多尺度城市形態與空氣質量的相關性研究

裴 婷

（新疆師范大學，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830054）

空氣在人類日常生活中必不可缺，然而由于我國城市化進程的加快，使得環境問題日益凸顯，空氣污染問題日漸嚴重。據世界衛生組織報告，居住在擁有空氣質量監測系統的城市中，超過80%的人生活在被污染過的空氣當中，其超過了世界衛生組織的限制。空氣污染會危及人類的身心健康以及阻礙人類的出行活動，還會降低居民對生活的主觀幸福感。通過流行病學調查和實驗研究發現，空氣污染物的暴露與肺功能損傷有關，及與呼吸系統患病率和死亡率呈正相關。種種跡象表明，長期暴露在被污染的空氣之下，其危害之大且廣泛。

由于空氣污染問題越發嚴重，因此許多學者從各種角度各類學科對于空氣質量問題展開研究，關于空氣質量相關的話題已成為熱點研究話題。以“空氣污染”話題為例，在知網上相關話題的研究高達34 000多篇，每年的研究數量仍然居高不下，其涉及的學科包含環境學、醫學、建筑學和氣象學等多個學科，這些學科多從污染物的來源、影響機制等角度來探討空氣質量。越來越多學者思考城市形態與空氣質量的聯系。城市形態是城市發展變化過程中城市空間在外部形狀、緊湊度和破碎性等方面所表現出的特征。有學者研究發現城市空間形態會加劇空氣污染問題。復雜的城市形態會使得空氣污染天數增加，同時空氣污染天數的增加會有損人們的健康。家庭用車出行的尾氣排放是許多城市空氣污染的主要來源，其與城市形態有很強的相關性。以往對于城市形態與空氣質量的相關性研究，多聚焦于大都市、街區或街谷等尺度單一的城市形態，因此，文章基于前人研究的基礎之上，從多尺度城市形態角度切入，分析和識別多尺度的城市形態與空氣質量的相關性，是對已有研究的補充，其研究結果有助于優化和改善設計城市形態要素，為城市空氣治理提供幫助和支持。

1 國內外研究進展

國外已有學者對不同尺度下城市形態與空氣質量的關系進行了相關研究。首先基于城市尺度，對于城市形態對空氣質量的影響這一研究較早做出貢獻的是Martin Wachs，其通過對美國洛杉磯城市形態對空氣質量的影響中發現城市密度與空氣質量呈負相關。而后有研究者在其基礎上，加入城市結構、城市緊湊度、城市規模、城市碎片化程度、道路密度等城市形態指標，通過建立多層次回歸模型、采用線性回歸方法和空間自相關等方法研究這些城市形態指標對空氣質量的影響，研究結果發現高緊湊度的城市形態會減少空氣中的碳氮化合物，城市碎片化程度、道路密度等于顆粒污染物呈正比。空氣污染物除了碳氮化合物和顆粒污染物對人體有害之外，臭氧同樣也對人體產生危害，Kang等人發現城市土地利用的混合程度越高，空間格局越集中，出現對人體健康有害的極端臭氧天數越少。基于街谷尺度，街谷的幾何形狀、街谷陽臺、街谷氣象條件和植被特征都會影響街谷的內部氣流場，使得交通污染物分布不均勻，從而影響街谷內的空氣質量。街谷的流行交通干預措施包括低排放區和擁堵費，可以適度改善路邊空氣質量。

國內對于城市形態與空氣質量的影響研究比國外遲，但近年來也有越來越多學者關注到城市形態與空氣質量之間的關系。比如，基于城市尺度，李莎等人以長沙市為例，研究結果表明商業服務用地與道路交通用地、高斑塊密度與高用地容積率網格PM2.5濃度相對較高；還有研究者發現城市形態指標中，城市人口密度、城市用地類型、城市公共交通、城市規模、城市形狀和城市密度都對空氣質量有影響。基于街谷尺度，街谷顆粒物的擴散不僅與綠化有關，與街谷的高寬比、街谷形態、街谷走向和街谷天空視域因子有著密切聯系；任蘇琪利用風洞實驗驗證的CFD數值模型，結果表明街谷兩側建筑物高寬比的增加不利于空氣污染物的擴散；柴晉鵬等人通過研究烏魯木齊市不同街谷交通污染物濃度的時空變化，發現風向與街谷成銳角時污染物濃度較低，風速較大時污染物濃度較高，街谷兩側建筑物高度比在[1.5，2）之間，污染物濃度較低，在[1，1.5）之間，污染物濃度較高。

國內外均有學者對于城市形態與空氣質量之間的聯系做出相關研究，得出相應結論。國內與國外相比，對于該研究起步較遲。國內外對于城市尺度城市形態與空氣質量的關系多聚焦在城市規模、城市形狀、城市結構和人口密度等形態指標對空氣質量產生何種影響上，也有學者通過構建由發生模型、影響模型和測度模型三個模型構成的城市形態與空氣質量關系的研究框架來研究城市形態對空氣質量的影響。為了更進一步的了解城市形態是如何對空氣質量產生影響，有學者通過探究影響機制來回答這一問題。由于高流量排放和阻礙分散，街道峽谷通常是高度污染的城市環境。高層建筑形成的城市街道峽谷限制了車輛排放物的擴散，這加劇了路邊空氣質量，對公眾構成了嚴重的健康風險。國內外對于街谷尺度城市形態與空氣質量的關系研究有從街谷的幾何形狀、交通特征、街谷朝向和街谷高寬比等街谷形態指標切入研究，研究方法也日漸增多，研究結果表明街谷形態各指標和氣象條件之間通過復雜的相互作用使得街谷內空氣質量發生變化。綜上所述，無論國內還是國外，對于城市形態與空氣質量之間的關系研究大多從單一尺度切入，因此文章通過梳理總結前人的研究現狀及結果，從多尺度角度切入研究該問題，試圖揭示不同尺度的城市形態與空氣質量的關系。

2 城市尺度城市形態與空氣質量的相關性

2.1 城市規模與空氣質量的相關性

城市規模是城市形態眾多指標中最明顯的部分。城市規模可用城市建成面積、城市經濟規模和城市人口規模來表示，因文章研究的是城市形態，故文章的城市規模指的是城市建成區面積。隨著城市規模的不斷擴大，關于城市空氣污染物的總排放量也越來越大。由于城市規模的擴大，人們的通勤距離變長，其在通勤的道路上花費的時間也相應變長，因此會排放出更多的交通污染物，這使得空氣質量變得更差。P.D. Hien通過研究越南河內的城市擴張，結果表明隨著河內城市的擴張，其NO2和SO2在空氣中的濃度上升。但也有學者的研究結論與該觀點背道而馳，該結論揭示了城市規模的擴張會緩解城市制造業聚集所產生的霧霾污染的加劇作用。

2.2 城市結構與空氣質量的相關性

有兩種城市結構，一種是城市圍繞一種中心區集中發展的單核心結構，另一種是由多個核心發展起來的多核心城市。研究表明，規模較小的城市采取單核心結構，原因是有利于改善空氣質量，單核心結構縮短通勤距離，從而減少通勤路上污染物的交通排放；而多核心結構則對規模較大的城市比較友好，規模較大的城市人口分布較廣泛，多核心結構的城市交通網絡分散，其能更好地疏導規模較大的城市人口流動。為了改善空氣污染問題，對于規模較小的城市建議采取單核心結構，規模較大的城市采取多核心結構。

2.3 城市密度與空氣質量的相關性

城市密度一般包括人口密度、建筑密度、交通密度和產業密度等。因為數據獲取容易，前人較多用人口密度代表城市密度來研究城市密度與空氣質量的相關性。文章為了更加廣泛且深入的研究其二者之間的關系，采取人口密度來代表城市密度。對于城市密度與空氣質量的相關性，不同學者各抒己見。最早有學者認為城市密度越高，人口越集中，其空氣污染必定越嚴重，而后發現低密度的城市蔓延使得空氣污染更嚴重。城市密度的提高，其對于改善空氣質量具有重要意義。城市密度的提高會降低城市內交通通勤成本，發揮公共交通系統的規模效應；高密度的企業集聚，有利于大氣污染的集中監管、大氣污染治理公共設施的高效率使用和空氣污染治理技術的傳播；居住密度的擴大，將有效地降低個人和家庭的能耗水平，減少個人活動帶來的大氣污染物排放。

3 街谷尺度城市形態與空氣質量的相關性

3.1 街谷高寬比與空氣質量的相關性

街谷高寬比是研究街谷與空氣污染的熱點指標。街谷兩側建筑物的高寬比影響著街谷內部氣流場結構，從而影響街谷內部空氣污染物的擴散。在近來研究中，有學者發現在無架空層的情況下，街谷高寬比增大不利于空氣污染物的擴散。有研究表明不同街谷高寬比，街谷內的漩渦中心將位于不同位置，污染物濃度與街谷高寬比呈正比關系。這是由于街道兩側建筑物越高，街谷低部渦旋流場強度較弱，既污染物擴散的動力因子減弱，使得其擴散速率減慢，污染物產生堆積，因而濃度較高。在建筑物高度一定的條件下，縮小建筑物寬度和加大街谷寬度會增強街谷內外空氣的交換，從而有利于街谷內部空氣質量的改善。

3.2 街谷天空開闊度與空氣質量的相關性

天空開闊度是一個點可見天空面積與天空面積的比值，其值在0-1，0表示完全遮擋的街谷空間，1表示完全開放的街谷空間。街谷天空開闊度能比街谷橫縱比更好地描述復雜的街谷環境。有實例表明大氣顆粒物濃度與天空開闊度之間的有較強的正相關性，且隨著顆粒物粒徑的增大，相關性增強。街谷天空開闊度與街谷兩側建筑物的高度和街谷寬度有關，當街谷寬度一定時，街谷兩側建筑物越高，其天空開闊度越低，空氣污染物越容易集聚于街谷之中，從而使得街谷內空氣污染物濃度升高，街谷空氣質量變差。

4 結論與展望

面對城市形態與空氣質量之間的關系研究，目前有實例證明其二者之間確實存在關系。城市空氣污染具有復雜性和綜合性，城市形態對空氣質量的影響并非直接影響，城市形態通過改變空氣污染源頭排放，從而對空氣質量產生影響，比如改變和調整城市形態，其可影響交通布局和第二產業聚集，進而影響汽車尾氣排放或工廠污染物排放，最終影響空氣環境。國外對于城市形態與空氣質量關系的研究，為我國相關研究和城市規劃者未來規劃城市提供了新思路，由于我國發展背景和國外存在差別，在面對通過城市形態改善城市空氣質量這一問題時，必須結合我國城市化的發展階段和特點，通過優化城市形態來改善空氣質量，從需求端控制能源的消費將會對治理城市空氣污染起到長期有效的作用效果。

根據已有研究，筆者對未來相關研究提出以下展望與設想：（1）除了從城市尺度和街谷尺度切入研究城市形態與空氣質量的關系，還可以加入國家和街區等尺度來研究二者的關系；（2）城市空氣質量不僅受到城市形態的影響，是否也受到周圍地區的影響，受影響的程度如何；（3）不同季節和天氣下的城市形態對空氣質量的影響是否存在區別，存在區別背后的機制是什么。總之，對于城市形態對空氣質量之間的關系，仍需更加全面徹底地研究，該研究不僅能為改善城市空氣質量提供一份力量，也能推進城市成為更加宜居的空間。