基于WRF模式的长株潭城市群绿心通风廊道规划策略研究

莫尚剑

沈守云

廖秋林*

数据显示，2019年中国人口城镇化率超过60%这一关键节点，预计在2030年这一数值会达到75%～80%[1]。城镇化进程的加快在推动经济发展的同时也引发了严峻的环境问题，特别是城市热岛效应和雾霾现象近年来对城市居民健康和城市安全造成了威胁。一方面是由于城市面积扩大，人口增多致使人为活动产生的热量及排放的温室气体和气溶胶增加；另一方面，在城市开发与建设过程中，包括反照率、粗糙度和热导率等下垫面特性的改变导致风阻效应和热岛效应增强。热岛会使城市流场复杂化、整体通风能力下降、增加静风和小风频率，不利于城市污染物扩散[2]。而通风廊道建设可以通过促进城市空气循环改善城市通风环境，发挥舒缓夏季热岛效应、降低冬季采暖期雾霾发生频率的作用[3]。

近年来在风景园林视角下，诸多学者提出了通过绿色开放空间的构建，组成促进城市内外空气交换的通风廊道概念，例如楔形绿地、绿廊和绿色风廊等。相关研究表明，不同城市绿地根据其特性的差异会对城市风环境产生不同程度的影响，影响要素包括绿地的面积、布局、绿化覆盖率和植物类别等[4-5]，如位于上风方向的绿地能显著降低城市的热岛效应[6]。城市的开放空间根据形态差异分为不同类型，可针对其边界形态提出风环境优化策略[7]。这些研究中使用的数据主要来源于不同历史时期的遥感影像和气象观测资料，如何将该类资料的客观性与数值模型的时间、空间模拟优势结合起来，已成为城市大气环境模拟研究的热点方向之一。

WRF(Weather Research and Forcasting Model)是由NCAR、NECP等科研机构联合研制的中尺度天气预报模式和同化系统[8]。它的开发为理想化的大气动力学研究、局地气候模拟，以及全物理过程的数值天气预报和空气质量预报提供了一个通用的模拟框架。该模式使用高度模块化和分层设计方法，具有可移植、易维护、方便扩充等诸多特性，特别是在驱动层可根据研究侧重的需求选取不同的物理参数化方案及组合方式，提高模拟计算的速度和准确性。随着系统的不断更新，数据同化方法逐步完善，在WRF模式中允许使用者编译并替换下垫面地理信息数据，使探究未来城市发展对区域气象要素的影响成为可能，为国土空间规划提供新的思路和方法。

图1 模拟区域和气象站位置分布示意

1 资料和方法

1.1 研究区概况

根据《湖南省长株潭生态绿心地区总体规划(2010—2030)》中对绿心范围的界定，长株潭城市群绿心位于湖南省中东部，地处长沙、株洲、湘潭三市交界的三角地带，面积约523km2。其中部地势高，向东西两侧地势逐渐降低，主要地貌类型包括低山丘陵和谷底平原。湘江由南向北纵贯株洲、湘潭、长沙三市。绿心地区气候属亚热带季风性湿润气候，春湿多变，夏秋多睛，严冬期较短，暑热期较长。绿心多年平均气温约16.8℃，夏季盛行偏南风，冬季盛行偏北风。

1.2 数据来源

土地利用数据采用的是MODIS数据中植被指数产品MCD12Q1，空间分辨率为500m，其覆被类型按照IGBP的标准分为20类。由于历年遥感影像显示长沙、株洲、湘潭3座城市的边界在2013年逐渐发展扩张至绿心区域内，因此本文选取2012年的MODIS数据。规划方案资料来源于《长株潭城市群生态绿心地区总体规划》中空间规划管制部分内容。气象背景场数据使用NCEP三阶段的再分析大气资料，其分辨率为1°×1°，包含26个标准等压层(10～1 000hPa)、对流层和地表边界层的要素信息。气象观测资料是长沙马坡岭、株洲、湘潭三地的国家基本气象站观测统计的地面2m高温度(统称近地面温度)数据。

1.3 研究方法和试验设计

1.3.1 数据预处理

本研究使用WRF3.6.1版本，模拟区域采用3层网格嵌套，其中心经纬度为28.06°N、1 1 3.0 5°E，水平分辨率为1 2.5、2.5、0.5km，网格数分别为78×78、108×108、155×155，垂直方向取27层，顶层气压为100hPa(图1)。选取夏季和冬季晴天进行模拟，考虑2013年1月长株潭城市群区域表现为持续的阴雨天气，因此相应的FNL资料时段为2013年7月25日0：00—26日0：00，以及12月27日0：00—28日0：00。模式选取的物理参数化方案包括Lin微物理过程参数化方案、Kain-Fritsch积云对流参数化方案、Goddard短波辐射方案、RRTM长波辐射方案、Noah陆面过程模式，以及YSU边界层方案。

在WRF预处理系统中修改下垫面土地利用数据，具体处理方法如下：首先将遥感影像中城市区域和2012年MODIS土地利用数据转换成格点文件并将2种数据叠加；将其输入GIS平台中进行投影变换，选取需要替换的土地类型，重新采样和插值并转换格式；使用ASC格式文件输入WRF模式，运用write_geogrid程序，将修改后的土地主导类型(LU_INDEX)和是否为水体(LANDMASK)替换原有数据，制作索引文件后进行模拟计算[9]。

1.3.2 模拟试验方案设计

根据长株潭城市群绿心规划中空间管制分区内容，将绿心地区划分为建设协调区、一般限制开发区、严格限制开发区和禁止开发区4种类型。情景1是在MODIS数据基础上根据城市群2013年实际发展情况修正后的初始方案，此方案中长沙、株洲、湘潭3座城市刚扩张至绿心边界，绿心基本处于原始未开发状态；情景2是将建设协调区域和一般限制开发区的土地利用类型修改为城镇和建设用地；情景3是在情景2的基础上将严格限制开发区域也替换为城镇和建设用地，后2种情景分别对应绿心内城市化发展的一般情况和极限情况。试验均使用相同的WRF模式参数进行设置，绿心内开放空间格局的变化作为3组试验中唯一的变量(图2)。城镇和建设用地面积在3个情景中分别为24.5、103.5和274.25km2，分别占绿心总面积的4.68%、24.47%和52.43%(表1)。

1.3.3 模拟结果检验

提取长沙马坡岭气象站、株洲气象站和湘潭气象站近地面10m高风速的逐小时气象观测数据与初始方案，即情景1的模拟结果中气象站坐标区域风速进行对比分析，计算模拟值与观测值的偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)和相关系数(R)，计算公式如下：

检验结果表明，WRF模式在2013年7月25日和12月27日的温度模拟结果可以较好地反映研究区域10m高风速的实际情况，模拟精度满足相关统计验证要求。长沙和湘潭气象站的模拟值与实测值较为接近，株洲气象站2组数据的偏差值和均方根误差值相对较大。产生误差的原因可能包括3个方面：1)气象站点坐标和模拟区域取值坐标之间的误差；2)模拟时间取值不同，模拟输出数据为瞬时输出数据，而气象站观测数据为小时平均数据；3)WRF模式模拟计算过程中的误差(表2)。

2 WRF模拟结果分析

2.1 日平均风速对比分析

从3个情景风速模拟结果中提取每小时的风速数值，计算得到日平均风速。在夏季晴天，主导风向为南风和东南风，情景1中绿心区域风速与周边差异较小，其中部和西部风速较低，为2.8～3.2m·s-1。城市区域风速低于周边地区0.5～1.0m·s-1，3座城市之间的风速差别较小，风速都在2.8～3.4m·s-1。随着城市用地面积的增加，模拟区域日平均风速呈下降趋势，风速变化主要集中在绿心范围内，部分地区风速下降0.5～1.0m·s-1，长沙市南侧和北侧风速下降0.1～0.3m·s-1(图3)。

冬季晴天主导风向为东北风，情景1中绿心风速较快，大部分区域风速为3.0～4.5m·s-1。城市风速明显低于周边地区0.5～1.0m·s-1，3座城市中长沙市平均风速相对较低，为2.5～3.0m·s-1，湘潭市其次，风速为2.8～3.0m·s-1，株洲市最高，风速为3.0～3.5m·s-1。情景2和情景3中日平均风速呈下降趋势，模拟区域最高风速降低0.6m·s-1。绿心风速变化明显，风速高于3.5m·s-1的区域面积明显缩小。城市风速变化主要出现在湘潭市区和株洲市西北侧邻近绿心地区，风速降低0.3～0.5m·s-1(图4)。

图2 不同情景主要用地类型分布

图3 2013年7月25日不同情景日平均风速分布

图4 2013年12月27日不同情景日平均风速分布

2.2 绿心自然通风潜力分析

在长株潭城市群绿心中构建通风廊道需要对研究区域进行全面的风环境评估，宏观地挖掘城市周边补偿空间的位置及其潜在可利用的风系统和环境系统。绿心风场的模拟结果显示，随着城镇和建设用地面积的增加，绿心内空间格局变化使主导风下风方向的城市风速出现一定程度的下降。城市风速降低可能加剧热岛效应和空气污染问题，特别是在小风和静风环境下。而在强劲的风环境背景下，城市效应对气象要素的影响较为微弱，而在天气背景较为稳定的小风环境中，下垫面改变对气象要素的影响较为明显[10]。因此提取绿心初始状态下即情景1的风场模拟结果，选取模拟区域平均风速相对较低时的风场进行通风潜力分析。

7月25日8：00的风向为南风，模拟区域风速在5.5m·s-1以内。城市风速明显低于周边地区，为2.0～3.0m·s-1。绿心范围内风速相对较高的区域分布在湘江沿岸地区及绿心外围与城市邻近地带，风速为4.0～5.0m·s-1。14：00模拟区域风向为东南风，风速为1.2～5.2m·s-1，城市风速为1.6～2.4m·s-1。绿心东南侧与北侧部分区域风速相对较大，风速为3.5～4.2m·s-1，其余地区风速为2.2～3.5m·s-1。可以看出南风和东南风经过城市群地区，受城市空间挤压，在下风方向城市周边出现明显的加速区域，尤其是在长沙市东西两侧，风速高于市区1.0～3.0m·s-1。在南风条件下，由于绿心东南部分和北侧部分地区土地利用类型主要为裸地和耕地，其下垫面粗糙程度较低，对区域风的流动阻力较小，因此湘江沿岸及长沙市南部地区通风性能相对东南风时更好。在湘潭市和株洲市中间地带，由于城市狭管效应，风速较快(图5)。

表1 不同情景土地利用类型面积变化(单位：km2)

表2 10m高风速模拟值与观测值验证统计

12月27日2：00模拟区域风向为东北风，风速为2.0～6.0m·s-1。由于城市温度较高，气压相对较低，风在经过城市区域时速度增加，风速略高于周边地区，风速为3.0～4.5m·s-1。20：00模拟区域风速为1.0～4.0m·s-1，风向为东北风。城市风速与附近区域差异较小，风速为2.0～3.0m·s-1，株洲市北部风速较大，达3.5m·s-1。绿心外围与城市相邻地区风速较大，在东部和北部裸地和耕地用地集中区域风速为3.0～4.0m·s-1。湘江风速明显高于模拟区域中的其他地区，在2：00绿心南部湘江地区风速超过10.0m·s-1，8：00高于6.0m·s-1。从绿心范围内湘江风速分布情况可以看出，当风向与湘江走向平行或二者夹角较小时，风速较其他区域大，主要体现在湘潭市东北侧湘江段，以及湘潭市与株洲市中间地带湘江段(图6)。

图5 情景1中7月25日8：00(5-1)与14：00(5-2)风速分布

图6 情景1中12月27日2：00(6-1)与20：00(6-2)风速分布

图7 优化方案通风廊道构建示意(7-1 夏季；7-2 冬季)

3 通风廊道规划策略

3.1 构建通风廊道

城市通风廊道一般是在城市边界设置通风口，以大型空旷地带连接建成的绿色生态廊道，其主要由城市道路、绿地、河道及其他非建筑用地组成。而城市快速发展使城市的边界持续扩大，城市的功能布局和景观结构同时处于动态变化之中，所以通风廊道构成要素还应包括市域层面的开敞空间，如城郊的农业生产用地和与城市相邻的林地[11]。依据绿心规划方案，绿心将逐步发展成为大型城市组团内部的绿色开放空间，是不同城市风系统的连通地带。考虑研究区域面积较大，并且是在规划阶段考虑优化城市群的通风性能，因此通风廊道构建策略主要从宏观层面制定，通过调整城市和建筑用地的面积和布局，使绿心内的开放空间能够保持或引导城市群补偿空间的天然气流流向城市地区，同时最大限度地利用绿心自身的自然通风性能，为提高城市内部的热舒适度和空气质量创造有利条件。然而需要注意的是，风场变化具有不同的时间性和空间性，应结合重要的时段和对应的风环境情况综合考虑通风廊道的构建策略。

分析绿心的自然通风潜力时发现，在冬季、夏季主导风向下，当风速较低时，绿心内通风性能较好的区域主要分布在湘江地区、土地利用类型为裸地和耕地地区，以及湘潭市和株洲市中间地带。因此通风廊道构建策略是在敏感性试验情景3的基础上，调整绿心范围内新增城镇和建设用地的面积与布局，在保证通风廊道与绿心外部补偿空间连通性的前提下，使通风性能较好的区域能够在主导风向上相互串联形成通风廊道，减小绿色开放空间格局变化对城市群风环境的影响。在夏季主导风为偏南风的情况下，在绿心范围内构建2条通风廊道。一条由湘潭市和株洲市的连接区域进入，通过湘潭市东侧至长沙市南部湘江周边地区；另一条在株洲市西侧与其北侧新增城市区域之间，通过绿心中部到达长沙市西南边界。在冬季主导风为西北风时，设置2条通风廊道，一条从长沙市东部耕地集中地区进入绿心，沿长沙南部边界至湘江株洲段位置；另一条由绿心西北角开始，沿绿心东侧边界及株洲市北侧到达湘潭市与株洲市湘江地区中间地带(图7)。

3.2 通风效果检验

根据通风廊道构建策略，在情景3的土地利用格局基础上建立一个城市群风环境优化方案。将新增城镇和建设用地中通风潜力相对较好地区的用地类型转变成初始用地类型，使用与敏感性实验相同的参数设置，输入WRF模式模拟计算检验通风廊道的通风效果。优化方案中绿心范围内城镇和建设用地面积相较情景3下降了20.8%，为57.25km2。对比分析优化方案与情景3在风速较低情况下的风速模拟结果，7月25日，用地类型转变的区域风速显著提升。8：00主导风向为南风，绿心中部及北侧部分地区风速略微提升，下风方向包括长沙市区东部的风速上升约0.2m·s-1。14：00主导风向为东南风，模拟区域东部和绿心内部分地区风速最高提升0.3m·s-1。在绿心北面，长沙市内的带状区域风速提升0.1～0.3m·s-1(图8)。

12月27日主导风向为东北风，2：00绿心内土地利用类型变化的区域风速下降最高达1.3m·s-1，绿心中部及东南边界风速略微提升。下风方向湘潭市内部分地区风速略微提升约0.2m·s-1。株洲市西北部风速提升较为明显，为0.3～0.5m·s-1。20：00用地类型转化的区域风速明显下降，绿心内大部分地区风速略微上升约0.1m·s-1。下风方向湘潭市部分地区风速提升0.1～0.2m·s-1，株洲市提升较为明显，提升幅度为0.2～0.3m·s-1(图9)。

图8 7月25日8：00(8-1)和14：00(8-2)优化方案与情景3风速差值分析

图9 12月27日2：00(9-1)和20：00(9-2)优化方案与情景3风速差值分析

4 结论与讨论

本文根据长株潭城市群绿心规划方案中绿心不同程度城市化发展情况，修改下垫面土地利用数据，设置多情景试验方案。使用WRF模式进行绿心开放空间格局变化对城市群近地面风场影响的敏感性模拟试验，通过分析风速模拟结果提出绿心通风廊道构建策略并检验其通风效果。研究发现，随着绿心内城镇和建设用地的增加，在夏季晴天，主导风向为东南风的情况下，处于下风方向的长沙市区东部及南部风速降低0.1～0.3m·s-1。在冬季晴天，主导风向为东北风时，处于下风方向的湘潭市区和株洲市西北侧与绿心相邻区域风速下降0.3～0.5m·s-1。绿心内自然通风潜力较高的区域分布在湘江地区、土地利用类型为裸地和耕地类型的区域，以及湘潭和株洲2座城市之间的狭长地带。在风速较低时，通风廊道构建策略为调整绿心内新增城镇和建设用地格局，将通风性能较好的区域在主导风向上连接，并保证绿心与城市群外部补偿空间的连通性。通风廊道能使下风方向城市部分区域风速提升0.1～0.3m·s-1，风速提升范围和分布主要受风向影响。

风景园林专业倡导的“人与天调”思想在通风廊道规划策略中得到充分发挥，利用绿心内开放空间的合理布局改善长株潭城市群的风环境，提升城市在发展过程中应对气候问题和环境问题的能力。但影响城市风场的因素较多也较为复杂，因此本文还有许多不足之处有待完善，在未来的研究中可综合考虑城市的布局形式和城市环境构成要素等方面可能产生的影响，并在宏观确定规划发展策略的基础上，对中观层面和微观层面的规划应用与政策实施进行探讨，例如绿地和自然植被形态控制、建筑和道路形态控制，以及公园与休闲用地分布等。

注：文中图片均由作者绘制。