高密度城市气候评估方法与应用*

郭 飞 祝培生 段栋文 王时原 张鹤子 GUO Fei, ZHU Peisheng, DUAN Dongwen, WANG Shiyuan, ZHANG Hezi

高密度城市气候评估方法与应用*

郭 飞 祝培生 段栋文 王时原 张鹤子 GUO Fei, ZHU Peisheng, DUAN Dongwen, WANG Shiyuan, ZHANG Hezi

摘 要高密度城市和建筑群可对气候产生重要影响，例如热岛效应、空气污染和暴雨等。科学准确地评估城市对气候的影响并据此提出规划改善对策已成为建设生态城市和宜居环境必不可少的重要内容。本文对可用于城市气候评估的模型进行了归纳总结，发现以CFD耦合模型和WRF为代表的中尺度气象模型具有优势，前者更适合建筑、城市设计和详规尺度；后者更适合城市总规尺度；利用GIS平台将气候评估结果与城市信息数据库进行叠加分析或者绘制城市气候图可以更好地对接规划实践需求。

关键词高密度城市；气候评估；CFD；WRF

郭飞, 祝培生, 段栋文, 等. 高密度城市气候评估方法与应用[J]. 西部人居环境学刊, 2015, 30(06): 19-23.

0 引 言

由于经济发展的要求，现代城市土地集约利用、功能高度复合，以高密度高容积率为主要特征。城市普遍出现了不同于郊区的热岛效应等气候现象，主要原因是下垫面不透水面积增加、绿化面积少、地表粗糙度大、空气流通受到高密度建筑群阻碍而平均风速小等。近年来城市气候因此频繁出现不利于居住及生存的情况，例如极端天气、暴雨内涝等灾害频发，空气污染浓度成倍增加，引发了呼吸道、肺部和眼部疾病发病率的上升，而且情况有愈加严重的趋势[1-3]。

T.R.Oke、张景哲等人的研究表明，良好的气候规划是缓解城市热岛效应和大气污染的有效途径，例如一定的风速就能显著减弱热岛效应、改善城市热舒适度、促进污染物的扩散；如果风速达到一定的临界值，城市热岛效应就会消失，城市污染状况就能显著改善[4-6]。在当前，研究如何缓解城市热岛效应、改善城市气候对提升生活质量具有特别重要的意义，成为环境、气象、地理、生态、城市规划等许多学科广泛探讨和深入研究的热点问题。

1 常规城市气候评估方法

城市气候的形成机理复杂，受周边地形地貌影响很大，与风、热、湿、辐射等多种物理因素有关，包含了热岛、风速降低、热岛环流、日照辐射减少、云量和降水变化等多种现象[7]（图1）。城市内部不同的功能布局、建筑几何形态、建筑密度、街道走向、人为热等也会影响微气候环境。

图1 城市总规尺度的气候现象Fig.1 climatic phenomenon of the urban general gauge

图2 城市详规和街区尺度的气候现象Fig.2 climatic phenomenon of the urban detailedplanning and block scale

城市气候评估的工具主要有实地观测、风洞试验、数值模拟技术等[8]。常规气候评估工具应用于城市规划评估时均有其自身的缺点：实地观测耗费大量人力物力，且无法提供动态的预测能力；风洞试验准确度高但时间周期较长；风玫瑰图过于简单，难以评估高密度城市非常复杂的地面风场分布；传统的CFD（计算流体力学）缺乏描述城市复杂物理现象的模型；常规模型已经难以适应现代高密度城市规划的要求[9]。基于现有评估工具在研究城市气候对城市规划的影响时存在的不足，很多学者已经开始引入其他方法来评价城市气候，主要有CFD的耦合模型、中尺度气象模型等。

2 城市气候评估模型

2.1 CFD耦合模型

CFD耦合模型在传统CFD模型的基础上，考虑城市详规和城市设计尺度中的风、太阳辐射、热、人工排热等要素，耦合辐射、热舒适、污染物传递等模型（图2）。CFD耦合模型针对的是城市室外活动的主要空间，分析范围多在数十米至数千米范围内，分辨率可达1~10m，应用于城市详规和城市设计尺度具有显著优势。许多学者利用CFD耦合模型深入解析空气流动、热量交换和水蒸气输送等物理现象，对城市详规、城市设计尺度的局地气候环境影响规律进行了有益的探索。

袁磊等利用airpak在深圳市绿色城市规划导则制定中进行通风评估，针对城市详规尺度的规划实践提出了风环境控制指标、优化策略、高密度区域通风设计要求等[10-11]；卢军等建立了GIS-CFD模型，对山地城市重庆、武钢等地的风环境和城市热岛进行评估并提出了相应的规划改善策略[12-13]；余庄等在武汉市总体规划中利用本地水系资源丰富的条件，设计了一系列不同形式的“城市通风廊道”，并通过CFD模型分析了城市通风廊道对驱散恒温层和污染物的作用[14-15]；孟庆林、赵敬源、李保峰等利用CFD耦合模型对不同气候区的街谷走向、高宽比等形态参数与城市微气候的关系进行了分析，对街谷的通风效能、行人热舒适、温湿度和污染物分布进行了详尽研究[16-18]。

我们以大连市中山区人民路为中心的高密度城区模拟结果表明，该区域内建筑密集，周边式街区较多，缺少气流通道，使得空气通透性较差，来流不能顺畅地经过。尤其是周边式布局的多层住宅、大体量的高层裙房迎风面积大、风影区长，对风的阻碍作用最大。区内部分平均风速均低于0.4m/s，仅为来流速度的22%，不仅对改善炎热夏季热舒适度十分不利，也易引起区域内部的空气滞留和污染聚集（图3-4）。

CFD耦合模型的研究难点在于如何科学合理地设置模拟的边界条件，否则初始条件的微小偏差就会严重影响结果的准确性。通常模拟区域周边均存在复杂的地貌和城市环境，但是气象观测资料的密度不够、城市空间的不均匀特征增加了获取准确边界条件的困难。因此常需要采取多重区域嵌套的方法，先对更大范围的区域进行较为粗略的通风评估，以评估结果作为边界条件，对更小范围的区域进行精确评估；或者将CFD模型与更大尺度的气象学模型相耦合，以提高初始边界条件的准确度。

图3 大连中山广场及人民路的城市形态Fig.3 urban morphology of Dalian Zhongshan Square and Renmin Road

图4 大连中山广场及人民路的风环境模拟Fig.4 wind environment simulation of Dalian Zhongshan Square and Renmin Road

2.2 中尺度气象模型及其耦合模型

来自气象学领域的预报工具MM5、WRF等中尺度气象模型特别适用于数十千米至数百千米范围内的风环境评估，恰好与城市总体规划的尺度和范围相对应。“中尺度”（mesoscale）介于大尺度和小尺度之间，是气象科学领域专门描述数千米至数百千米天气现象的专业词汇，其大气运动既受到垂直方向的浮力或重力的影响，同时也不能忽略水平方向的“柯氏力”（由地球自转引起）和摩擦力。中尺度气象模型采用完全可压、非静力平衡的欧拉模型、多重嵌套网格技术，拥有较为完善的物理模型方案，特别适用于具有各种复杂物理现象的城市风环境的耦合解析。WRF发现并准确描述了许多城市独特的气候现象，还可通过耦合城市模型（UCM、BEP+BEM）详细考虑城市下垫面结构的非均匀性，以及街道、建筑形态等对城市低层大气和地面能量平衡的影响。已有学者利用WRF耦合城市模型成功地评估了城市特征（用地类型和功能、绿地和水面、人为热等）对气候和通风的动态影响[19-20]。

我们采用WRF工具对大连城市总体进行了高分辨率的气候模拟，将模拟结果分别与现场和气象站实测数据对比，变化趋势基本吻合。地面2m温度场观测值与模拟值最大偏差2.2℃，最小0.1℃，平均偏差0.9℃；地面10m风速模拟结果与现场实测及气象站观测数据也基本吻合，最大偏差1.0m/s，最小0m/s，平均0.3m/s。对于尺度较大的城市而言，模拟结果的准确性是十分理想的，用于分析城市温度场、风场的变化规律具有较高的可信度（图5）。

图5 WRF模拟结果与现场实测对比Fig.5 comparison of WRF simulation results and field measurement

模拟结果还表明，风速较低时城市存在较强的热岛效应，强度达5.6℃，热岛中心位于城市西北部即甘井子区金三角一带；山体对城市热岛具有良好的缓解作用。由于山体绿化较好，并且气温会随着高度上升而下降，因此一定高度的山丘将会形成冷气团的聚集区，为周边提供山谷风和冷空气。城市规划应当对此加以保护和利用，将山体与绿带、公园相联系，从而分割城市热岛，避免其蔓延扩张，对改善城市环境产生积极的影响（图6）。

图6 WRF对大连中心城区的风场和温度场模拟结果（300m分辨率）Fig.6 WRF simulation results of the wind field and temperature field of Dalian central urban area

3 气候评估模型与规划的对接研究

目前城市通风研究在气象学、环境科学领域比较活跃，研究者更关注通风的规律和机制、如何构建准确的数理模型等问题，而对如何将通风评估与城市规划对接的研究尚处于起步阶段。究其原因，将专业的风环境信息转化为规划师和管理者能够理解和应用的“规划语言”具有相当的难度，城市通风与规划相结合的手段还有待进一步完善。二者对接的主要难点如下。

一是迫切需要找到切实可行的方法，将城市形态和规划信息准确转换成城市风环境评估需要的参数，使通风评估数据准确体现来自城市的影响。由于城市规划领域常用的是建筑密度、建筑高度、容积率、建筑体型等信息，且城市和建筑形态千差万别，空间分布不均匀性显著，因此转换成风环境参数具有一定的困难。

二是需要探索城市形态和规划信息与城市风环境之间的科学关系和相互影响规律，根据热舒适等要求，确定在不同气候条件下高密度城市规划指标的合理阈值，以切实参与和指导规划的制定。

三是需要为规划师提供一些简便的通风评估方法，以使他们在没有专业的通风评估工具时，仍然能够在方案设计和政策制定中考虑风环境的可能影响。

目前研究者针对这些难点开展的对接研究主要有城市形态参数、城市气候图等方向。

3.1 城市形态参数研究

基于气候的城市形态参数指标主要有城市表面粗糙度、零平面位移、可视天空系数、迎风面积比、街道高宽比等。这些指标均是空气动力学和热力学领域的重要参数，同时与地形地貌、土地利用性质、建筑密度、高度、容积率等城市规划信息也紧密联系，是城市气候与规划设计对接的重要桥梁。丁沃沃等梳理城市形态、城市微气候的研究进展后指出：建筑学领域对城市气候进行研究的关键问题是“针对千变万化的城市形态进行有效的数据表征与描述”，方法是“城市肌理形态的图示理论模型”和“城市物质空间的数据化表述”[21]。

T. R.Oke是较早开展城市形态参数与气候关联研究的学者之一，他针对北美和欧洲的城市规模、人口、形态参数等要素与城市气候之间的关系开展研究后，提出了街道高宽比、可视天空系数与城市热岛强度的换算公式，还总结城市人口规模、风速和城市热岛强度之间的关系，提出城市热岛强度大致与当地风速的平方根成反比关系[21]。随着GIS（地理信息系统）的广泛应用，对城市物质形态进行数据化的表述逐步具有了可行性，不少学者开始利用GIS的参数化方法对高精度城市地形地貌和建筑形态进行分析，总结形态参数与风环境之间的关系。T.Gal以匈牙利赛格德一个大面积区域为例进行研究，根据3D建筑数据库，利用高精度粗糙度参数图法发掘大都市通风廊道，检测出的城市通风廊道可在城市热岛环流中起到显著减弱城市中心区空气污染的作用[22]。C.Ratti等利用伦敦、图卢兹和柏林的城市地形高程数据（DEM）和图像数据处理技术计算城市街谷高宽比、粗糙度和可视天空系数，讨论了这些参数和城市通风能力之间的关系[22]。吴恩融通过高精度迎风面积密度（Frontal Area Density）地图评估城市粗糙度，来发掘香港高密度城市地块的通风潜力，并评估了可视天空系数的合理阈值。该成果被成功应用到香港《城市空气流通评估指南》中，直接指导了香港的城市规划实践[23-24]。

图7 德国柏林2014版城市气候图Fig.7 urban climate map of Berlin, Germany (2014)

3.2 城市气候图研究

城市气候图研究最早于20世纪70年代从德国斯图加特正式开展起来，后逐步扩展到德国及其他国家和地区的不同城市。城市气候图研究最初的目标是为了缓解弱风条件下的大气污染问题，早期的研究手段包括拍摄热成像图、气象站观测及移动现场测量等，综合地形地貌、航拍地图、土地利用规划信息等要素，绘制成气候分析图，区分当地的空气质量和热环境状况，指导土地利用规划和环境规划。1992年起，斯图加特城市气候研究所开始利用GIS绘制不同尺度的城市气候图，内容也从城市气候的各类分析图拓展到气候规划建议图。城市气候图通过GIS系统将城市风环境、热环境、污染状况的实测或模拟数据图与地形地貌、绿地植被、规划信息等相叠加，用分析图表达风流动的模式和阻碍风的建筑物等内容。城市气候规划建议图则给出城市热环境、通风的规划保护、改善的策略建议[25-27]。

城市气候图可以根据规划的需要，制作成区域规划、城市规划等不同的尺度分析图，并将气候数据和现象用规划师及政府容易理解和使用的图示、颜色来表示，使城市气候与规划的协同工作更加便利地进行（图7）。

近年来，城市气候图的数据变得越来越精确，应用范围也越来越广。许多学者不仅采用现场测试、热成像图、气象观测等传统方式，还开始利用风洞实验、中尺度气象模型、CFD耦合模型等更加先进的方式来获取气象数据分布图。研究者绘制的城市气候图分辨率越来越高，城市建筑物的体量、建筑密度等更精确的规划信息也开始被考虑到气候图当中。

4 结 语

目前，中国正处在城市化进程最快的历史阶段，营造良好的城市热环境和风环境是实现城市可持续发展必不可少的重要内容，也成为城市管理者和规划师不可忽视的挑战。目前城市通风的评估方法主要是实地观测、风洞试验和数值模拟技术等，其中CFD耦合模型、WRF中尺度气象模型的应用使很多城市尺度的热环境和风环境规律得以发现，为城市规划实践提供了亟需的、科学的通风评估工具。但各种通风评估工具在规划中的应用尚处于起步阶段，需进一步将之与GIS平台作有效的结合，对接城市规划方案评估和策略制定的需求，进行定量分析，则会有更大的发展。总的来说，促进高密度城市通风、缓解热岛效应和空气污染的工作综合性强、实现难度高、挑战艰巨，除了需要整合城市规划、地理、气候和信息等众多专业和技术之外，还需要推动政府管理、法规、政策、公众等全社会通力合作，才能真正取得令人满意的效果。

参考文献：

[1] 汪光焘, 王晓云, 苗世光, 等. 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[J]. 中国科学（D 辑）, 2006, 35(A01): 145-155.

[2] 黄柏良. 城市通风及其影响城市热岛效应与空气质量研究[D]. 长沙: 中南大学, 2011: 43.

[3] Chen F, Miao S, Tewari M, et al. A Numerical Study of Interactions Between Surface Forcing and Sea Breeze Circulations and Their Effects on Stagnation in the Greater Houston Area[J]. Journal of Geophysical Research,2011, 116(D12): 105.

[4] 张景哲, 刘继韩, 周一星, 等. 北京市的城市热岛特征[J]. 气象科技, 1982(03): 32-35.

[5] Oke T R. City Size and the Urban Heat Island[J]. Atmospheric Environment, 1973, 7(08): 769-779.

[6] Summers P W. An Urban Heat Island Model-Its Role in Air Pollution Problems with Application to Montreal[C]// First Canadian Conference on Micrometeorology, Toronto, 1965: 22.

[7] 村上周三. CFD与建筑环境设计[M]. 朱清宇, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007: 342.

[8] 郑拴宁, 苏晓丹, 王豪伟, 等. 城市环境中自然通风研究进展[J]. 环境科学与技术, 2012(04): 87-92, 194.

[9] 寿亦萱, 张大林. 城市热岛效应的研究进展与展望[J]. 气象学报, 2012(03): 338-353.

[10] 袁磊, 辜智慧, 杨晓春. 基于物理环境的规划策略与指引——深圳市绿色城市规划导则专题研究[C]//中国城市规划学会.城市规划和科学发展——2009中国城市规划年会论文集. 中国城市规划学会, 2009: 2023-2030.

[11] 李磊, 吴迪, 张立杰, 等. 基于数值模拟的城市街区详细规划通风评估研究[J]. 环境科学学报, 2012(04): 946-953.

[12] 刘淑丽, 卢军, 陈静. 将城市热岛效应分析融入GIS中应用于城市规划[J]. 测绘信息与工程, 2003, 28(04): 48-50.

[13] 陈士凌, 卢军, 陈静, 等. 基于GIS与CFD的多尺度微环境规划——以舞钢市九龙山城市规划为例[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2012, 43(S1): 104-109.

[14] 洪亮平, 余庄, 李鹍. 夏热冬冷地区城市广义通风道规划探析——以武汉四新地区城市设计为例[J]. 中国园林, 2011(02): 39-43.

[15] 李鹍, 余庄. 基于气候调节的城市通风道探析[J]. 自然资源学报, 2006(06): 991-997.

[16] 舒力帆, 孟庆林, 张磊, 张宇峰. 街谷空气温度预测模型的改进研究[J]. 太阳能学报, 2010(12): 1622-1627.

[17] 赵敬源, 刘加平. 城市街谷热环境数值模拟及规划设计对策[J]. 建筑学报, 2007(03): 37-39.

[18] 王振, 李保峰. 微气候视角下的城市街区环境定量分析技术[C]// 中国城市科学研究会、中国绿色建筑委员会、北京市住房和城乡建设委员会. 第六届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集. 北京: 中国城市科学研究会、中国绿色建筑委员会、北京市住房和城乡建设委员会, 2010: 5.

[18] 邹经宇. 风自悠然水自清——城市多尺度通风体系及水循环体系的应用研究[J].新建筑, 2008(02): 8-13.

[19] Lopes A, Lopes S, Matzarakis A, et al. The Influence of the Summer Sea Breeze on Thermal Comfort in Funchal (Madeira): A Contribution toTourism and Urban Planning[J]. Meteorologische Zeitschrift, 2011, 20(05): 553-564.

[20] 蒋维楣, 王咏薇, 刘罡, 等, 多尺度城市边界层数值模式系统[J]. 南京大学学报（自然科学版）, 2007, 43(03): 221-237.

[21] Gal T, Unger J. Detection of Ventilation Paths Using High-resolution Roughness Parameter Mapping in a Large Urban Area[J]. Building and Environment, 2009, 44(01): 198-206.

[22] Ratti C, Di Sabatino S, Britter R. Urban Texture Analysis with Image Processing Techniques: Winds and Dispersion[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2006, 84(01): 77-90.

[23] Ng E, Yuan C, Chen L, et al. Improving the Wind Environment in Highdensity Cities by Understanding Urban Morphology and Surface Roughness: A Study in Hong Kong[J]. Landscape and Urban Planning, 2011, 101(01): 59-74.

[24] Yuan C, Ng E. Building porosity for better urban ventilation in high-density cities–A computational parametric study[J]. Building and Environment, 2012, 50: 176-189.

[25] 任超, 吴恩融, 冯志雄. 城市环境气候图的发展及其应用现状[J]. 应用气象学报, 2012, 23(05): 593-603.

[26] 刘姝宇, 沈济黄. 基于局地环流的城市通风道规划方法——以德国斯图加特市为例[J]. 浙江大学学报（工学版）, 2010, 44(10): 1985-1991.

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

图片来源：

图1-6：作者绘制

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

（编辑：郑曦）

* 国家自然科学基金资助项目（51308087）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

（DUT13RW306）

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150605

中图分类号TU119；TU984

文献标识码B

文 章 编 号2095-6304(2015)06-0019-05

收稿日期：2015-11-10

作者简介

郭 飞： 大连理工大学建筑与艺术学院，副教授，guofei1209@126.com

祝培生： 大连理工大学建筑与艺术学院，教授

段栋文： 大连理工大学建筑与艺术学院，硕士研究生

王时原： 大连理工大学建筑与艺术学院，教授

张鹤子： 大连理工大学建筑与艺术学院，硕士研究生

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