huán)境模擬與計算中精確度較高[22]，但在區(qū)域尺度下，由于空氣運動規(guī)律、軟件參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)輸入類型與城市尺度的氣象模擬有較大差異，因此城市尺度風(fēng)模擬軟件并不適宜在區(qū)域尺度進(jìn)行應(yīng)用。

本研究采用氣象模型CALPUFF中的CALMET模塊對區(qū)域氣象情況進(jìn)行模擬。CALPUFF軟件是由西格瑪研究公司開發(fā)，美國國家環(huán)保局（USEPA）長期支持開發(fā)的氣象模型，是中國環(huán)境保護(hù)部頒布的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則：大氣導(dǎo)則》（修訂版）推薦的模式之一，適用于10～1 000km2尺度范圍的氣象模擬[23]。CALPUFF中的CALMET模塊在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于科研部門的氣象預(yù)測中，是中國天氣預(yù)報采用的氣象預(yù)測手段之一，具有數(shù)據(jù)獲取便捷、精確度較高等特征[24]。

本文氣象數(shù)據(jù)為美國宇航局（NASA）的Global Change Master Directory（GCMD）提供的包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、云底高度、云量、氣壓和相對濕度等氣象資料，經(jīng)由中尺度氣象模型CALMET利用質(zhì)量守衡原理對風(fēng)場進(jìn)行診斷與模擬。CALMET包括診斷風(fēng)場模塊和微氣候模塊，輸出結(jié)果包括研究區(qū)域風(fēng)向、風(fēng)速、高程及地形模擬圖等。

3 哈爾濱市區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的識別方法

論文選取哈爾濱作為研究案例，研究區(qū)域包括哈爾濱中心城區(qū)及其周邊的呼蘭、阿城、雙城、巴彥4個區(qū)和肇東市、蘭西縣，總面積19 715.3km2。木蘭、五常等哈爾濱直管區(qū)縣因距離主城區(qū)較遠(yuǎn)，其生態(tài)斑塊對城區(qū)風(fēng)環(huán)境影響較弱，沒有將其劃入研究區(qū)域。研究采用的數(shù)據(jù)為第二次全國土地調(diào)查的地表覆蓋（land cover）數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS10.2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

將哈爾濱城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施識別分為3個步驟。首先是空間單元識別，根據(jù)局地環(huán)流理論，分析不同生態(tài)斑塊在調(diào)節(jié)城市空氣中發(fā)揮的作用，按照地表覆蓋數(shù)據(jù)識別出不同類型的GI單元；其次是城市風(fēng)環(huán)境分析，收集哈爾濱城市氣象資料，應(yīng)用CALMET對城市不同季節(jié)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬計算，得到四季典型月的風(fēng)場圖；最后是空間體系識別，根據(jù)城市風(fēng)場圖，對生態(tài)斑塊進(jìn)行進(jìn)一步的篩選與分類，分析其對城市風(fēng)環(huán)境的影響，并按其重要性進(jìn)行分級，得到GI的空間分布體系。

3.1 空間單元識別

根據(jù)謝高地等的研究，不同類型生態(tài)系統(tǒng)的氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)能力有很大差異[25]（表1）。氣體調(diào)節(jié)能力主要是對空氣組成成分的調(diào)節(jié)與改變，包括吸碳放氧和凈化空氣有害物質(zhì)，可以衡量綠地的新鮮空氣供給能力；其中林地和濕地是最為重要的新鮮空氣補給區(qū)，草地、水體和農(nóng)田新鮮空氣補給能力較弱。氣候調(diào)節(jié)能力是指作為冷空氣生成源而對局部氣候進(jìn)行改變與調(diào)節(jié)的能力。在城市周邊的生態(tài)斑塊中，林地、濕地和水體是最為理想的冷氣流生成區(qū)，其次是草地和水田，旱田氣候調(diào)節(jié)能力較弱。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量（1 000元/hm2）Tab. 1 The equivalents of ecosystem service value supplied by per unit area of ecosystem (1 000 CNY/ hm2)

研究依據(jù)生態(tài)斑塊在改善城市空氣質(zhì)量中發(fā)揮的不同功能而將其識別為不同類型的GI單元。從研究區(qū)域的地表覆蓋數(shù)據(jù)（圖1）來看，城市周邊的生態(tài)斑塊按植被類型的不同可分為林地、濕地、水田、旱田、河流、草地等類型。依據(jù)局地環(huán)流理論對補償空間的分類，研究把綠色基礎(chǔ)設(shè)施分為3類GI單元（圖2），即氣體調(diào)節(jié)單元（新鮮空氣供給生態(tài)斑塊）、氣候調(diào)節(jié)單元（冷空氣生成生態(tài)斑塊）和氣候氣體調(diào)節(jié)單元（兼具2種功能生態(tài)斑塊）。

1 研究區(qū)域地表覆蓋數(shù)據(jù)圖ArcGIS land cover data of research district

2 綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間單元識別圖Spatial unit of green infrastructure

1）氣體調(diào)節(jié)單元：按照植被生態(tài)類型的差異，將林地、濕地等氣體調(diào)節(jié)能力強的綠地劃分為3個重要GI單元，將旱田、草地等氣體調(diào)節(jié)能力一般的綠地劃分為4個次要GI單元；

2）氣候調(diào)節(jié)單元：將具備較強氣候調(diào)節(jié)能力的水田劃分為4個冷空氣生成單元；

3）氣體氣候調(diào)節(jié)單元：沿松花江、呼蘭河，由水體、濕地、濱水綠地組成的帶狀綠地，具有較強的氣體調(diào)節(jié)能力和氣候調(diào)節(jié)能力，將這2個綠帶劃分為多功能單元。

3.2 城市風(fēng)場分析

黑龍江是典型的季風(fēng)性氣候地區(qū)，盛行風(fēng)伴隨季節(jié)的變化而顯著改變。區(qū)域地處西伯利亞大陸板塊的東南方向，冬季時分西伯利亞寒流來襲，冬季非常干燥寒冷漫長。夏季受到來自海洋的暖濕氣流影響，導(dǎo)致冬夏季溫差變化巨大。冬季盛行偏西或偏北風(fēng)，夏季盛行偏南或東南風(fēng)。春、秋季較短，偏南、偏北風(fēng)交替變更。根據(jù)《哈爾濱市志（1961—1990）》以及中國氣象資料2012—2015年間共4年每月的風(fēng)速及大風(fēng)日數(shù)氣象資料進(jìn)行整理，計算得出每月的平均風(fēng)速及大風(fēng)日數(shù)，以此分析選取1、4、7、10這4個月作為哈爾濱一年四季的典型氣候代表月份。

3 哈爾濱典型月份風(fēng)向統(tǒng)計圖Wind frequency diagram of classical months, Harbin

4 CALMET風(fēng)場模擬分析Wind field simulation and analysis by CALMET

5 綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間分布圖Spatial pattern of green infrastructure based on air circulation analysis

根據(jù)以上資料統(tǒng)計，哈爾濱年平均風(fēng)速為3.5m/s。春季典型月份4月主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，平均風(fēng)速為3.53m/s，夏季典型月份7月主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)、南風(fēng)，平均風(fēng)速為4.125m/s，秋季典型月份10月主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)、西風(fēng)、西南風(fēng)，平均風(fēng)速為3.31m/s，冬季典型月份1月主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)、西南風(fēng)，平均風(fēng)速為3.25m/s（圖 3）。

對哈爾濱城市區(qū)域尺度進(jìn)行CALMET風(fēng)環(huán)境模擬計算，并根據(jù)每月的風(fēng)環(huán)境模擬計算成果，得到每個月份的典型日風(fēng)環(huán)境圖。從模擬計算成果來看，地形條件對城市風(fēng)環(huán)境也有較大影響，即當(dāng)區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向為西南向或南向時，處于平原地區(qū)的哈爾濱受東南部張廣才嶺山脈的影響，在局地環(huán)流作用下城市東部會受到東南風(fēng)的作用（圖4）。

3.3 空間體系表達(dá)

研究結(jié)果顯示，大氣風(fēng)速對城市空氣污染物的擴散速度影響重大。根據(jù)空氣污染物擴散速度，可以將大氣風(fēng)速分為3個等級[3，20]：一是大風(fēng)狀態(tài)下（V大氣＞5.5～6m/s），空氣流通速度快，城市不依賴周邊的生態(tài)斑塊也能改善空氣質(zhì)量；二是微風(fēng)狀態(tài)下（5.5～6m/s＞V大氣＞1.5～2m/s），如果在城市的上風(fēng)向分布能提供大量新鮮空氣斑塊，則有利于迅速改善城市的空氣質(zhì)量；三是城市處于靜風(fēng)狀態(tài)下（V大氣＜1.5～2m/s），這種風(fēng)場條件下城市污染物擴散緩慢，城市周邊的新鮮空氣難以進(jìn)入城市，GI中的氣候調(diào)節(jié)斑塊此時發(fā)揮重要作用，可以加快城市空氣的流通。由此可以發(fā)現(xiàn)，在微風(fēng)和靜風(fēng)的風(fēng)場條件下，GI的空間分布對城市空氣質(zhì)量的改善發(fā)揮著重大作用。

根據(jù)哈爾濱一年中不同季節(jié)的風(fēng)環(huán)境情況，結(jié)合綠地在城市周邊的空間分布情況，判斷其對城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響與發(fā)揮的作用，對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)單元做出進(jìn)一步的篩選與分類,得到綠色基礎(chǔ)設(shè)施的空間體系（圖5）；按照功能與重要性的差別將GI分為3級單元，結(jié)果如下：

1）Ⅰ級單元3個，其中松花江廊道和呼蘭河廊道是重要的城市新鮮空氣供給源，同時也是冷空氣生成源，在調(diào)節(jié)城市氣候中影響重大；區(qū)域東南部的山區(qū)林地產(chǎn)氧量大，處于城市夏秋冬主導(dǎo)風(fēng)向的上方向，是城市重要新鮮空氣供給源。

2）Ⅱ級單元7個，其中城市東北、西北、東南方的3個帶狀水田為2級a斑塊，是區(qū)域內(nèi)的冷空氣生成源，可以調(diào)節(jié)城市氣候并提供一定量新鮮空氣；城市周邊的4個塊狀旱田為2級b斑塊，可以為城市提供新鮮空氣。

3）Ⅲ級單元2個，分別為城市西北部的草地、濕地斑塊和東北部的林地斑塊，這2個斑塊有較強的新鮮空氣提供能力，但距離城市較遠(yuǎn)或處于城市主導(dǎo)下風(fēng)向，對城市的影響較弱。

4 規(guī)劃應(yīng)用

根據(jù)GI的空間分布體系，對哈爾濱周邊重要生態(tài)綠地的保護(hù)與建設(shè)提出以下規(guī)劃建議：

1）松花江與呼蘭河沿江綠地與濕地構(gòu)成的帶狀生態(tài)廊道是哈爾濱城區(qū)最主要的新鮮空氣提供源地和冷空氣生成源地，在城市的建設(shè)與擴張中應(yīng)重點保護(hù)，生態(tài)廊道中應(yīng)加強濕地生態(tài)修復(fù)，提高綠量以強化新鮮空氣的供給能力。

2）城市東南側(cè)的阿什河生態(tài)廊道是中心城區(qū)重要的新鮮空氣輸送廊道，應(yīng)在城市開發(fā)中避免對廊道的侵占，并保持一定的廊道寬度（建議200m以上）。

3）西北、西南方向是哈爾濱春夏秋3個季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向，在城市西北、西南這2個區(qū)域內(nèi)缺乏大型的生態(tài)斑塊，建議在未來的規(guī)劃中建設(shè)吸碳放氧能力強的林地斑塊，為城市提供更多的新鮮空氣。

4）根據(jù)《哈爾濱市城市總體規(guī)劃（2004—2020）》，城市周邊的8個楔形綠地中，東南側(cè)的呼蘭河綠地和西南側(cè)的阿什河綠地以及松花江廊道是城市的重要新鮮空氣補給通道，對城市空氣質(zhì)量的改善意義重大，應(yīng)重點保護(hù)。

5 結(jié)論

區(qū)域尺度下城市周邊的綠色基礎(chǔ)設(shè)施對城市風(fēng)環(huán)境與空氣質(zhì)量影響巨大，不同的GI斑塊不僅可以為城市提供新鮮空氣，凈化大氣中的有害物質(zhì)，還在區(qū)域內(nèi)冷空氣生成、改變城市局地環(huán)流和加速空氣運動中發(fā)揮著重大作用。通過研究，論文取得如下成果：

1）在沒有城市氣候圖的條件下，依據(jù)城市氣候資料和CALMET風(fēng)場模擬分析，得到城市典型月份的風(fēng)環(huán)境圖；

2）根據(jù)局地環(huán)流理論，提出了區(qū)域尺度下影響城市風(fēng)環(huán)境的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的識別方法，即空間單元識別—城市氣候分析—空間體系表達(dá)3個步驟；

3）以哈爾濱作為研究案例，識別出影響城市風(fēng)環(huán)境的綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間體系，并對城市綠地保護(hù)、城市風(fēng)道規(guī)劃提出了相應(yīng)的策略與建議。

研究提供了宏觀尺度下分析綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間分布對城市空氣質(zhì)量影響的技術(shù)方法。研究成果為區(qū)域內(nèi)核心生態(tài)資源的保護(hù)與修復(fù)、城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃等提供了依據(jù)，并可以在城市周邊限建區(qū)的劃定、城市生態(tài)廊道和城市風(fēng)道規(guī)劃設(shè)計、城市綠線藍(lán)線劃定與調(diào)整等不同領(lǐng)域得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

城市風(fēng)環(huán)境是一個有挑戰(zhàn)性的研究課題，城市空氣環(huán)流的生成與變化受到眾多因素的制約，其相互間的作用與影響機制也非常復(fù)雜。受條件所限，研究還有很多不足與不深入的地方，希望能借此拋磚引玉，共同為改善我們城市的空氣質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。

注釋：

①圖1由張建波、吳冰繪制，圖2、5由吳遠(yuǎn)翔繪制，圖3、4由袁雪嬌、吳遠(yuǎn)翔繪制。感謝鄒敏同學(xué)的后期圖片處理。②表1來源于謝高地的研究論文《中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值》。

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