基于社區熱濕環境疊加分析的通風廊道問題診斷與精準修復
——以江蘇省昆山市為例

■ 王 敏 WANG Min 潘文鈺 PAN Wenyu

1 研究背景

我國東南沿海季風區夏季濕熱漫長，1961—2018 年間，夏季平均氣溫在27～30 ℃之間，濕度在60%～90%之間[1]，熱濕問題尤為突出。相關研究顯示，夏季高溫容易誘發心腦血管疾病等氣候敏感性疾病[2]；而高濕環境容易滋生細菌和寄生蟲，引起瘧疾等疾病感染[3]，也容易讓人產生眩暈等癥狀[4]；若是在高溫、高濕共同作用的環境下，則會進一步增強人的熱感覺而降低對高溫的接受度，從而更容易產生疲勞感，嚴重者會導致臟器功能紊亂進而引發更嚴重的癥狀甚至死亡[5-6]。可見高溫、高濕環境嚴重影響人居環境質量，威脅人類健康，亟需尋求一種氣候積極性規劃設計方法，來緩解城市夏季高溫高濕問題，改善環境熱舒適度。

打通城市通風廊道是利用自然氣象條件同時解決城市建成環境夏季高溫、高濕問題的一種節能生態方式。近年來，全球諸多人口密集城市均嘗試通過構建城市通風廊道來緩解城市氣候問題，目前已取得一些成果 [7 -9]。但既有的實踐探索大多只針對緩解城市熱島效應、改善城市熱環境展開，而忽略了城市濕環境對熱舒適度的影響；且現有對通風廊道的實踐研究大多聚焦在城市尺度上，雖能較好地提升城市整體氣候環境，但無法有針對性地切實解決城市中某些社區的極端熱濕環境問題和風環境問題。基于此，本研究關注社區尺度的熱濕環境問題，選取江蘇省昆山市集中建設區為研究對象，以社區為具體分析單元，運用遙感影像反演方法，對夏季社區熱濕環境特征進行疊加分析，并結合通風潛力評估，精準診斷城市級、社區級通風廊道現存問題，旨在提出基于城市藍綠空間優化的多尺度通風廊道生態修復針對性策略，從而改善城市小氣候、提升社區宜居性，實現綠色高質量發展。

2 通風廊道緩解城市熱濕問題的協同機制

已有研究表明，構建城市通風廊道、促進自然通風，能有效改善城市熱濕環境[10]。

一方面，促進城市自然通風，能夠將周邊新鮮空氣引導至城市內部，從而增強城市內部空氣流通性，有效緩解城市熱島效應。國內外大量觀測研究結果顯示，城市地表溫度分布具有由城市中心向外逐漸降低的規律，城市溫度普遍高于郊區，形成中間高、四周低的格局；同時，城市內部溫度分布也存在差異，通常商業區、居住區、工業區等溫度較高，公園、湖泊等區域溫度較低[11]。因此，根據城市溫度分布特征，可以通過構建城市通風廊道來連接郊區與城市、連接冷島（公園、湖泊等）與熱源區域（居住區、工業區等），從而將溫度較低的氣流引導至城市內部的高溫區域，通過氣流的熱量交換，降低城市溫度。

另一方面，較干燥的氣流經過時，能夠帶走潮濕空氣中的水汽，間接降低環境濕度。風能帶動大氣中水汽在水平方向上的輸送，水汽輸送方向與風的方向一致，且風速越大，水汽輸送強度越大。氣團中水汽的增多或減少，決定于進出水汽通量的多少。若輸送進來的水汽少于輸送出去的水汽，則空氣中的水汽通量輻散減少；若輸送進來的水汽多于輸送出去的水汽，則空氣中的水汽通量輻合增加[12]。因此，構建通風廊道的過程中，可通過規劃整體控制城市中氣流的方向，引導風從相對干燥的區域吹向濕潤的區域，有目的性地實現水汽輻散，從而緩解城市局部區域的高濕問題。

此外，大氣中的水汽在不同溫度、氣壓條件下，會在固、液、氣三種狀態之間相互轉化。飽和水汽壓會隨著溫度的升高而增大，當空氣中的水汽壓＜飽和水汽壓時，空氣中的水汽處于蒸發過程，下墊面中的水會不斷轉換成水汽，進入空氣中，直至空氣中的水汽壓＝飽和水汽壓；當空氣中的水汽壓＞飽和水汽壓時，則空氣中的水汽處于過飽和狀態，一部分水汽將會凝結，轉換成水[13]。因此，構建通風廊道不僅能夠降低區域溫度，使大氣的飽和水汽壓降低；而且能通過控制水汽移動或促進蒸發聚集水汽，來增加水汽密度，使水汽更容易處于過飽和的狀態而凝成雨水，再通過降雨吸收城市空氣中的熱量，進而大幅降低城市環境溫度。

3 研究對象與研究方法

3.1 研究區域概況

研究區域位于江蘇省蘇州市下轄的昆山市集中建設區，面積約482 km2。根據昆山市15 min 社區生活圈規劃，選取該范圍內66 個社區生活圈作為主要研究單元（圖1），平均規模約2.59 km2，旨在通過多尺度通風廊道修復，有針對性地解決生活居住社區中的熱濕問題。

昆山市地處北亞熱帶南部季風氣候區，氣候溫和濕潤，四季分明，雨熱同期。根據昆山市氣象站數據，昆山市夏季盛行風向為南—東南風，平均風速2.2 m/s，最大風速6.7 m/s。熱環境方面，受冬、夏季風影響，昆山市溫度年際變化較大。1961—2008 年間，昆山市年平均氣溫呈振蕩上升趨勢，且在1990s 中期后大幅度上升[14]；至2021 年，昆山市年平均氣溫已增長至18.3℃，最高溫出現在7 月（37.2℃），且近年來多次出現極端高溫天氣，熱環境問題顯著。同時，昆山屬于濕潤地區，年平均降水量1 200.4 mm、相對濕度79%；月平均相對濕度最高出現在8 月，2021 年8 月平均相對濕度為81%，其中有16 d 的相對濕度超過80%，嚴重影響人體舒適。

3.2 技術路徑

本研究選擇昆山市熱濕問題最為突出的8 月作為代表月份，研究的基本思路是：以通風廊道緩解城市熱濕問題的協同機制為依據，通過分析66 個社區熱濕環境現狀及通風廊道分布情況，研判引起社區熱濕問題的通風廊道問題，并針對具體問題加以修復。

首先，通過衛星遙感影像反演與估算，對社區熱濕環境特征進行分析，識別出熱濕問題顯著的社區，并按熱濕特征進行分類；其次，通過通風潛力分析提取現狀通風廊道，并按寬度將通風廊道分為城市級與社區級兩個等級；之后，對社區熱濕問題與現狀通風廊道分布情況進行擬合分析，分級、分類型診斷造成社區熱濕環境狀況的具體通風廊道問題，包括城市級通風廊道的斷點、缺失、類型不佳等，以及社區級通風廊道的網絡斷點、密度不足等；最后，綜合以上分析，提出針對性的通風廊道修復策略（圖2）。

3.3 研究方法

3.3.1 熱環境分析方法

空氣溫度直接影響人體的舒適度，常通過地面氣象觀測站單點觀測獲取。但由于地面觀測站數量有限且分布不均，獲得的空氣溫度數據空間性較差，難以進行空間分布特征分析。相較之下，地表溫度同樣是表征熱環境特征的重要指標，并且可以通過衛星遙感反演獲得，是具有空間屬性且精度較高的連續數據。侯英雨等 [15]通過實證表明，衛星遙感反演得到的地表溫度與地面觀測的空氣溫度之間的估算誤差在1.5～1.8℃之間，結果相對可靠；由此建立了稀疏植被區域不同高程范圍的空氣溫度遙感估算統計方法。因此，本研究選擇通過衛星遙感影像反演地表溫度，再根據上述估算方法估算空氣溫度，并將此作為表征熱環境的指標。

常見的地表溫度反演方法有：輻射傳輸方程法、單窗算法和單通道算法。其中，輻射傳輸方程法反演地表溫度精度更高，與實測溫度相關性最好[16]。本次研究即采用輻射傳輸方程法，在ENVI 5.3 軟件中對地表溫度進行反演。

昆山市平均歸一化植被指數（NDVI）為0.12（＜0.25），屬于植被稀疏區域。其地形平坦，最大高程不超過100 m，故地表溫度與空氣溫度之間的相關關系[15]可表示為：

y=0.880 4x-2.787 4

式中，y為估算的空氣溫度；x為反演所得地表溫度。

3.3.2 濕環境分析方法

廣義上的濕度是表示空氣干濕程度的物理量，有多種常見的表示方式，如絕對濕度、相對濕度、水汽壓、露點溫度等[17]。但這些指標通常由地面觀測站觀測而得，數據量少且缺少空間屬性。因此，本研究選擇通過衛星遙感影像反演得到的大氣水汽含量，作為表征濕環境的指標。

大氣水汽含量數據表示對流層以下空氣柱中的水汽總量，與地面濕度參量有明顯的相關性[18]。劈窗算法是最常用的大氣水汽含量反演方法。Sobrino 等[19]提出的劈窗協方差-方差比值法（SWCVR），目前已成功應用于ATSR、ATSR2、MODIS 等熱紅外數據的大氣水汽含量反演；王猛猛等[20]在SWCVR 基礎上進行改進，將其應用于擁有2 個熱紅外波段的Landsat-8 TIRS 數據。本研究亦參照這一改進算法，運用ENVI5.3 及IDL8.5 軟件，基于Landsat-8 TIRS數據對大氣水汽含量進行反演。

3.3.3 通風潛力評估方法

采用ArcGIS 軟件，根據建筑物地面覆蓋率、自然植被覆蓋率和鄰近開敞區域程度3 個因子，對通風潛力進行評估[21]。其中，建筑物地面覆蓋率是減少空氣流通的主要因素，茂密的自然植被覆蓋率同樣會阻礙空氣流通，而鄰近開敞的水域、開放空間等則會促進空氣流通的能力。

3.4 研究數據來源

本研究數據包括遙感反演所需的遙感影像和通風潛力分析所需的基礎地理信息數據兩部分。由于遙感反演要求影像清晰無云，選擇2021 年8 月26 日的Landsat-8 影像數據作為遙感反演的基礎。基礎地理信息數據中，建筑數據是根據相關部門提供的中心城區基礎數據及Open Street Map 獲取的市域范圍數據，結合衛星圖手動修正；地表覆被類型則由相關部門提供。

4 結果討論

4.1 社區熱濕環境特征與問題識別

根據2021 年8 月26 日反演地表溫度估算空氣溫度，將所得結果與地面監測站實測溫度進行比較驗證，發現誤差約為0.6℃，即誤差較小，說明該結果能較好地反映城市熱環境。熱環境分析結果顯示（圖3a），昆山市集中建設區當日平均空氣溫度為25.5℃，空氣溫度范圍在12.8～44.4℃之間，基本呈北熱南涼趨勢；中北部由于建筑密度高、工業用地較多且人口密集，出現大范圍連片的極熱區域，最高溫度達到44.4℃。

根據2021 年8 月26 日反演大氣水汽含量，將所得結果與地面監測站實測水汽壓計算得到的水汽含量進行比較驗證，發現誤差較小，說明該反演結果較可靠。濕環境分析結果顯示（圖3b），昆山市集中建設區整體大氣水汽含量較高，平均大氣水汽含量為5.95 g/cm2，空間分布上整體呈現中間高、四周低的趨勢，且中部居住區、工業區及河流沿線區域水汽含量較高。

以社區為單元分別統計平均空氣溫度及平均大氣水汽含量，綜合分析昆山市集中建設區66 個社區單元的夏季熱濕環境特征，識別出：①具有高溫問題的社區單元共14 個，主要分布在集中建設區北部及西部；②具有高濕問題的社區單元共26 個，主要分布在集中建設區中部、南部及東南部。其中，有7 個社區單元同時具有高溫和高濕問題，主要分布在集中建設區中部（圖3c）。

4.2 通風潛力評估與通風廊道現狀分析

基于通風潛力評估結果，提取集中建設區中現狀通風廊道（圖4）。參考相關研究，按照廊道寬度，劃定80 m 及以上寬度通風廊道為城市級通風廊道[22]，主要控制城市整體通風狀況；30～＜80 m 寬度通風廊道為社區級通風廊道[23]，主要服務于各個社區內部，調節社區內部通風。

圖4 現狀通風潛力評估結果與通風廊道提取

4.2.1 城市級通風廊道

城市級通風廊道方面，研究區域范圍內目前有：南北方向4 條、東西方向5 條。

（1）4 條南北向通風廊道分別依托中環西線、小虞河、青陽港、大漁中心河及張家港形成，均將城市高溫區域與低溫區域進行連接，故對降低城市內部溫度具有一定作用；但由于4 條通風廊道目前均存在斷點或截斷問題，降溫作用仍待進一步 提升。

（2）5 條東西向通風廊道分別依托楊林塘、北環城河及瀏河、婁江、京滬高速鐵路及滬寧高速、吳淞江及南部農林用地形成，均與城市東側低溫區域連接，具有一定降溫作用；且除楊林塘通風廊道外，其余4 條通風廊道均將潮濕區域與干燥區域進行連接，因此對潮濕問題也有影響。此外，北環城河及瀏河通風廊道、婁江通風廊道、京滬高速鐵路及滬寧高速通風廊道存在斷點或截斷問題，因而這3 條通風廊道在解決城市高溫、高濕問題上的能力仍有待 提升。

4.2.2 社區級通風廊道

社區級通風廊道方面，總體上分布較平均，北部、東南部各社區通風廊道網絡分布較為密集，通風狀態良好；中部內環線范圍內各社區通風廊道網絡密度較低且出現明顯斷點，通風狀態較差。

4.3 通風廊道問題診斷

4.3.1 城市級通風廊道問題診斷

城市級通風廊道是否連貫、暢通，將決定外部來風能否到達社區范圍，是社區通風的先決條件。根據昆山市集中建設區城市級通風廊道現狀，將由通風廊道問題導致的社區熱濕狀況分為以下3 類。

（1）通風廊道斷點導致社區出現熱濕問題。城市級通風廊道多位于社區與社區之間交界的道路或河流，廊道上的一個斷點會同時涉及到多個社區。目前，研究區域內城市級通風廊道出現的主要斷點有10 處，共涉及15 個社區，包括：亭林1、亭林3、亭林4、亭林5、亭林6、柏廬5、柏廬6、青陽1、青陽3、青陽4、青陽5、高新區3、高新區4、高新區5 及高新區6（圖5）。此類斷點主要有兩種情況：①由于建筑密集，通風廊道主體寬度減小，導致氣流經過時受到阻礙，如婁江通風廊道在亭林3、亭林4 處形成的斷點；② 通風廊道主體兩側雖有足夠寬度的綠地，但由于綠地中種植了密集的喬木，對氣流造成了削弱，如北環城河及瀏河通風廊道在柏廬5、亭林5 處形成的斷點。

圖5 城市級通風廊道斷點社區分布

（2）通風廊道缺失導致社區出現熱濕問題。由于城市級通風廊道寬度要求較高，在城市中心區域較難滿足寬度要求，造成多條城市級通風廊道在城市中心區域出現截斷，并有多條通風廊道因寬度不足造成城市級通風廊道缺失。研究識別出7 個社區因缺少城市級通風廊道而形成氣候問題；進一步根據社區的具體熱濕問題，可細分為因城市級通風廊道缺失造成的高溫及高濕問題社區與高溫問題社區兩小類（圖6）。①城市級通風廊道缺失造成的高溫及高濕問題社區有4 個，包括柏廬1、柏廬2、柏廬4 及高新區1。其中，柏廬4 是由于東西向依托北環城河及瀏河的通風廊道在此處截斷，同時南北向依托小虞河的通風廊道也在到達柏廬4 之前截斷而造成通風廊道缺失；柏廬1、柏廬2 及高新區1 之間目前存在通風廊道，但由于寬度未達到80 m，未能起到城市級通風廊道的作用。②城市級通風廊道缺失造成的高溫問題社區有3 個，包括周市3、周市4 和周市5，均是由于南北向依托青陽港的通風廊道與北環城河相遇時截斷，未能到達上述3 個問題社區，造成城市級通風廊道缺失。

圖6 城市級通風廊道缺失社區分布

（3）河流型通風廊道導致社區出現高濕問題。依托河流形成的城市級通風廊道，由于氣流流經河流表面會促進河水蒸發，導致空氣濕度增加[11]。因此，對于存在高濕問題的社區，河流型城市級通風廊道并不是最優選擇；而對于同時存在高溫與高濕問題的社區，河流型通風廊道能增加空氣濕度，促進降水形成，從而大幅降低社區內溫度，使其達到舒適狀態，因此不會對其造成太多負面影響。目前具有高濕問題的社區中，城市級通風廊道為河流型的社區有15 個，包括柏廬5、柏廬6、柏廬7、開發區1、開發區3、青陽1、青陽 2、青陽3、青陽4、亭林2、亭林4、陸家2、陸家4、張浦5 及震川 4。這些社區主要沿北環城河、瀏河、婁江、吳淞江等河流兩岸分布（圖7）。

圖7 河流型城市級通風廊道高濕社區分布

4.3.2 社區級通風廊道問題診斷

完整的社區級通風廊道網絡能將城市級通風廊道來風引入社區內部，提高社區內通風情況，從而緩解社區熱濕問題。研究提取寬度為30～＜80 m 的通風廊道，識別出社區級通風廊道存在以下兩類典型問題。

（1）通風廊道網絡出現斷點。目前，共有10 個社區由于社區級通風廊道網絡斷點問題，未能構成較完整的通風廊道網絡（圖8）。其中，柏廬4、柏廬7、亭林6、周市4 等4 個社區的現狀通風廊道網絡構成較完整，但因廊道寬度不足造成斷點問題；柏廬1、柏廬5、柏廬6、亭林 5、高新區1、青陽1 等6 個社區則由于通風廊道被密集的建筑組團阻擋而形成斷點。

圖8 社區級通風廊道斷點社區分布

（2）通風廊道密度不足。社區通風廊道網絡一般依托現狀道路及河流網絡構成，密集的建筑組團是社區中最容易出現熱量或水汽積聚的地方，若僅依靠道路與河流構建通風廊道網絡，不利于通風廊道延伸至建筑組團當中，因此需要提高通風廊道網絡密度，在建筑組團中留出社區級通風廊道。目前，共有16 個社區由于社區級通風廊道網絡密度不足的問題，形成高溫或高濕積聚點。其中：柏廬1、高新區1、高新區6、亭林 1、亭林5、亭林6、周市1、周市2、周市4、開發區3 等10 個社區在密集建筑組團中形成高溫積聚點（圖9）；柏廬5、亭林1、亭林4、亭林5、亭林6、青陽1、青陽2、青陽3、張浦4 等9 個社區在密集建筑組團中形成水汽積聚點（圖10）。

圖9 社區級通風廊道缺失形成極熱點社區分布

圖10 社區級通風廊道缺失形成極濕點社區分布

4.4 改善社區熱濕環境的通風廊道修復策略

4.4.1 城市級通風廊道修復

（1）城市級通風廊道斷點修復策略。社區中城市級通風廊道的斷點主要由于廊道主體寬度不足或兩側種植了密集喬木而形成，因此在生態修復過程中：首先應增加適當寬度的綠地[24]，以確保斷點處城市級通風廊道主體及兩側綠地的寬度達到80 m；其次，斷點處廊道主體兩側的綠地種植應以低矮灌木或草本地被植物為主，喬木種植應沿廊道方向排列；且種植寬度應小于廊道寬度的10%[25]，而喬木高度應低于通風廊道寬度的20%[23]。

（2）城市級通風廊道增補策略。可選擇社區與社區之間等級較高的道路或河流作為廊道主體，通過在兩側增加綠地，使整體寬度達到構建城市級通風廊道的80 m 標準。例如，柏廬4 社區可在張家港對應河段兩側增加綠地，使北環城河及瀏河通風廊道能向西延伸；柏廬1、柏廬2 及高新區1 社區可依托中環北線構建東西向城市級通風廊道；對于存在高溫問題的周市1、周市2 及周市4 社區，可依托長江北路構建南北向城市級通風廊道。

（3）城市級河流型通風廊道調適策略。針對城市級河流型通風廊道導致的社區高濕問題，由于高密度城區內城市級通風廊道往往較為稀缺且較難改變已有選線，建議采取相應措施降低河流對社區濕度的影響。例如，可以在河流型通風廊道北側補種有氣根的植物[26]，以降低河流型通風廊道來風中的水汽含量；在河流型通風廊道與社區相接處較密集地種植喬木，并僅在社區級通風廊道交界處留出開口，以阻隔潮濕氣流。

4.4.2 社區級通風廊道修復

（1）社區級通風廊道網絡斷點修復策略。針對柏廬4 等4 個社區因現狀通風廊道寬度不足而造成網絡斷點的問題，建議選擇等級較高的社區道路或河流作為通風廊道主體，通過增加兩側綠地，使整體寬度達到30 m 以修補廊道斷點；針對柏廬1等6 個社區，則應在斷點處的密集建筑組團中，沿通風廊道方向形成至少30 m 寬的藍綠開放空間，以確保氣流暢通。

（2）社區級通風廊道增補策略。對于柏廬1 等10 個因社區級通風廊道缺失造成極熱點的社區，需在臨近地區尋找或建設公園綠地等冷源，構建社區級通風廊道來連接冷源與熱點；通風廊道的構建可優先選擇依托已有道路或河流進行拓寬，亦可通過增加綠地形成通風廊道。對于柏廬5等9 個因社區級通風廊道缺失造成高濕環境問題的社區，若經過該社區的城市級通風廊道為道路型通風廊道，可增加垂直于城市級通風廊道的社區級通風廊道；若經過該社區的城市級通風廊道為河流型通風廊道，則建議增加平行于城市級通風廊道的社區級通風廊道。增加社區級通風廊道時，應優先選擇道路作為廊道主體。

5 結語

在21 世紀人本主義回歸的思潮下，“健康”“宜居”成為城市綠色高質量發展的關鍵詞，而社區在其中發揮著越來越重要的作用。越來越多的研究表明，全球氣候變化和大規模城市化帶來的社區熱濕環境變化，特別是高溫、高濕環境的共同作用，將嚴重影響人居環境舒適度，威脅人類健康。本研究以江蘇省昆山市集中建設區為例，采用定量與定性研究相結合的方法，疊加分析社區熱濕環境特征，診斷現狀通風廊道存在的問題，并從改善社區熱濕環境的角度，有針對性地提出各級通風廊道修復策略。研究表明，構建通風廊道是提升城市空氣流通能力、緩解城市環境問題的有效措施，能夠同時改善夏季城市建成環境的高溫與高濕問題。

隨著技術的發展，多源數據獲取渠道與數字分析方法為通過規劃設計手段解決城市氣候問題提供了更多依據，也豐富了解決問題的思路。本研究通過引入遙感氣象學中對溫度與濕度進行反演的技術方法，提高了環境生態問題診斷的科學性，促進了城市、社區通風廊道修復的精準化，也為通風廊道的規劃研究提供了新的視角。未來的研究中，還有待深入探討風熱濕環境之間的交互耦合關系，以進一步優化藍綠空間協同改善社區熱舒適的規劃設計響應手段，增強社區應對氣候變化的韌性。