应对城市热岛效应及空气污染的城市通风道规划研究_陈宏

本期聚焦：气象灾害与城市应对

ＦＯＣＵＳ：　ＳＴＲＡＴＥＧＩＥＳ　ＯＦ　ＵＲＢＡＮ　ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＤＩＳＡＳＴＥＲＳ

文章编号：

1009-6000(2014)07-0024-07中图分类号：

TU984 文献标识码：A 基金项目：

“十二五”国家科技支撑计划：低成本、低能耗建筑节能关键技术集成研究与示范（编号：2011BAJ03B03）；国家自然科学基金：公园系统网络化的生态环境效应——以国家“两型社会”新特区为例（项目号：50908092）。作者简介：陈宏，华中科技大学建筑与城市规划学院教授，建筑与环境研究中心负责人，从事绿色建筑、城市及街区热环境、风环境研究；周雪帆，华中科技大学建筑与城市规划学院博士后（讲师），从事城市热环境、风环境研究；戴菲，华中科技大学建筑与城市规划学院教授，从事城市环境研究；管毓刚，华中科技大学建筑与城市规划学院讲师，建筑物理实验室主任，从事绿色建筑研究。

摘要：

如今，50%以上的世界人口居住在城市中，而城市由于其特殊下垫面及人类活动影响存在一些特有的环境与气候问题，其中最为严重和明显的是城市热岛效应及空气污染问题。为了缓解这些问题，本文提供了一种城市尺度着手的调节策略:城市通风道。在城市中设计通风道，有助于打破城市热岛环流帮助城郊凉爽气流渗入，提高城市内空气的流动性，增加城市绿化率，分割大面积城市空间，消除热岛的规模效应及叠加作用。本文浅析了城市通风道建立的必要性，对城市环境、气候的调节作用，给出了通风道设计的原则和设计策略，最后提供了一个简单的案例开拓研究思路。关键词：

城市通风道；城市气候；城市环境；城市尺度气象模拟

Abstract: Nowadays, more than 50% of the world’s total populations live in urban. Urban is greatly affected by people’s activities and has specific environmental and climate problems. Urban heat island phenomenon and air pollution are the first two problems above all, which need to be solved emergently. To improve the thermal and wind environment of the city, urban ventilation corridor is introduced to urban planning in this study as the accommodation strategies in urban scale. Urban ventilation corridor can break the urban heat island circulation and help introduce fresh, cool air into the urban. It also can strengthen urban greening segregating construction and divide the vast area of urban to several pieces to decrease the scale effect of urban heat island. We give the proof of the necessity of planning urban ventilation corridor, and analyze the positive impact of urban ventilation corridor on urban environment and climate in this article. We also summarize some of the principles and strategies of the planning of urban ventilation corridor. At the end of this article, a study case of urban ventilation corridor planning is briefly introduced to give a new idea.

Key words: urban ventilation corridor; urban climate; urban environment; mesoscale meteorology simulation

应对城市热岛效应及空气污染的城市通风道规划研究

Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｒｒｉｄｏｒ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｈｅａｔ　Ｉｓｌａｎｄ　ａｎｄ　Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓ

陈宏　周雪帆　戴菲 管毓刚

ＣＨＥＮ　Ｈｏｎｇ ＺＨＯＵ　Ｘｕｅｆａｎ ＤＡＩ　Ｆｅｉ ＧＵＡＮ　Ｙｕｇａｎｇ１　城市环境与气候１．１　城市环境与气候特点

如今，50%以上的世界人口居住在城市中，由于社会集约化趋势越来越明显，

相应的城市化进程也愈加明显。众所周知，城市的发展会带来该地域气候变化，形成具有特殊属性的城市环境与气候。

城市环境与气候的形成主要是受到

城市人类活动及城市中特殊属性的下垫面的影响。所谓下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面[1]。下垫面同空气间存在着复杂的物质和能量交换，是气候形成的重要因素。由于人类生活、工作、学习的需要，在原有植物覆盖的自然下垫面基础上，城市下垫面被坚硬密实、干燥、不透水的沥青、水泥、石材、砖料等建筑材料覆盖，因此，具有较高的导热率、热容量以及热导纳①；另外，不透水材料的使用还导致城市下垫面贮藏水分能力的降低并带来较低的蒸发、蒸腾量；再者，城市内高低错落且密集的建筑物群也带来了更高的粗糙度[2]。

城市下垫面具有更高的导热率、热容量及热导纳，因此在白天吸收太阳短波辐射及周围长波辐射后升温显著引起高温，高低错落的建筑物群造成遮挡降低天空率，更多的热量被“封锁”在街渠内无法“逃逸”到大气中，经过多次反射被城市下垫面吸收，这些被城市下垫面吸收并储存的更多热量，在夜晚温度较低的情况下被放出，带来夜晚城市的高温现象[3]。除此之外，城市居民生活、工作、学习过程中所产生的废热也加剧了城市的高温现象。比较起来，城市气温高于城郊区域气温，这就是著名的“城市热岛”现象。

城市中由于特殊的下垫面属性，建筑物和人工铺砌的坚实路面大多数为不透水层，降雨后雨水很快流失，地面比较干燥，加之植物覆盖面积小，因此其自然蒸发、蒸腾量比较小，因此城市的绝对湿度往往小于附近的郊区，形成“城市干岛”[4]。

城市内高低错落且密集的建筑物群带来了更高的粗糙度，由于城市的摩擦作用，城市风场受到影响。影响城市风场的主要因子除粗糙度外，还包括大范围的盛行风场、城市热岛强度及城、郊的稳定度差异等[5]。城市的摩擦作用导

致城市内风速普遍低于郊区风速，除风

速外，风向在城市区域内也存在一定角

度的偏转。这种风向改变实际上是气压

梯度力②、摩擦力及科氏力③共同作用的

结果，同时这种风向偏转也一定程度上

受到城市热岛环流的影响，因此是城市

风场的特有现象[6]。另外，城市内高楼

林立，带来更强的湍流作用并形成“高

楼风”现象[7]。由于复杂的城市形态及

多种因素共同作用，城市内具有异常复

杂和变幻莫测的风场结构。

１．２　城市环境与气候问题

城市由于其特殊下垫面及人类活动

影响具有略区别于局地气候的特殊气候，

因此城市也具有许多其特有的环境与气

候问题，这些问题中最为严重和明显的

是城市热岛效应及空气污染问题。

19世纪初期，Howard曾对伦敦城区

和郊区的气温进行同时间的对比观测，发

现城区气温比其四周郊区气温高[8]。此后

各国学者对各不同纬度、不同类型的大

大小小城市陆续做了大量的城、郊气温

对比观测亦发现类似现象。在1.1节中

提到过，城市热岛效应的形成主要同特

殊的城市下垫面属性有关，除城市下垫

面因素外，人工热排放、当地的天气形

势与气候条件，以及温室气体和大气污

染对城市热岛效应也存在不同程度的影

响[9~11]。

空气污染包括自然作用因素，如

火山爆发、森林火灾、海水飞沫等，及

人为作用因素，如工业废气、汽车尾气、

工地尘埃等。城市中爆发的空气污染问

题主要是由于后者，即人为因素作用[12]。

通常来说，自然环境本身存在自净作用，

所以一定程度的污染在一段时间后都能

够得到自动清除。然而，城市化进程加速，

城市工业、商业飞速发展，城市内污染

物的总量已经大大超出自然环境自净作

用所能承受的阈值，再加上城市相对不

畅的通风环境，及城市热岛环流形成的

穹窿形尘盖，阻止了城市内污染物的对

外扩散和排出，致使污染物集聚在城市

区域内，加重了城市空气污染问题[13]。

２　城市环境与气候调节

城市热岛效应一直广受关注，对于

这一问题的调节策略所涉及的方面也比

较广泛，总的说来包括：1）城市布局方

面；2）城市绿化方面；3）建筑物方面；

4）空调设备方面；5）交通及其他方面。

其中城市布局方面，一方面可以减少城

市下垫面对长、短波辐射量的吸收，另

一方面可以帮助城市内废热的疏散[14~16]。

城市绿化方面和建筑物方面的调节主要

是减少城市下垫面对长、短波辐射的吸

收、贮藏。空调设备方面、交通方面及

建筑物内部热量控制方面主要是对人工

热排放进行调节，控制人工热排放，从

而减少城市内废热总量。城市热岛效应

的调节策略归纳总结见图1。

针对城市空气污染问题，目前的

调节策略主要是从两个方面入手：其一，

源头控制；其二，污染物疏散。源头控

制方面的调节主要针对工业污染、交通

污染、工地污染等各个城市内的主要污

染源[17]。污染物疏散方面的调节主要依

靠城市通风的作用，将城市内淤积的污

染物疏散到城市外部区域，而这一调节

策略的核心是城市通风道的布局及设计。

不论是对城市热岛效应抑或是对城

市空气污染的调节策略都是从源头和疏

散这两个方面来改善问题的。从整体来

说，对源头的把控才是治本之道，意义

重大。但就目前国内经济形势来看，有

时候源头限制也意味着减速发展，在这

一对矛盾的基础上，疏散策略就显得尤

为重要了。而在城市尺度下的调节策略

中，操作性最好的便是城市通风廊道设