關于加強城市風環境規劃研究的思考

張 明＊，胡 耘，徐靜馨，杭 建，李 娟，田文鑫，趙秀勇

（1. 國電環境保護研究院有限公司，國家環境保護大氣物理模擬與污染控制重點實驗室，江蘇南京 210031；

2. 中山大學大氣科學學院，廣東珠海 519082；3. 南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇南京 210093）

隨著我國城市化進程加快，高密度建筑和人口擁擠成為城市典型特征，并伴隨著高能耗和高污染等負面影響，“霧霾效應”“熱島效應”“濕島效應”等環境問題頻發，與理想中的生態宜居城市空間背道而馳[1,2]。城市風環境特征影響城市的空氣質量、居住舒適度以及建筑能耗等諸多方面，其作為城市微氣候和微環境的重要影響因素得到了建筑和城鄉規劃領域越來越多的關注和研究，對城市可持續發展具有重要意義[3,4]。

20 世紀70 年代，德國最早開始嘗試城市風環境研究，隨后歐美許多發達國家也相繼開展了相關研究[5-8]。近年來，我國一些大城市和發達區域借鑒國外風環境評估經驗開展了風道規劃專項研究[9]，主要通過觀測和模擬的方法研究調整城市規劃布局和建筑形態來改善城市內部的自然通風，創造適宜的城市通風環境。然而研究區域和研究方法的差異性造成現有的城市風環境研究成果呈多元化特征，尚未形成較為統一的理論，也未形成系統的標準化工作[10]。本文嘗試在對國內外城市風環境規劃研究技術和進展總結的基礎上，結合我國城市風環境規劃管理現狀，提出城市風環境規劃研究的意義，發現存在的問題和困難，提出推動我國城市風環境規劃系統研究和實踐的思考與建議。

1 發達國家和地區的研究實踐進展

1.1 城市風環境規劃研究與應用取得顯著成績

國外對于城市風環境規劃的研究開展相對較早，在建筑單體、建筑群、街區和城市尺度的通風方面均有較廣泛的研究，并在實踐中形成了諸多成功案例[11,12]。德國是最早開始城市風場與污染控制研究的國家，研究歷史可追溯至1937 年Peter Albert Kratzer 撰寫的《城市氣候學》一書，至今，德國城市氣候研究與應用已經在國家、區域、城市、街區及建筑項目五個層面的空間規劃中得到了很好地開展，氣候圖集作為氣候空間分析的信息平臺得到了廣泛應用。德國斯圖加特市風道規劃堪稱城市尺度通風應用研究的典范之作，斯圖加特城區曾被冠以德國“霧都”，自20 世紀90 年代開始，斯圖加特市開始了大規模的城市風環境研究，并將研究結果切實應用于指導區域、城市和城區的空間規劃，通過制定《山坡地帶規劃框架指引》，設置風道連接周邊山坡地、綠地、林地和城市建成區，基于氣象環境信息指導城市合理開發和建設，有效地提高了空氣流動，使斯圖加特市由德國“霧都”變成了民眾趨之若鶩的“療養勝地”[12]。日本是亞洲區域最早開展城市風環境研究工作的國家，自20 世紀90 年代，日本借鑒德國城市的經驗開始城市風環境的研究與應用，東京市由于人口眾多、地形、氣象和城市形態復雜、地理及經濟重要，在日本被作為典型區域開展城市風環境研究。東京市的風環境研究側重于利用通風廊道減緩城市熱島現象，結合區域海陸風場特點，對城市規劃提出風道分級管理，考慮城市與海、山林、綠地等區域性新鮮空氣源的連接，建立主風道使新鮮空氣可以流入城市腹地，再利用城市內部河流、綠地、街道、建筑物之間的空隙建立毛細“風道”，實現空氣的有效流通[13]。香港是我國最早開展風環境研究及應用的城市，從2000 年開始，特別是2003 年香港爆發非典型性肺炎（SARS）事件后，香港的城市通風問題受到了前所未有的關注，由此開始了一系列的城市空氣流通研究，研究的重點在于如何利用風環境評估改善香港城市發展的宜居性和可持續性，經過10 余年的應用與實踐，香港已經迅速的發展了一套較為成熟的空氣流通評估方法和法規[14]。

1.2 城市風環境管理體系和標準已經逐步建立并有效實施

隨著城市風環境研究開展的深入以及此項工作對城市規劃指導意義的顯現，部分發達國家和地區已逐步將風環境評估納入管理體系，并制定了相關導則和技術標準。20 世紀90 年代，德國工程師協會制定了《環境氣象》（VDI3787），明確了城市風環境評估及指導規劃的方法[15]。2004 年，日本政府環境省頒布了《熱島效應的措施憲章》，國土交通省發布了《緩解熱島效應的建筑設計》，建立了建筑環境綜合評價體系（CASBEE），并將城市通風和建筑通風納入到上述評價體系中[16]。2006 年，香港《規劃標準與準則》的“城市設計指引”部分增加了城市空氣流通設計內容[17]，同年制定了《空氣通風技術指南》，要求所有符合技術通告要求的政府項目都要進行空氣流通評估，以免對城市風環境、特別是行人風環境產生不利影響。日本、加拿大、澳大利亞等發達國家也制定了各類風環境評估的標準，并不同程度的納入了城市規劃管理中。

1.3 技術手段的飛速發展使精細規劃城市風環境成為可能

城市風環境的研究最早起源于城市氣候的研究，目前形成了實地測量、風洞實驗和計算機數值模擬等三種主要方法。1930 年，歐洲氣象研究者最早通過實測發現了近地面產生由郊區吹向城市的熱島環流，此后，歐美的氣象學者通過移動觀測技術來研究城市風、溫狀況，隨著城市規劃要求的提高，逐漸將相關技術應用到建筑群和大型單體建筑的風環境研究中。進入21 世紀，日本和我國香港地區都開展了大量的風環境實地測量，測風技術和手段日趨成熟。從20 世紀60 年代起，風洞實驗技術逐漸應用到城市風環境研究中，發展出了熱線風速儀、熱膜風速儀、脈沖線式風速測定法和激光多普勒測速儀（LDV）等“點”測量技術，可以對流場特性進行精確地逐點測量，并進一步發展了Irwin 探頭、刷蝕技術、紅外成像和粒子圖像測速（PIV）等“面”測量技術，可以更全面的提供大區域空間流場連續信息，獲得豐富的流場空間結構以及流動特性[18]，在城市室外風環境的模擬上具有很大的優勢。RWDI 公司、加拿大西安大略大學、日本建筑學會等機構開展了大量的風環境風洞實驗研究，我國香港地區將風洞實驗技術列入《香港空氣流通評估技術指南》的推薦方法。近年來，數值模擬仿真（CFD 技術）發展迅速，由于其具有友好的人機界面和數據讀取方式，便于精細模擬不同地形地貌、來風條件和建筑形態下的風環境，宏觀尺度可以模擬幾十公里區域整體風環境，微觀尺度可以模擬單體建筑風環境，自20 世紀90 年代后期逐漸應用到城市風環境的研究中。CFD模擬的準確性很大程度上取決于湍流模型的選擇，k-ε 模型、RNG k-ε 模型、大渦模擬（LES）等湍流模型都在城市風環境模擬中得到了應用和發展[19]。風環境觀測和模擬技術的提高，使各種尺度的風環境模擬成為可能，也為開展更深入細致的風環境規劃和研究提供了重要的技術支撐，同時也是未來城市風環境技術研究的重點方向。

2 我國城市風環境規劃研究仍處于起步階段

2.1 國內發達地區已初步開展了城市風環境規劃研究

20 世紀80 年代初，我國曾有一些氣象學家呼吁在城市規劃中考慮氣象條件和大氣污染問題，由于我國城市化進程遠遠快于城市氣象學科的發展，20 世紀幾乎所有的城市建設都未考慮風環境的因素。我國城市尺度風環境規劃起步于本世紀初，至今仍處于初步探索階段，風環境規劃與城市規劃實施的結合尚不夠緊密。自2010 年，在地方政府主導下，長沙、武漢、杭州、南京、福州、北京等大型城市相繼開展了城市尺度的通風廊道研究（表1）[20]，并不同程度地將相關成果應用于城市規劃中。整體而言，對于已完成的城市風環境規劃項目，雖然取得了一些成果，但由于是探索性的工作，缺乏實際的經驗，導致規劃的深度及可操作性還存在不足。由于缺乏制度保障，相關的風道保護和規劃要求落實難度較大。風環境規劃與城市生態規劃、綠地規劃及城市總體規劃的銜接性較差，“多規合一”缺乏接口。

近年來，在街區和單體建筑尺度風環境研究方面，我國學者也利用風洞技術和CFD 數值仿真等流體分析方法開展了一些有意義的工作（表2）。研究方向主要集中在街區布置、群體建筑排列對于區域風環境的影響、街道峽谷不同高寬比情況下內部渦流研究、外部風向與建筑群體布局的協調性、單體建筑結構設計對風舒適性的影響，以及風環境風洞實驗技術方法和數值模擬技術方法、湍流參數化方案適用性等方面的比對研究。整體而言，由于城市規劃對于通風重要性的認識不足，以及規劃、建筑、氣象和環境等學科的割裂，系統性、深入性和持續性的風環境規劃研究明顯不足，政府在相關方面研究的投入偏少。

我國對于風環境的研究更多地集中在城市規劃和建筑對于風場的改變方面，而對于與人體舒適度密切相關的風環境評價指標體系的研究相對較少。風環境評價指標體系方法主要包括相對舒適度評價法，風速概率統計評價法和風速比評估法等，主要從人體感受和風速變化兩個方面來評估風環境。自20 世紀70 年代以來，國際上先后提出了Penwarden 準則、Davenport 準則和Lawson 準則等，將人體感受行人高度的合理風速范圍以及偏離該風速的可接受頻率進行細化、分級，并作為風環境評估的主要依據。對于不同人種而言，不同等級的風速與人體舒適度感受關系并不一致，國外相關準則均建立在大量氣象條件與適應人群舒適度關系試驗研究的基礎上，而目前我國這項工作基本處于空白。

表1 國內城市風環境規劃實踐及其成果

表2 國內主要風環境研究實踐及其成果

2.2 管理要求和標準尚不系統

我國目前的風環境工作更多地集中在研究層面，2010年后，長沙、武漢、北京等發達地區先于國家層面開始了一些應用和管理層面的嘗試，主要包括城市風環境專項規劃、城市氣候圖、通風廊道規劃等。2010 年，長沙市制定了《長沙市城市通風規劃技術指南》，按照城市總體、商業區、居住區和工業區分別給出了規劃技術措施。2018 年，南京發布了《南京市建筑設計導則（試行）》，提出了“規模較大或密度較高等可能造成較大通風影響的建設項目應進行風環境研究；建筑密集、高度劃一區域內或其鄰近位置進行項目開發時，應做專項的通風模擬評估”的要求。在國家層面，2015 年，中國氣象局發布行業標準《城市總體規劃氣候可行性論證技術導則》，將人體舒適度和小風區面積作為重要評估指標。2016 年，國家發改委和住建部發布《城市適應氣候變化行動方案》，要求“打通城市通風廊道，增加城市的空氣流動性，緩解城市熱島效應和霧霾等問題”。2018 年，中國氣象局發布行業標準《氣候可行性論證規范 城市通風廊道》，意味著我國首次出臺以通風規劃為目的的行業標準。

整體而言，現階段我國涉及城市通風的法律文件分布在氣象、環保、規劃、建筑等各領域，較為分散，在業務歸屬方面并不明晰，管理體系并不清晰。在城市規劃的實踐過程中，氣象部門較少參與到城市規劃的編制中，生態環境部門雖然通過規劃環境影響評價在影響總體規劃，但也難以涉及到詳細規劃層面，且幾乎不涉及風環境規劃內容。“城市風環境”評估與規劃標準還不系統和明確，導致城市和地方管理部門在“通風廊道專項規劃”和“風環境評估”等工作中無章可循，技術路線和側重點不清晰，效果難以保證。即使少數城市已經率先開展了風環境研究規劃嘗試，但是風環境與城市規劃的最終實施并沒有很好的結合，指導和約束作用有限。

3 加強城市風環境規劃研究的必要性日益凸顯

3.1 優化風環境可以改善城市大氣環境和氣候

隨著城市密度加大和范圍的擴張，其特殊下墊面和人類活動造成的空氣污染和熱島效應等問題逐漸顯現[27]。城市近郊工業生產及交通產生大量的廢氣和廢熱排放，對居民健康和環境質量構成不利影響。風對城市大氣污染和氣候的改善具有重要作用，城市無風或靜風時，大氣流動困難，熱島環流形成的穹隆形塵蓋，阻止污染物向外擴散稀釋，易發生大氣重度污染。通風是緩解城市大氣污染，打破城市熱島環流，提高自然凈化水平的主要因素。

3.2 優化風環境可以提高城市宜居舒適度

城市空間內因建筑布局、街道走向、開敞空間分布等不同均會造成日照、溫度、濕度和風速風壓的差異，從而引起局地高溫干燥及“高樓風”現象，使城市居住的舒適性下降[22]。通風是改善城市環境質量的重要途徑，利用城市自然或規劃的綠地、河流、湖泊等大型冷湖區域對城市的組團進行分隔，形成“林源風”“河風”“湖風”等新鮮風源[28]，合理規劃生態用地，采用環狀復合式景觀布局增加城市綠色基礎設施的面積，優化內部微氣候[29]。通過引入通風廊道的作用空間、補償空間和空氣引導通道，使其與城市建筑區域之間形成循環風，引導城市內外空氣交換，促進氣體流動和熱量疏散，可有效改善城市局地空氣質量，稀釋污染，降低夏季高溫悶熱，提高居民環境宜居舒適度[30]。

3.3 優化風環境可以預防城市空氣流行病

空氣流行傳染病易在密不透風，人口稠密的城市地區蔓延，病菌在封閉空間內循環流動，容易繁殖滋生[31]。因靜風條件頻發的霧霾天氣也易引發人體呼吸系統疾病，造成人體生理功能的不適。通風對城市空氣流行病防治亦具有重要作用，增大城市內部風速和不斷補充城外新鮮清潔空氣，可使病菌加速死亡，污染物難以大量堆積，有效控制空氣流行病傳播和人體有毒細顆粒物吸入，非典型肺炎傳染和防治的歷史經驗就證明了這一點[32]。

3.4 優化風環境可以降低城市能耗

建筑能耗是城市能耗的重要組成部分，約占社會總能耗的30%[33]。冬季降低風速可以減少建筑表面的熱散失，夏季增加風速可促進建筑散熱和通風優化，城市高熱環境可導致城市能耗增大，供水供電緊張。因此，合理的規劃風環境有利于降低建筑能耗，進而控制城市耗能，改善城市熱環境，向生態低碳城市發展。

4 推動我國城市風環境規劃研究的建議

4.1 明確主管部門職能，建立協調機制

城市風環境是典型的氣象、環境、規劃相互融合的交叉學科。因此，城市風環境規劃工作的推進需要政府各相關部門的統籌和協同，明確職能，建立協調機制，確保風環境規劃與各相關總體規劃、專項規劃、控制規劃與詳細規劃間的有效銜接與配合。鑒于城市風環境具有典型的跨界工作特征，單一學科背景的管理部門和學術團隊往往無法完成如此復雜的工作，應推動多部門協同和跨學科人員合作。

4.2 積極推進多尺度的風環境規劃工作，建立系統的技術方案

城市風環境從研究尺度可分為城市、街區、建筑群、建筑單體和其他五類。高質量的城市風環境評估與生態通風廊道設計規劃需將城市自然地貌、大尺度區域規劃和小微尺度的建筑形態設計有機結合，從而形成有效的城市“呼吸系統”。區域尺度風環境規劃需要在了解自然地形地貌及盛行季風條件的基礎上全面挖掘自然通風潛力，從而合理規劃產業功能及區域人口密度。城市總體規劃基于區域規劃，需從宏觀層面全面評估城市可利用的風資源，將風道與水體、植被、開闊場所等空間有機結合。街區和建筑群尺度的規劃受城市總體規劃指導，在于約束不同的建筑形態對局部風場的影響，通過改變建筑布局、街道走向等達到優化風環境的目的。不同尺度的風環境規劃研究的重點、方法和目的不同，但又互為依托，有效連接不同尺度工作，形成層次分明、重點突出的技術路線和預期成果，對于積極推進合理、有效、具有可實施性的城市風環境規劃工作具有重要的意義。

4.3 盡快開展風與人體舒適度關系研究，建立風環境規劃控制體系和評價標準

我國應盡快開展不同區域氣象條件與人體舒適度關聯研究，在此基礎上建立系統的風環境評估體系，形成風環境設計優化的技術路線，用于指導城市形態、功能分區、路網設置、通風廊道、建筑結構等設計，這將有利于促進城市局地風微循環，有效改善城市氣候環境。在技術成熟時，進一步將風環境控制體系提升至技術規范層面，將風環境評估工作納入行政管理的層面，對于指導城市總體規劃審慎決策、科學實施，全面提升城市規劃品質將具有重大意義。

4.4 構建多學科協作機制，促進交叉學科發展

城市風環境規劃研究還需要宏觀上加強多學科的合作研究，氣象、環境、規劃、建筑、景觀、結構等許多學科都在將城市風環境作為方向加以研究，綜合考慮“城市·氣候·風環境·人·建筑”的相互影響與制約，建立綜合交叉的研究體系，將有利于共同促進城市環境的優化發展。從長遠看，城市風與環境質量、生物多樣性、流行病理學、低碳城市建設等關系的研究都是應該關注的一些方向，也是提升城市人居友好的基礎路徑。促進風環境交叉學科的發展，才能使城市發展和良好的環境建立起平衡協調的關系，以確保城市的健康高效運轉。

5 總結與展望

我國正處于高速城市化的階段，城市的發展和擴張給生態環境帶來了巨大的壓力。國外實踐經驗表明，改善城市通風，對于緩解霧霾、熱島，提高城市生活品質具有重要意義。我國已經在少數城市開展了有益的風環境研究嘗試，獲得了一些技術成果和管理經驗。展望未來，主管部門的通力合作，學界的跨學科融合，城市規劃和管理工作者的切實應用，有效的標準規范體系，都是推動城市風環境工作向更協作、更成熟、更系統及更實用方向發展的必由之路。