基于WRF模式的長株潭城市群綠心通風廊道規劃策略研究

莫尚劍

沈守云

廖秋林*

數據顯示，2019年中國人口城鎮化率超過60%這一關鍵節點，預計在2030年這一數值會達到75%～80%[1]。城鎮化進程的加快在推動經濟發展的同時也引發了嚴峻的環境問題，特別是城市熱島效應和霧霾現象近年來對城市居民健康和城市安全造成了威脅。一方面是由于城市面積擴大，人口增多致使人為活動產生的熱量及排放的溫室氣體和氣溶膠增加；另一方面，在城市開發與建設過程中，包括反照率、粗糙度和熱導率等下墊面特性的改變導致風阻效應和熱島效應增強。熱島會使城市流場復雜化、整體通風能力下降、增加靜風和小風頻率，不利于城市污染物擴散[2]。而通風廊道建設可以通過促進城市空氣循環改善城市通風環境，發揮舒緩夏季熱島效應、降低冬季采暖期霧霾發生頻率的作用[3]。

近年來在風景園林視角下，諸多學者提出了通過綠色開放空間的構建，組成促進城市內外空氣交換的通風廊道概念，例如楔形綠地、綠廊和綠色風廊等。相關研究表明，不同城市綠地根據其特性的差異會對城市風環境產生不同程度的影響，影響要素包括綠地的面積、布局、綠化覆蓋率和植物類別等[4-5]，如位于上風方向的綠地能顯著降低城市的熱島效應[6]。城市的開放空間根據形態差異分為不同類型，可針對其邊界形態提出風環境優化策略[7]。這些研究中使用的數據主要來源于不同歷史時期的遙感影像和氣象觀測資料，如何將該類資料的客觀性與數值模型的時間、空間模擬優勢結合起來，已成為城市大氣環境模擬研究的熱點方向之一。

WRF(Weather Research and Forcasting Model)是由NCAR、NECP等科研機構聯合研制的中尺度天氣預報模式和同化系統[8]。它的開發為理想化的大氣動力學研究、局地氣候模擬，以及全物理過程的數值天氣預報和空氣質量預報提供了一個通用的模擬框架。該模式使用高度模塊化和分層設計方法，具有可移植、易維護、方便擴充等諸多特性，特別是在驅動層可根據研究側重的需求選取不同的物理參數化方案及組合方式，提高模擬計算的速度和準確性。隨著系統的不斷更新，數據同化方法逐步完善，在WRF模式中允許使用者編譯并替換下墊面地理信息數據，使探究未來城市發展對區域氣象要素的影響成為可能，為國土空間規劃提供新的思路和方法。

圖1 模擬區域和氣象站位置分布示意

1 資料和方法

1.1 研究區概況

根據《湖南省長株潭生態綠心地區總體規劃(2010—2030)》中對綠心范圍的界定，長株潭城市群綠心位于湖南省中東部，地處長沙、株洲、湘潭三市交界的三角地帶，面積約523km2。其中部地勢高，向東西兩側地勢逐漸降低，主要地貌類型包括低山丘陵和谷底平原。湘江由南向北縱貫株洲、湘潭、長沙三市。綠心地區氣候屬亞熱帶季風性濕潤氣候，春濕多變，夏秋多睛，嚴冬期較短，暑熱期較長。綠心多年平均氣溫約16.8℃，夏季盛行偏南風，冬季盛行偏北風。

1.2 數據來源

土地利用數據采用的是MODIS數據中植被指數產品MCD12Q1，空間分辨率為500m，其覆被類型按照IGBP的標準分為20類。由于歷年遙感影像顯示長沙、株洲、湘潭3座城市的邊界在2013年逐漸發展擴張至綠心區域內，因此本文選取2012年的MODIS數據。規劃方案資料來源于《長株潭城市群生態綠心地區總體規劃》中空間規劃管制部分內容。氣象背景場數據使用NCEP三階段的再分析大氣資料，其分辨率為1°×1°，包含26個標準等壓層(10～1 000hPa)、對流層和地表邊界層的要素信息。氣象觀測資料是長沙馬坡嶺、株洲、湘潭三地的國家基本氣象站觀測統計的地面2m高溫度(統稱近地面溫度)數據。

1.3 研究方法和試驗設計

1.3.1 數據預處理

本研究使用WRF3.6.1版本，模擬區域采用3層網格嵌套，其中心經緯度為28.06°N、1 1 3.0 5°E，水平分辨率為1 2.5、2.5、0.5km，網格數分別為78×78、108×108、155×155，垂直方向取27層，頂層氣壓為100hPa(圖1)。選取夏季和冬季晴天進行模擬，考慮2013年1月長株潭城市群區域表現為持續的陰雨天氣，因此相應的FNL資料時段為2013年7月25日0：00—26日0：00，以及12月27日0：00—28日0：00。模式選取的物理參數化方案包括Lin微物理過程參數化方案、Kain-Fritsch積云對流參數化方案、Goddard短波輻射方案、RRTM長波輻射方案、Noah陸面過程模式，以及YSU邊界層方案。

在WRF預處理系統中修改下墊面土地利用數據，具體處理方法如下：首先將遙感影像中城市區域和2012年MODIS土地利用數據轉換成格點文件并將2種數據疊加；將其輸入GIS平臺中進行投影變換，選取需要替換的土地類型，重新采樣和插值并轉換格式；使用ASC格式文件輸入WRF模式，運用write_geogrid程序，將修改后的土地主導類型(LU_INDEX)和是否為水體(LANDMASK)替換原有數據，制作索引文件后進行模擬計算[9]。

1.3.2 模擬試驗方案設計

根據長株潭城市群綠心規劃中空間管制分區內容，將綠心地區劃分為建設協調區、一般限制開發區、嚴格限制開發區和禁止開發區4種類型。情景1是在MODIS數據基礎上根據城市群2013年實際發展情況修正后的初始方案，此方案中長沙、株洲、湘潭3座城市剛擴張至綠心邊界，綠心基本處于原始未開發狀態；情景2是將建設協調區域和一般限制開發區的土地利用類型修改為城鎮和建設用地；情景3是在情景2的基礎上將嚴格限制開發區域也替換為城鎮和建設用地，后2種情景分別對應綠心內城市化發展的一般情況和極限情況。試驗均使用相同的WRF模式參數進行設置，綠心內開放空間格局的變化作為3組試驗中唯一的變量(圖2)。城鎮和建設用地面積在3個情景中分別為24.5、103.5和274.25km2，分別占綠心總面積的4.68%、24.47%和52.43%(表1)。

1.3.3 模擬結果檢驗

提取長沙馬坡嶺氣象站、株洲氣象站和湘潭氣象站近地面10m高風速的逐小時氣象觀測數據與初始方案，即情景1的模擬結果中氣象站坐標區域風速進行對比分析，計算模擬值與觀測值的偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)和相關系數(R)，計算公式如下：

檢驗結果表明，WRF模式在2013年7月25日和12月27日的溫度模擬結果可以較好地反映研究區域10m高風速的實際情況，模擬精度滿足相關統計驗證要求。長沙和湘潭氣象站的模擬值與實測值較為接近，株洲氣象站2組數據的偏差值和均方根誤差值相對較大。產生誤差的原因可能包括3個方面：1)氣象站點坐標和模擬區域取值坐標之間的誤差；2)模擬時間取值不同，模擬輸出數據為瞬時輸出數據，而氣象站觀測數據為小時平均數據；3)WRF模式模擬計算過程中的誤差(表2)。

2 WRF模擬結果分析

2.1 日平均風速對比分析

從3個情景風速模擬結果中提取每小時的風速數值，計算得到日平均風速。在夏季晴天，主導風向為南風和東南風，情景1中綠心區域風速與周邊差異較小，其中部和西部風速較低，為2.8～3.2m·s-1。城市區域風速低于周邊地區0.5～1.0m·s-1，3座城市之間的風速差別較小，風速都在2.8～3.4m·s-1。隨著城市用地面積的增加，模擬區域日平均風速呈下降趨勢，風速變化主要集中在綠心范圍內，部分地區風速下降0.5～1.0m·s-1，長沙市南側和北側風速下降0.1～0.3m·s-1(圖3)。

冬季晴天主導風向為東北風，情景1中綠心風速較快，大部分區域風速為3.0～4.5m·s-1。城市風速明顯低于周邊地區0.5～1.0m·s-1，3座城市中長沙市平均風速相對較低，為2.5～3.0m·s-1，湘潭市其次，風速為2.8～3.0m·s-1，株洲市最高，風速為3.0～3.5m·s-1。情景2和情景3中日平均風速呈下降趨勢，模擬區域最高風速降低0.6m·s-1。綠心風速變化明顯，風速高于3.5m·s-1的區域面積明顯縮小。城市風速變化主要出現在湘潭市區和株洲市西北側鄰近綠心地區，風速降低0.3～0.5m·s-1(圖4)。

圖2 不同情景主要用地類型分布

圖3 2013年7月25日不同情景日平均風速分布

圖4 2013年12月27日不同情景日平均風速分布

2.2 綠心自然通風潛力分析

在長株潭城市群綠心中構建通風廊道需要對研究區域進行全面的風環境評估，宏觀地挖掘城市周邊補償空間的位置及其潛在可利用的風系統和環境系統。綠心風場的模擬結果顯示，隨著城鎮和建設用地面積的增加，綠心內空間格局變化使主導風下風方向的城市風速出現一定程度的下降。城市風速降低可能加劇熱島效應和空氣污染問題，特別是在小風和靜風環境下。而在強勁的風環境背景下，城市效應對氣象要素的影響較為微弱，而在天氣背景較為穩定的小風環境中，下墊面改變對氣象要素的影響較為明顯[10]。因此提取綠心初始狀態下即情景1的風場模擬結果，選取模擬區域平均風速相對較低時的風場進行通風潛力分析。

7月25日8：00的風向為南風，模擬區域風速在5.5m·s-1以內。城市風速明顯低于周邊地區，為2.0～3.0m·s-1。綠心范圍內風速相對較高的區域分布在湘江沿岸地區及綠心外圍與城市鄰近地帶，風速為4.0～5.0m·s-1。14：00模擬區域風向為東南風，風速為1.2～5.2m·s-1，城市風速為1.6～2.4m·s-1。綠心東南側與北側部分區域風速相對較大，風速為3.5～4.2m·s-1，其余地區風速為2.2～3.5m·s-1?？梢钥闯瞿巷L和東南風經過城市群地區，受城市空間擠壓，在下風方向城市周邊出現明顯的加速區域，尤其是在長沙市東西兩側，風速高于市區1.0～3.0m·s-1。在南風條件下，由于綠心東南部分和北側部分地區土地利用類型主要為裸地和耕地，其下墊面粗糙程度較低，對區域風的流動阻力較小，因此湘江沿岸及長沙市南部地區通風性能相對東南風時更好。在湘潭市和株洲市中間地帶，由于城市狹管效應，風速較快(圖5)。

表1 不同情景土地利用類型面積變化(單位：km2)

表2 10m高風速模擬值與觀測值驗證統計

12月27日2：00模擬區域風向為東北風，風速為2.0～6.0m·s-1。由于城市溫度較高，氣壓相對較低，風在經過城市區域時速度增加，風速略高于周邊地區，風速為3.0～4.5m·s-1。20：00模擬區域風速為1.0～4.0m·s-1，風向為東北風。城市風速與附近區域差異較小，風速為2.0～3.0m·s-1，株洲市北部風速較大，達3.5m·s-1。綠心外圍與城市相鄰地區風速較大，在東部和北部裸地和耕地用地集中區域風速為3.0～4.0m·s-1。湘江風速明顯高于模擬區域中的其他地區，在2：00綠心南部湘江地區風速超過10.0m·s-1，8：00高于6.0m·s-1。從綠心范圍內湘江風速分布情況可以看出，當風向與湘江走向平行或二者夾角較小時，風速較其他區域大，主要體現在湘潭市東北側湘江段，以及湘潭市與株洲市中間地帶湘江段(圖6)。

圖5 情景1中7月25日8：00(5-1)與14：00(5-2)風速分布

圖6 情景1中12月27日2：00(6-1)與20：00(6-2)風速分布

圖7 優化方案通風廊道構建示意(7-1 夏季；7-2 冬季)

3 通風廊道規劃策略

3.1 構建通風廊道

城市通風廊道一般是在城市邊界設置通風口，以大型空曠地帶連接建成的綠色生態廊道，其主要由城市道路、綠地、河道及其他非建筑用地組成。而城市快速發展使城市的邊界持續擴大，城市的功能布局和景觀結構同時處于動態變化之中，所以通風廊道構成要素還應包括市域層面的開敞空間，如城郊的農業生產用地和與城市相鄰的林地[11]。依據綠心規劃方案，綠心將逐步發展成為大型城市組團內部的綠色開放空間，是不同城市風系統的連通地帶?？紤]研究區域面積較大，并且是在規劃階段考慮優化城市群的通風性能，因此通風廊道構建策略主要從宏觀層面制定，通過調整城市和建筑用地的面積和布局，使綠心內的開放空間能夠保持或引導城市群補償空間的天然氣流流向城市地區，同時最大限度地利用綠心自身的自然通風性能，為提高城市內部的熱舒適度和空氣質量創造有利條件。然而需要注意的是，風場變化具有不同的時間性和空間性，應結合重要的時段和對應的風環境情況綜合考慮通風廊道的構建策略。

分析綠心的自然通風潛力時發現，在冬季、夏季主導風向下，當風速較低時，綠心內通風性能較好的區域主要分布在湘江地區、土地利用類型為裸地和耕地地區，以及湘潭市和株洲市中間地帶。因此通風廊道構建策略是在敏感性試驗情景3的基礎上，調整綠心范圍內新增城鎮和建設用地的面積與布局，在保證通風廊道與綠心外部補償空間連通性的前提下，使通風性能較好的區域能夠在主導風向上相互串聯形成通風廊道，減小綠色開放空間格局變化對城市群風環境的影響。在夏季主導風為偏南風的情況下，在綠心范圍內構建2條通風廊道。一條由湘潭市和株洲市的連接區域進入，通過湘潭市東側至長沙市南部湘江周邊地區；另一條在株洲市西側與其北側新增城市區域之間，通過綠心中部到達長沙市西南邊界。在冬季主導風為西北風時，設置2條通風廊道，一條從長沙市東部耕地集中地區進入綠心，沿長沙南部邊界至湘江株洲段位置；另一條由綠心西北角開始，沿綠心東側邊界及株洲市北側到達湘潭市與株洲市湘江地區中間地帶(圖7)。

3.2 通風效果檢驗

根據通風廊道構建策略，在情景3的土地利用格局基礎上建立一個城市群風環境優化方案。將新增城鎮和建設用地中通風潛力相對較好地區的用地類型轉變成初始用地類型，使用與敏感性實驗相同的參數設置，輸入WRF模式模擬計算檢驗通風廊道的通風效果。優化方案中綠心范圍內城鎮和建設用地面積相較情景3下降了20.8%，為57.25km2。對比分析優化方案與情景3在風速較低情況下的風速模擬結果，7月25日，用地類型轉變的區域風速顯著提升。8：00主導風向為南風，綠心中部及北側部分地區風速略微提升，下風方向包括長沙市區東部的風速上升約0.2m·s-1。14：00主導風向為東南風，模擬區域東部和綠心內部分地區風速最高提升0.3m·s-1。在綠心北面，長沙市內的帶狀區域風速提升0.1～0.3m·s-1(圖8)。

12月27日主導風向為東北風，2：00綠心內土地利用類型變化的區域風速下降最高達1.3m·s-1，綠心中部及東南邊界風速略微提升。下風方向湘潭市內部分地區風速略微提升約0.2m·s-1。株洲市西北部風速提升較為明顯，為0.3～0.5m·s-1。20：00用地類型轉化的區域風速明顯下降，綠心內大部分地區風速略微上升約0.1m·s-1。下風方向湘潭市部分地區風速提升0.1～0.2m·s-1，株洲市提升較為明顯，提升幅度為0.2～0.3m·s-1(圖9)。

圖8 7月25日8：00(8-1)和14：00(8-2)優化方案與情景3風速差值分析

圖9 12月27日2：00(9-1)和20：00(9-2)優化方案與情景3風速差值分析

4 結論與討論

本文根據長株潭城市群綠心規劃方案中綠心不同程度城市化發展情況，修改下墊面土地利用數據，設置多情景試驗方案。使用WRF模式進行綠心開放空間格局變化對城市群近地面風場影響的敏感性模擬試驗，通過分析風速模擬結果提出綠心通風廊道構建策略并檢驗其通風效果。研究發現，隨著綠心內城鎮和建設用地的增加，在夏季晴天，主導風向為東南風的情況下，處于下風方向的長沙市區東部及南部風速降低0.1～0.3m·s-1。在冬季晴天，主導風向為東北風時，處于下風方向的湘潭市區和株洲市西北側與綠心相鄰區域風速下降0.3～0.5m·s-1。綠心內自然通風潛力較高的區域分布在湘江地區、土地利用類型為裸地和耕地類型的區域，以及湘潭和株洲2座城市之間的狹長地帶。在風速較低時，通風廊道構建策略為調整綠心內新增城鎮和建設用地格局，將通風性能較好的區域在主導風向上連接，并保證綠心與城市群外部補償空間的連通性。通風廊道能使下風方向城市部分區域風速提升0.1～0.3m·s-1，風速提升范圍和分布主要受風向影響。

風景園林專業倡導的“人與天調”思想在通風廊道規劃策略中得到充分發揮，利用綠心內開放空間的合理布局改善長株潭城市群的風環境，提升城市在發展過程中應對氣候問題和環境問題的能力。但影響城市風場的因素較多也較為復雜，因此本文還有許多不足之處有待完善，在未來的研究中可綜合考慮城市的布局形式和城市環境構成要素等方面可能產生的影響，并在宏觀確定規劃發展策略的基礎上，對中觀層面和微觀層面的規劃應用與政策實施進行探討，例如綠地和自然植被形態控制、建筑和道路形態控制，以及公園與休閑用地分布等。

注：文中圖片均由作者繪制。