城市環(huán)境氣候圖編制及應(yīng)用研究范文

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《規(guī)劃師雜志》2016年第10期

摘要：

隨著中國城市化進程的快速推進，城市面臨的氣候環(huán)境問題也越來越嚴重，故針對城市氣候數(shù)據(jù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用展開研究十分有必要。文章針對深圳市南山區(qū)的高密度城市結(jié)構(gòu)、濕熱氣候、沿海地理條件及具體的城市問題，利用GIS平臺進行城市地理信息數(shù)據(jù)的處理，對城市形態(tài)與環(huán)境的關(guān)系進行量化研究，總結(jié)出不同環(huán)境因子對城市環(huán)境的影響，提出南山區(qū)的城市氣候分區(qū)規(guī)劃，并從綠地系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)兩個方面提出專項規(guī)劃建議，將氣候設(shè)計貫徹到具體的規(guī)劃措施當中，希望能為深圳建設(shè)綠色宜居城市提供借鑒。

關(guān)鍵詞：

城市環(huán)境氣候圖；高密度地區(qū)；風(fēng)道；地理信息系統(tǒng)

1背景

全球氣候變化，如地表氣溫逐年升高、極端氣候頻現(xiàn)和海平面上升等，帶來了一系列環(huán)境問題。而城市作為人口和資源最為集中的區(qū)域，對氣候變化的反應(yīng)也最為敏感。這促使人們開始考慮如何通過城市規(guī)劃來使城市能夠應(yīng)對和適應(yīng)氣候。深圳市南山區(qū)位于深圳市西南部，占地面積約為181.9km2，常住人口達129萬。深圳市南山區(qū)建設(shè)集中、建筑密集、人口稠密，使得熱量集中且不易對外擴散，加劇了城市熱島效應(yīng)。在此背景下，開展城市規(guī)劃和城市氣候的相關(guān)性研究與實踐具有十分重要的現(xiàn)實意義。然而，在傳統(tǒng)規(guī)劃的制定和實施過程中，城市氣候環(huán)境往往和規(guī)劃者的決策是割裂的，其中一個重要原因就是沒有一個合適的方法讓規(guī)劃師能夠容易地理解城市氣候環(huán)境和城市形態(tài)間的相互關(guān)系。城市環(huán)境氣候圖由德國學(xué)者[1]于20世紀50年代首先提出，它將城市氣候狀況展現(xiàn)于城市二維空間上，使得規(guī)劃者能夠直觀地理解城市空間形態(tài)和城市氣候條件之間的對應(yīng)關(guān)系。城市環(huán)境氣候圖主要由兩部分組成：城市氣候分析圖和城市氣候規(guī)劃建議圖。城市氣候分析圖由一系列的城市規(guī)劃要素和氣候要素的基礎(chǔ)信息圖層疊加而成，對城市的不同氣候狀況進行評價和分析。城市氣候規(guī)劃建議圖是在城市分析圖的基礎(chǔ)上，與土地規(guī)劃等信息相結(jié)合，提出改善城市氣候環(huán)境的策略和指引，指導(dǎo)城市建設(shè)。德國斯圖加特市首先開始進行系統(tǒng)的城市環(huán)境氣候圖研究，將城市氣候?qū)W的知識應(yīng)用到當?shù)赝恋乩煤铜h(huán)境規(guī)劃當中[2]。在亞洲，日本東京[3]于2000年開展城市環(huán)境氣候圖研究，繪制了東京都23區(qū)的熱環(huán)境圖，分析人工放熱和地表構(gòu)筑物對城市氣候的影響，并頒布城市熱島效應(yīng)控制措施導(dǎo)則。中國的香港、北京[4-5]等城市也開展了城市環(huán)境氣候圖及規(guī)劃應(yīng)用的相關(guān)研究。本文選擇深圳市南山區(qū)作為示范區(qū)域進行城市環(huán)境氣候圖研究，劃分不同的氣候評估級別，提出城市氣候規(guī)劃分區(qū)及相應(yīng)的規(guī)劃措施；在城市環(huán)境氣候圖的規(guī)劃應(yīng)用方面，根據(jù)城市氣候規(guī)劃建議圖提出城市氣候規(guī)劃結(jié)構(gòu)，并從城市綠地系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)兩個方面提出專項規(guī)劃建議；結(jié)合南山區(qū)原有的氣候地理條件，將氣候設(shè)計貫徹到具體的規(guī)劃措施當中，通過引導(dǎo)城市建設(shè)來緩解城市氣候環(huán)境問題，以期能對深圳建設(shè)綠色宜居城市做出有益的探討。

2研究方法與研究步驟

2.1研究方法與原理

不同地表特征和城市形態(tài)會使當?shù)氐臒岘h(huán)境和風(fēng)流通狀況產(chǎn)生變化，進而影響該地區(qū)的氣候狀況。本文利用地理信息系統(tǒng)將南山區(qū)的地表特征和城市形態(tài)轉(zhuǎn)化為環(huán)境影響因子，評估其對氣候環(huán)境(即城市熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境)的影響，并賦予權(quán)重值。熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境是城市氣候環(huán)境的兩項主要內(nèi)容。在城市氣候圖中，熱環(huán)境是通過量化建筑形態(tài)、土地利用、地形與綠地等環(huán)境因素來對城市氣候環(huán)境增加或降低的熱負荷進行評估的。風(fēng)環(huán)境評價主要是通過量化城市下墊面的粗糙度及開放空間對空氣流動的影響而得到，它評估的是不同地區(qū)空氣流通的潛力情況(即通風(fēng)潛力)[6]。生理等效溫度(PhysiologicalEqui-valentTemperature,簡稱“PET”)在城市氣候圖中被作為指標衡量環(huán)境影響因子對城市環(huán)境的影響程度。生理等效溫度通過綜合考慮多種環(huán)境參數(shù)及人體參數(shù)來進行人體熱舒適的評估[7]，能夠?qū)⒏鱾€環(huán)境影響因子與人體舒適度聯(lián)結(jié)起來。

2.2研究步驟深圳市南山區(qū)城市氣候圖的編制可分為4個步驟：

(1)篩選環(huán)境影響因子。根據(jù)深圳市南山區(qū)的地貌特征、氣象數(shù)據(jù)、規(guī)劃信息及規(guī)劃應(yīng)用的要求確定環(huán)境影響因子。本文將環(huán)境影響因子歸納為建筑體積值、綠地、地形高程、迎風(fēng)面積密度、綠地粗糙度和開放空間[6]。

(2)量化分析環(huán)境影響因子。根據(jù)各個環(huán)境影響因子對氣候環(huán)境的影響，以PET作為基準賦予權(quán)重值，將復(fù)雜的城市空間形態(tài)歸納為簡單的基礎(chǔ)柵格圖層。

(3)圖層疊加和分析。根據(jù)權(quán)重值，將基礎(chǔ)圖層疊加成城市熱負荷圖層和城市通風(fēng)潛力圖層，再經(jīng)合并后得到城市氣候評估分類。同時，通過實測問卷、數(shù)值模擬等形式對城市氣候級別的分布狀況進行校核、驗證，在此基礎(chǔ)上繪制城市氣候分析圖。

(4)氣候評價分析和城市規(guī)劃建議。根據(jù)南山區(qū)城市氣候分析圖提供的城市氣候評估分類，劃分規(guī)劃行動分區(qū)，繪制城市氣候規(guī)劃建議圖，并在其框架之下進行后續(xù)研究工作和規(guī)劃應(yīng)用(圖1)。

3數(shù)據(jù)分析結(jié)果

根據(jù)城市地表積累的熱負荷及通風(fēng)潛力，南山區(qū)的城市氣候環(huán)境被分為7個城市氣候級別(圖2)，每個級別對應(yīng)的人體等效溫度的影響程度不同(表1)。在南山區(qū)城市氣候分析圖中，南、北兩大城市公園區(qū)對城市環(huán)境的積極作用是非常突出的。沙河沿岸及其周圍的公園區(qū)域形成了一條明顯的氣候廊道。但由于南山區(qū)中部的建筑建成區(qū)具有高度集中、聯(lián)接成片和范圍較大的特點，該地區(qū)的城市氣候環(huán)境不理想，對應(yīng)的城市氣候級別為第6類和第7類，缺乏紓解的路徑和空間。除此之外，南山區(qū)沿海特別是蛇口地區(qū)的建設(shè)量較大，這使得在一般情況下氣候條件良好的濱海區(qū)域也因為大量密集建設(shè)而導(dǎo)致環(huán)境品質(zhì)降低，阻礙沿海至內(nèi)陸的通風(fēng)廊道。

4規(guī)劃應(yīng)用

4.1城市氣候規(guī)劃建議圖和城市氣候規(guī)劃指引

在確定城市氣候類別的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要采取的規(guī)劃措施的不同，在城市氣候規(guī)劃建議圖中，將南山區(qū)劃分為5個城市氣候規(guī)劃區(qū)(圖3)。城市氣候規(guī)劃分區(qū)1被認為是對城市氣候最具有價值的區(qū)域，應(yīng)該得到妥善保護；而城市氣候規(guī)劃分區(qū)5積累了長期的熱負荷，是城市氣候高敏感地區(qū)，需要立刻采取相應(yīng)措施進行改善。對城市氣候有重要作用的冷空氣發(fā)源地也在城市氣候規(guī)劃建議圖中被標示出來，作為后續(xù)規(guī)劃的參考。各個氣候規(guī)劃分區(qū)和具體的規(guī)劃建議見表2。根據(jù)城市氣候規(guī)劃建議圖的氣候規(guī)劃分區(qū)，以改善城市熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境為出發(fā)點，結(jié)合南山區(qū)原有城市布局特征，提出南山區(qū)的氣候規(guī)劃空間結(jié)構(gòu)為“四區(qū)、兩廊、多核心”，在宏觀規(guī)劃的層面提供可視化的框架指引(圖4)。

(1)“四區(qū)”為綠地生態(tài)功能區(qū)、濱海生態(tài)功能區(qū)、城市氣候敏感區(qū)和城市氣候中性區(qū)。具體的建議為：①將氣候規(guī)劃分區(qū)1內(nèi)的羊臺山、塘朗山和大小南山公園作為綠地生態(tài)功能區(qū)加以維護；②將濱海1km范圍內(nèi)的區(qū)域作為濱海生態(tài)功能區(qū)進行控制；③處于氣候規(guī)劃分區(qū)4、氣候規(guī)劃分區(qū)5的南山區(qū)中部建成區(qū)是城市氣候敏感區(qū)，不宜進一步開發(fā)；④其余區(qū)域為城市氣候中性區(qū)，可以進行適度建設(shè)。

(2)“兩廊”為城市一級氣候廊道和城市二級氣候廊道。城市氣候廊道結(jié)合了風(fēng)道和綠道的多項功能，對城市氣候調(diào)節(jié)起到重要作用。以大沙河為城市一級氣候廊道，貫通城市核心區(qū)連接生態(tài)功能區(qū)的深南大道和南海大道，將其作為城市二級氣候廊道。

(3)“多核心”為城市建成區(qū)中的多個熱島中心，它們是城市氣候規(guī)劃分區(qū)5最集中的地區(qū)，需要在規(guī)劃中作為重點關(guān)注對象，采取減緩措施。通過城市氣候建議圖和城市氣候規(guī)劃結(jié)構(gòu)圖，規(guī)劃師可以直觀地了解具體區(qū)域的氣候規(guī)劃建議措施和氣候規(guī)劃發(fā)展方向，進而做出下一步?jīng)Q策。

4.2城市氣候?qū)ｍ椧?guī)劃建議

針對南山區(qū)的綠地系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，提出專項規(guī)劃建議，使其與城市氣候規(guī)劃建議圖互為補充，以改善南山區(qū)的熱島效應(yīng)及促進通風(fēng)。

4.2.1城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃建議

適當增加綠地及綠色廊道有助于減緩熱島效應(yīng)，提高城市環(huán)境的舒適度。對南山區(qū)綠地系統(tǒng)提出如下規(guī)劃建議(圖5)：

(1)在城市環(huán)境氣候圖中，前海、南頭和南油一帶的城市熱負荷最為密集，且開放綠地較少。對于此類區(qū)域，可通過道路綠化與建筑立體綠化，形成綠色循環(huán)帶。

(2)將綠地和通風(fēng)廊道相結(jié)合，通過綠廊和風(fēng)道將各個分散的綠地空間連接起來。對于建成區(qū)的主要道路，要做好道路綠化，提高遮陰效果。

(3)北部和南部兩大城市綠地是南山區(qū)的主要綠肺和冷空氣發(fā)源地，應(yīng)通過帶狀綠地的建設(shè)，將這兩個地區(qū)的生態(tài)效應(yīng)引導(dǎo)到城市中心。規(guī)劃以大沙河為主要城市綠帶，同時結(jié)合現(xiàn)有道路綠化和公共綠地，組織新的連通綠帶。

(4)南山區(qū)城市綠地系統(tǒng)應(yīng)通過“點”(分布廣泛的小型綠地)、“線”(帶狀綠地和楔形綠地)和“面”(大型水體和城市公園綠地)相結(jié)合，連接成帶，交織成網(wǎng)。

4.2.2通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)劃建議

深圳地區(qū)氣候濕熱，通風(fēng)廊道的建設(shè)能夠極大地改善悶熱潮濕的熱舒適狀況，減少空氣污染。根據(jù)南山區(qū)城市氣候規(guī)劃建議圖及當?shù)氐乩須夂蚯闆r，建議采取以下幾類規(guī)劃措施(圖6)：

(1)建立濱海風(fēng)環(huán)境緩沖區(qū)。城市濱海區(qū)擁有良好的海陸風(fēng)資源，建議在沿海區(qū)域設(shè)置沿海至內(nèi)陸的緩沖區(qū)，控制緩沖區(qū)內(nèi)建筑的開發(fā)強度，采用增加開放空間與建筑后退距離、改善建筑朝向和增大建筑對風(fēng)滲透率等形式來讓海風(fēng)滲透到內(nèi)陸地區(qū)(圖7a)，構(gòu)建從緩沖區(qū)到城市建成區(qū)內(nèi)部的風(fēng)道。該區(qū)建筑群迎風(fēng)面滲透率建議維持在20％以上[8]。

(2)建立山坡風(fēng)環(huán)境緩沖區(qū)。南山區(qū)北部海拔較高的羊臺山、塘朗山等吹向市區(qū)的冷卻氣流具有降溫作用。建議沿著山地和城市建成區(qū)邊緣設(shè)置緩沖區(qū)，減少對于緩沖區(qū)內(nèi)植被的影響，注意保持從北部山坡通向城市建成區(qū)的風(fēng)道。

(3)城市風(fēng)道維持和規(guī)劃。城市風(fēng)道的長度宜在500m以上，寬度至少為風(fēng)道兩側(cè)建筑或樹林高度的1.5倍[9]。南北走向的大沙河公園長4.8km，寬度為480～840m，是城市最重要的一級風(fēng)道。它將北部的塘朗山和中部海岸連接起來，使得海陸風(fēng)和山谷風(fēng)相互連通與循環(huán)。因此，該風(fēng)道周圍的區(qū)域要考慮減少城市活動活躍的商業(yè)用地，避免設(shè)置產(chǎn)生污染的工業(yè)用地，控制開發(fā)強度。南山區(qū)中部和南部主要受到海陸風(fēng)影響，主導(dǎo)風(fēng)向為北偏東和南偏西；北部還受到東風(fēng)及東偏南風(fēng)的影響。對于沒有城市大型風(fēng)道經(jīng)過的南油、南頭等高熱負荷的城市核心區(qū)域，北向或北偏東的道路形成了城市中的次級風(fēng)道；北部地區(qū)則增加了東西向道路為次級風(fēng)道。這些風(fēng)道在城市更新及新區(qū)建設(shè)時應(yīng)該被重點關(guān)注，建議進行維持并擴展。對于城市內(nèi)部風(fēng)道兩旁的建筑，應(yīng)該要控制建筑高度(H)和街區(qū)寬度(W)之間的比值，保持在3∶1以下為優(yōu)[8]。在進行新的道路規(guī)劃和城市建設(shè)時，主要道路方向應(yīng)大致與該地區(qū)盛行風(fēng)向相平行，并保持一定長度，以確保風(fēng)道的有效性。如果能夠構(gòu)建連接南部海岸至北部山林的城市風(fēng)道，將能有效促進城市空氣循環(huán)，緩解熱島效應(yīng)。目前南山區(qū)的道路只有南海大道能夠較為完整和通暢地連接這兩個區(qū)域，在規(guī)劃時應(yīng)該對此加以引導(dǎo)，開辟和增加穿越城市熱島中心的城市風(fēng)道。

(4)基于改善風(fēng)環(huán)境的建筑設(shè)計引導(dǎo)。對于占地面積較大的大體量建筑，特別是裙樓部分，應(yīng)該采取控制其建筑密度，將大體塊分散成幾個小體塊的形式，促進行人高度上風(fēng)環(huán)境的改善(圖7b)。濕熱地區(qū)多采用短板行列式建筑組合形式，對于城市濱水區(qū)域和主要風(fēng)道周圍的區(qū)域，板式建筑的朝向既要考慮日照、景觀等因素，又要注意當?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向這一個因素，建筑長面應(yīng)和主導(dǎo)風(fēng)向平行或保持30°以內(nèi)的角度[10]。當建筑群因為其他因素需要將長邊面對主導(dǎo)風(fēng)向時，可以采取削減建筑長邊長度以及擴大相鄰建筑間的距離來制造通風(fēng)路徑(圖7c)。對于大型單體建筑，當其迎風(fēng)面積過大時，應(yīng)該采用挖洞、架空等形式來確保風(fēng)的滲透性(圖7d)。

5結(jié)語

在中國快速城市化進程中，越來越多的“城市環(huán)境病”開始顯現(xiàn)。在城市規(guī)劃中將城市氣候環(huán)境考慮在內(nèi)是十分必要的。只有將多學(xué)科的學(xué)者協(xié)同起來對城市環(huán)境氣候圖展開研究，并應(yīng)用到城市規(guī)劃和設(shè)計當中，才有可能避免在城市建設(shè)后期遇到氣候問題時處于被動局面。本文以地理信息系統(tǒng)為技術(shù)基礎(chǔ)建立了深圳市南山區(qū)城市環(huán)境氣候圖，同時有針對性地提出南山區(qū)的城市氣候規(guī)劃建設(shè)策略。在此基礎(chǔ)上，筆者建議從規(guī)劃要素的角度來定義城市風(fēng)熱環(huán)境狀況，并將這些環(huán)境信息反饋到下一步的規(guī)劃決策中，進而利用城市規(guī)劃和設(shè)計來改善城市氣候狀況，提高環(huán)境舒適度。城市環(huán)境氣候圖的研究和應(yīng)用仍處于不斷發(fā)展與更新中。一方面，城市環(huán)境氣候圖的數(shù)據(jù)和技術(shù)手段都需要根據(jù)實際狀況不斷推進，以適應(yīng)城市發(fā)展變化和人們對環(huán)境質(zhì)量不斷提高的要求；另一方面，城市環(huán)境氣候圖的內(nèi)容和功能不是一成不變的，它涉及的學(xué)科和相關(guān)專業(yè)人員也在擴展，需要城市管理人員、規(guī)劃設(shè)計者、專業(yè)研究者的支持和協(xié)作。

參考文獻：

[5]賀曉冬，苗世光，竇晶晶，等．北京城市氣候圖系統(tǒng)的初步建立[J]．南京大學(xué)學(xué)報，2014(11)：760-771．

[10]李軍，榮穎．武漢市城市風(fēng)道構(gòu)建及其設(shè)計控制引導(dǎo)[J]．規(guī)劃師，2014(8)：115-120．

作者:袁磊 方宇婷 高文秀 單位:深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院