关于加强城市风环境规划研究的思考

张 明＊，胡 耘，徐静馨，杭 建，李 娟，田文鑫，赵秀勇

（1. 国电环境保护研究院有限公司，国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室，江苏南京 210031；

2. 中山大学大气科学学院，广东珠海 519082；3. 南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京 210093）

随着我国城市化进程加快，高密度建筑和人口拥挤成为城市典型特征，并伴随着高能耗和高污染等负面影响，“雾霾效应”“热岛效应”“湿岛效应”等环境问题频发，与理想中的生态宜居城市空间背道而驰[1,2]。城市风环境特征影响城市的空气质量、居住舒适度以及建筑能耗等诸多方面，其作为城市微气候和微环境的重要影响因素得到了建筑和城乡规划领域越来越多的关注和研究，对城市可持续发展具有重要意义[3,4]。

20 世纪70 年代，德国最早开始尝试城市风环境研究，随后欧美许多发达国家也相继开展了相关研究[5-8]。近年来，我国一些大城市和发达区域借鉴国外风环境评估经验开展了风道规划专项研究[9]，主要通过观测和模拟的方法研究调整城市规划布局和建筑形态来改善城市内部的自然通风，创造适宜的城市通风环境。然而研究区域和研究方法的差异性造成现有的城市风环境研究成果呈多元化特征，尚未形成较为统一的理论，也未形成系统的标准化工作[10]。本文尝试在对国内外城市风环境规划研究技术和进展总结的基础上，结合我国城市风环境规划管理现状，提出城市风环境规划研究的意义，发现存在的问题和困难，提出推动我国城市风环境规划系统研究和实践的思考与建议。

1 发达国家和地区的研究实践进展

1.1 城市风环境规划研究与应用取得显著成绩

国外对于城市风环境规划的研究开展相对较早，在建筑单体、建筑群、街区和城市尺度的通风方面均有较广泛的研究，并在实践中形成了诸多成功案例[11,12]。德国是最早开始城市风场与污染控制研究的国家，研究历史可追溯至1937 年Peter Albert Kratzer 撰写的《城市气候学》一书，至今，德国城市气候研究与应用已经在国家、区域、城市、街区及建筑项目五个层面的空间规划中得到了很好地开展，气候图集作为气候空间分析的信息平台得到了广泛应用。德国斯图加特市风道规划堪称城市尺度通风应用研究的典范之作，斯图加特城区曾被冠以德国“雾都”，自20 世纪90 年代开始，斯图加特市开始了大规模的城市风环境研究，并将研究结果切实应用于指导区域、城市和城区的空间规划，通过制定《山坡地带规划框架指引》，设置风道连接周边山坡地、绿地、林地和城市建成区，基于气象环境信息指导城市合理开发和建设，有效地提高了空气流动，使斯图加特市由德国“雾都”变成了民众趋之若鹜的“疗养胜地”[12]。日本是亚洲区域最早开展城市风环境研究工作的国家，自20 世纪90 年代，日本借鉴德国城市的经验开始城市风环境的研究与应用，东京市由于人口众多、地形、气象和城市形态复杂、地理及经济重要，在日本被作为典型区域开展城市风环境研究。东京市的风环境研究侧重于利用通风廊道减缓城市热岛现象，结合区域海陆风场特点，对城市规划提出风道分级管理，考虑城市与海、山林、绿地等区域性新鲜空气源的连接，建立主风道使新鲜空气可以流入城市腹地，再利用城市内部河流、绿地、街道、建筑物之间的空隙建立毛细“风道”，实现空气的有效流通[13]。香港是我国最早开展风环境研究及应用的城市，从2000 年开始，特别是2003 年香港爆发非典型性肺炎（SARS）事件后，香港的城市通风问题受到了前所未有的关注，由此开始了一系列的城市空气流通研究，研究的重点在于如何利用风环境评估改善香港城市发展的宜居性和可持续性，经过10 余年的应用与实践，香港已经迅速的发展了一套较为成熟的空气流通评估方法和法规[14]。

1.2 城市风环境管理体系和标准已经逐步建立并有效实施

随着城市风环境研究开展的深入以及此项工作对城市规划指导意义的显现，部分发达国家和地区已逐步将风环境评估纳入管理体系，并制定了相关导则和技术标准。20 世纪90 年代，德国工程师协会制定了《环境气象》（VDI3787），明确了城市风环境评估及指导规划的方法[15]。2004 年，日本政府环境省颁布了《热岛效应的措施宪章》，国土交通省发布了《缓解热岛效应的建筑设计》，建立了建筑环境综合评价体系（CASBEE），并将城市通风和建筑通风纳入到上述评价体系中[16]。2006 年，香港《规划标准与准则》的“城市设计指引”部分增加了城市空气流通设计内容[17]，同年制定了《空气通风技术指南》，要求所有符合技术通告要求的政府项目都要进行空气流通评估，以免对城市风环境、特别是行人风环境产生不利影响。日本、加拿大、澳大利亚等发达国家也制定了各类风环境评估的标准，并不同程度的纳入了城市规划管理中。

1.3 技术手段的飞速发展使精细规划城市风环境成为可能

城市风环境的研究最早起源于城市气候的研究，目前形成了实地测量、风洞实验和计算机数值模拟等三种主要方法。1930 年，欧洲气象研究者最早通过实测发现了近地面产生由郊区吹向城市的热岛环流，此后，欧美的气象学者通过移动观测技术来研究城市风、温状况，随着城市规划要求的提高，逐渐将相关技术应用到建筑群和大型单体建筑的风环境研究中。进入21 世纪，日本和我国香港地区都开展了大量的风环境实地测量，测风技术和手段日趋成熟。从20 世纪60 年代起，风洞实验技术逐渐应用到城市风环境研究中，发展出了热线风速仪、热膜风速仪、脉冲线式风速测定法和激光多普勒测速仪（LDV）等“点”测量技术，可以对流场特性进行精确地逐点测量，并进一步发展了Irwin 探头、刷蚀技术、红外成像和粒子图像测速（PIV）等“面”测量技术，可以更全面的提供大区域空间流场连续信息，获得丰富的流场空间结构以及流动特性[18]，在城市室外风环境的模拟上具有很大的优势。RWDI 公司、加拿大西安大略大学、日本建筑学会等机构开展了大量的风环境风洞实验研究，我国香港地区将风洞实验技术列入《香港空气流通评估技术指南》的推荐方法。近年来，数值模拟仿真（CFD 技术）发展迅速，由于其具有友好的人机界面和数据读取方式，便于精细模拟不同地形地貌、来风条件和建筑形态下的风环境，宏观尺度可以模拟几十公里区域整体风环境，微观尺度可以模拟单体建筑风环境，自20 世纪90 年代后期逐渐应用到城市风环境的研究中。CFD模拟的准确性很大程度上取决于湍流模型的选择，k-ε 模型、RNG k-ε 模型、大涡模拟（LES）等湍流模型都在城市风环境模拟中得到了应用和发展[19]。风环境观测和模拟技术的提高，使各种尺度的风环境模拟成为可能，也为开展更深入细致的风环境规划和研究提供了重要的技术支撑，同时也是未来城市风环境技术研究的重点方向。

2 我国城市风环境规划研究仍处于起步阶段

2.1 国内发达地区已初步开展了城市风环境规划研究

20 世纪80 年代初，我国曾有一些气象学家呼吁在城市规划中考虑气象条件和大气污染问题，由于我国城市化进程远远快于城市气象学科的发展，20 世纪几乎所有的城市建设都未考虑风环境的因素。我国城市尺度风环境规划起步于本世纪初，至今仍处于初步探索阶段，风环境规划与城市规划实施的结合尚不够紧密。自2010 年，在地方政府主导下，长沙、武汉、杭州、南京、福州、北京等大型城市相继开展了城市尺度的通风廊道研究（表1）[20]，并不同程度地将相关成果应用于城市规划中。整体而言，对于已完成的城市风环境规划项目，虽然取得了一些成果，但由于是探索性的工作，缺乏实际的经验，导致规划的深度及可操作性还存在不足。由于缺乏制度保障，相关的风道保护和规划要求落实难度较大。风环境规划与城市生态规划、绿地规划及城市总体规划的衔接性较差，“多规合一”缺乏接口。

近年来，在街区和单体建筑尺度风环境研究方面，我国学者也利用风洞技术和CFD 数值仿真等流体分析方法开展了一些有意义的工作（表2）。研究方向主要集中在街区布置、群体建筑排列对于区域风环境的影响、街道峡谷不同高宽比情况下内部涡流研究、外部风向与建筑群体布局的协调性、单体建筑结构设计对风舒适性的影响，以及风环境风洞实验技术方法和数值模拟技术方法、湍流参数化方案适用性等方面的比对研究。整体而言，由于城市规划对于通风重要性的认识不足，以及规划、建筑、气象和环境等学科的割裂，系统性、深入性和持续性的风环境规划研究明显不足，政府在相关方面研究的投入偏少。

我国对于风环境的研究更多地集中在城市规划和建筑对于风场的改变方面，而对于与人体舒适度密切相关的风环境评价指标体系的研究相对较少。风环境评价指标体系方法主要包括相对舒适度评价法，风速概率统计评价法和风速比评估法等，主要从人体感受和风速变化两个方面来评估风环境。自20 世纪70 年代以来，国际上先后提出了Penwarden 准则、Davenport 准则和Lawson 准则等，将人体感受行人高度的合理风速范围以及偏离该风速的可接受频率进行细化、分级，并作为风环境评估的主要依据。对于不同人种而言，不同等级的风速与人体舒适度感受关系并不一致，国外相关准则均建立在大量气象条件与适应人群舒适度关系试验研究的基础上，而目前我国这项工作基本处于空白。

表1 国内城市风环境规划实践及其成果

表2 国内主要风环境研究实践及其成果

2.2 管理要求和标准尚不系统

我国目前的风环境工作更多地集中在研究层面，2010年后，长沙、武汉、北京等发达地区先于国家层面开始了一些应用和管理层面的尝试，主要包括城市风环境专项规划、城市气候图、通风廊道规划等。2010 年，长沙市制定了《长沙市城市通风规划技术指南》，按照城市总体、商业区、居住区和工业区分别给出了规划技术措施。2018 年，南京发布了《南京市建筑设计导则（试行）》，提出了“规模较大或密度较高等可能造成较大通风影响的建设项目应进行风环境研究；建筑密集、高度划一区域内或其邻近位置进行项目开发时，应做专项的通风模拟评估”的要求。在国家层面，2015 年，中国气象局发布行业标准《城市总体规划气候可行性论证技术导则》，将人体舒适度和小风区面积作为重要评估指标。2016 年，国家发改委和住建部发布《城市适应气候变化行动方案》，要求“打通城市通风廊道，增加城市的空气流动性，缓解城市热岛效应和雾霾等问题”。2018 年，中国气象局发布行业标准《气候可行性论证规范 城市通风廊道》，意味着我国首次出台以通风规划为目的的行业标准。

整体而言，现阶段我国涉及城市通风的法律文件分布在气象、环保、规划、建筑等各领域，较为分散，在业务归属方面并不明晰，管理体系并不清晰。在城市规划的实践过程中，气象部门较少参与到城市规划的编制中，生态环境部门虽然通过规划环境影响评价在影响总体规划，但也难以涉及到详细规划层面，且几乎不涉及风环境规划内容。“城市风环境”评估与规划标准还不系统和明确，导致城市和地方管理部门在“通风廊道专项规划”和“风环境评估”等工作中无章可循，技术路线和侧重点不清晰，效果难以保证。即使少数城市已经率先开展了风环境研究规划尝试，但是风环境与城市规划的最终实施并没有很好的结合，指导和约束作用有限。

3 加强城市风环境规划研究的必要性日益凸显

3.1 优化风环境可以改善城市大气环境和气候

随着城市密度加大和范围的扩张，其特殊下垫面和人类活动造成的空气污染和热岛效应等问题逐渐显现[27]。城市近郊工业生产及交通产生大量的废气和废热排放，对居民健康和环境质量构成不利影响。风对城市大气污染和气候的改善具有重要作用，城市无风或静风时，大气流动困难，热岛环流形成的穹隆形尘盖，阻止污染物向外扩散稀释，易发生大气重度污染。通风是缓解城市大气污染，打破城市热岛环流，提高自然净化水平的主要因素。

3.2 优化风环境可以提高城市宜居舒适度

城市空间内因建筑布局、街道走向、开敞空间分布等不同均会造成日照、温度、湿度和风速风压的差异，从而引起局地高温干燥及“高楼风”现象，使城市居住的舒适性下降[22]。通风是改善城市环境质量的重要途径，利用城市自然或规划的绿地、河流、湖泊等大型冷湖区域对城市的组团进行分隔，形成“林源风”“河风”“湖风”等新鲜风源[28]，合理规划生态用地，采用环状复合式景观布局增加城市绿色基础设施的面积，优化内部微气候[29]。通过引入通风廊道的作用空间、补偿空间和空气引导通道，使其与城市建筑区域之间形成循环风，引导城市内外空气交换，促进气体流动和热量疏散，可有效改善城市局地空气质量，稀释污染，降低夏季高温闷热，提高居民环境宜居舒适度[30]。

3.3 优化风环境可以预防城市空气流行病

空气流行传染病易在密不透风，人口稠密的城市地区蔓延，病菌在封闭空间内循环流动，容易繁殖滋生[31]。因静风条件频发的雾霾天气也易引发人体呼吸系统疾病，造成人体生理功能的不适。通风对城市空气流行病防治亦具有重要作用，增大城市内部风速和不断补充城外新鲜清洁空气，可使病菌加速死亡，污染物难以大量堆积，有效控制空气流行病传播和人体有毒细颗粒物吸入，非典型肺炎传染和防治的历史经验就证明了这一点[32]。

3.4 优化风环境可以降低城市能耗

建筑能耗是城市能耗的重要组成部分，约占社会总能耗的30%[33]。冬季降低风速可以减少建筑表面的热散失，夏季增加风速可促进建筑散热和通风优化，城市高热环境可导致城市能耗增大，供水供电紧张。因此，合理的规划风环境有利于降低建筑能耗，进而控制城市耗能，改善城市热环境，向生态低碳城市发展。

4 推动我国城市风环境规划研究的建议

4.1 明确主管部门职能，建立协调机制

城市风环境是典型的气象、环境、规划相互融合的交叉学科。因此，城市风环境规划工作的推进需要政府各相关部门的统筹和协同，明确职能，建立协调机制，确保风环境规划与各相关总体规划、专项规划、控制规划与详细规划间的有效衔接与配合。鉴于城市风环境具有典型的跨界工作特征，单一学科背景的管理部门和学术团队往往无法完成如此复杂的工作，应推动多部门协同和跨学科人员合作。

4.2 积极推进多尺度的风环境规划工作，建立系统的技术方案

城市风环境从研究尺度可分为城市、街区、建筑群、建筑单体和其他五类。高质量的城市风环境评估与生态通风廊道设计规划需将城市自然地貌、大尺度区域规划和小微尺度的建筑形态设计有机结合，从而形成有效的城市“呼吸系统”。区域尺度风环境规划需要在了解自然地形地貌及盛行季风条件的基础上全面挖掘自然通风潜力，从而合理规划产业功能及区域人口密度。城市总体规划基于区域规划，需从宏观层面全面评估城市可利用的风资源，将风道与水体、植被、开阔场所等空间有机结合。街区和建筑群尺度的规划受城市总体规划指导，在于约束不同的建筑形态对局部风场的影响，通过改变建筑布局、街道走向等达到优化风环境的目的。不同尺度的风环境规划研究的重点、方法和目的不同，但又互为依托，有效连接不同尺度工作，形成层次分明、重点突出的技术路线和预期成果，对于积极推进合理、有效、具有可实施性的城市风环境规划工作具有重要的意义。

4.3 尽快开展风与人体舒适度关系研究，建立风环境规划控制体系和评价标准

我国应尽快开展不同区域气象条件与人体舒适度关联研究，在此基础上建立系统的风环境评估体系，形成风环境设计优化的技术路线，用于指导城市形态、功能分区、路网设置、通风廊道、建筑结构等设计，这将有利于促进城市局地风微循环，有效改善城市气候环境。在技术成熟时，进一步将风环境控制体系提升至技术规范层面，将风环境评估工作纳入行政管理的层面，对于指导城市总体规划审慎决策、科学实施，全面提升城市规划品质将具有重大意义。

4.4 构建多学科协作机制，促进交叉学科发展

城市风环境规划研究还需要宏观上加强多学科的合作研究，气象、环境、规划、建筑、景观、结构等许多学科都在将城市风环境作为方向加以研究，综合考虑“城市·气候·风环境·人·建筑”的相互影响与制约，建立综合交叉的研究体系，将有利于共同促进城市环境的优化发展。从长远看，城市风与环境质量、生物多样性、流行病理学、低碳城市建设等关系的研究都是应该关注的一些方向，也是提升城市人居友好的基础路径。促进风环境交叉学科的发展，才能使城市发展和良好的环境建立起平衡协调的关系，以确保城市的健康高效运转。

5 总结与展望

我国正处于高速城市化的阶段，城市的发展和扩张给生态环境带来了巨大的压力。国外实践经验表明，改善城市通风，对于缓解雾霾、热岛，提高城市生活品质具有重要意义。我国已经在少数城市开展了有益的风环境研究尝试，获得了一些技术成果和管理经验。展望未来，主管部门的通力合作，学界的跨学科融合，城市规划和管理工作者的切实应用，有效的标准规范体系，都是推动城市风环境工作向更协作、更成熟、更系统及更实用方向发展的必由之路。