城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系的研究与应用

中国科学D辑地球科学 2005, 35(增刊

王晓云＊＊蒋维楣季崇萍

(

中国建设部, 北京 100044; 中国气象局北京城市气象研究所, 北京 100089; 中国气象局大气探测技术中心, 北京 100081)

摘要实施城市的可持续发展应当首先从城市规划着手, 城市大气环境是实现城市可持续发展的重要课题. 从规划部门对不同尺度的设计方案进行分析比较

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中国科学 D 辑 地球科学

第35卷

SCIENCE IN CHINA Ser. D Earth Sciences

舒服. 城市中无植被的广场空地也会形成特定的微气候. 因此, 从城市整体规划到街道

中南海等皇家园林. 为了保持古都风貌, 在现有的规划中原则规定在旧城范围内不发展高层建筑, 高层建筑都向二环外

加密的趋势. 未来北京城将形成近郊环形的高层建筑包围旧城区的格局, 类似地形上的盆地, 这将严重影响城区气流运动, 增加静风

能见度下降.

2000年以来, 有所好转.

由此可见, 城市发展直接影响着城市气象条件, 进而影响空气质量和大气环境. 如何通过科学

客

观

可持续发展[2].

国内外均开展了一些城市边界层的观测及模拟研究. 美国能源部从

2000

年起开展了化学生物国家

安全(CBNP)计划, 在此计划和其它相关项目的联合资助下, 分别在盐湖城和俄克拉荷马市开展了URBAN 2000[3]和Joint Urban 2003[4]城市大气多尺度

表1 北京城市热岛强度(城

城区能见度5a 平均值的变化趋势

年代 1960~1964 1965~1969 1970~1974 1975~1979

1980~1984 1985~1989 1990~1994 1995~1999 2000~2003 热岛强度/ 0.94 1.08 1.10 1.34 1.58 1.70 1.82 1.86 1.80 能见度/1000m

20.1

18.4

18.1

15.9

12.0

11.0

12.0

11.7

13.9

万方数据

增刊

城市下垫面的多尺度非均匀性及其陆面过程对天气与气候的影响. 在由中国气象科学研究院徐祥德研究员主持的以首都及周边地区大气-水-土污染机理为背景的国家重点基础研究中[6], 北京城市大气边界层结构特征及其对大气穹隆形成影响研究占了显著的基础研究地位. 这些都反映了学术界对城市气象条件及大气环境研究的重视. 但是, 城市规划对气象条件及大气环境的影响及其评估研究却开展的较少.

本文从这一需求出发, 首先在高分辨地理信息数据的基础上, 建立了城市规划大气环境影响多尺度数值模拟系统, 提出了多尺度评估指标体系, 由此构成了城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系, 并在城市规划编制(北京城市化发展)及奥林匹克公园两种规划方案优选工作中进行了应用.

1 城市规划大气环境影响多尺度数值模拟

系统的建立

针对城市下垫面的多尺度非均匀特征, 建立了由以下3组模式构成的模拟系统(如图3所示).

1.1 城市尺度模拟分系统

模式[7~8]可供200 km×200 km区域(北京市域)范围和45 km×45 km北京市区范围使用, 网格距可变, 水平格距小至0.5~4.0 km可分辨. 模式由一个三维非静力精细PBL模式和一个区域中β尺度气象模式及空气污染物输送扩散模式组成, 是一个具有诊断和预报功能的城市数值模拟系统. 模式中针对城市的具体特点作了以下3点特殊考虑:

(1) 用城市建筑物对风场的拖曳力(拖曳因子)替代常用的粗糙度(z0)处理方案, 以精确考虑城市建筑物对风场的拖曳作用. 即在水平风速分量u, v和湍流动能E的方程中分别加入由建筑物引起的拖曳力项, 以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能的面积平均影响, 如方程(1)~(3)所示. 其它模式方程及求解方法不变.

(),

u d

Du

F C A z u u

Dt

=-(1)

(),

v d

Dv

F C A z v v

Dt

=-(2)

这里, F u, F v, F E分布代表相应方程中原来的右端项.

C d为拖曳系数, A(z)为建筑物表面积密度, 即垂直于风向的建筑物表面积与网格体积之比. 由方程(1)~(3)可以看出, 动量方程中的拖曳力和湍能方程中的湍能产生项线性地依赖于拖曳系数C d的大小, 所以拖曳系数的取值就至关重要. Brown等研究表明[9]: 拖曳系数的值与次网格建筑物的数量高度

万方数据

增刊

科学性有效性等普遍原则, 还应满足以人为本区域性

气象条件及大气质量都是与人的生活息息相关的, 是人居环境的一个主要部分, 人在这个大环境中应居于首要地位.

(2) 层次性. 指标体系应根据研究系统的结构层次,由宏观到微观,由抽象到具体, 如构建目标层指标层结构, 在此基础上进行指标分析可以使指标体系结构清晰, 易于使用.

(3) 区域性. 不同城市所在的气候区域不同, 不同城市又有不同的具体特点, 因此评估指标体系也应因地制宜, 根据所研究区域的城市特点

易于量化计算的可靠性强的并且能真正反映城市规划对气象条件及大气环境影响的定量指标. 减少难以精确计算或数据取得极为困难的定量指标, 尽量不使用或少使用定性指标.

2.2 评估指标体系的总体框架

参照层次分析法[13]并遵循上述构建原则, 可以把城市规划-气象条件-大气环境归结成一个层次体系, 该体系由目标层指标层3个层次构成. 最高层的综合评估指标表明了城市规划对气象条件及大气环境的影响程度, 综合评估指标向下分解为具体体现该项指标的亚指标, 再向下是最低层的单项评估分指标. 评估指标体系的总体框架如图4所示.

(1) 城市尺度评估指标. 针对城市尺度评估范围的特点, 从环境气象条件和污染物扩散两个方面, 确定了热岛强度(I1: <2.5, 2.5~3.5, 3.5~4.5, 4.5~5.5, >5.5混合层高度(I2: <150, 150~350, 350~600, 600~900, >900 m分别对应1至5级)

小风区分布(I4: 风速小于1 m

自净时间(I5: 污染物瞬时排放扩散到小于一定浓度(如初始源强浓度的1%)所需的时间<30, 30~40, 40~50, 50~60, >60 min 分别对应5至1级)等5个评估分指标, 将以上分指标进行加权, 获得城市尺度的综合评估指标:

I = 0.3×I1 + 0.1×I2 + 0.1×I3 + 0.1×I4 + 0.4×I5.

(2) 小区尺度评估指标. 针对小区尺度评估范围的特点, 充分考虑环境气象条件和污染物扩散等对人类活动的影响, 确定了人体舒适度(I1: 人体感受为“较舒适”(如舒适度指数在30~90)的区域所占的面积百分比<20%, 20%~40%, 40%~60%, 60%~80%, >80%分别对应1至5级)

m−1

地面污染物浓度(I3: 由地面大气污染级别为“优”和“良”(如SO2, 即浓度小于0.15 mg/m3)的区域所占的面积百分比来衡量, 分级标准同I1)

建筑物表面污染物浓度(I5: 由建筑物表面大气污染级别为“优”及“良”的区域所占的面积百分比来衡量, 分级标准同I1)

建筑物表面污染物浓度(I2: 同小区尺度评估指标I5)