摘 要

城市通风廊道与建成区的环境质量息息相关，并且是缓解城市热岛效应和改善居民健康的重要空间管控工具。在国土空间规划背景下，基于地理设计的方法论进行城市通风廊道的分析与规划已经成为重要的理论和规划实践的研究热点。文章以北京市六环内区域为例，通过建立地理设计模型，利用RS 和GIS 技术综合分析建筑、道路、水系、公园绿地等方面的数据，基于热岛强度数据、地表粗糙度、建筑环境、主导风向确定作用空间和补偿空间，并在此基础上构建通风廊道，以期为国土空间规划提供地理设计方法，从而更好地改善北京市生态网络空间环境。

引言

我国城镇化进程正飞速推进，截止到2020 年，城镇化率已达61.8％，预测到2025 年将升至65.5％。近年来，城市人口的数量与日俱增，城市空间开始向高密度方向发展，从而形成了城市建成区内高层建筑高密度分布的格局。然而这种城市发展模式在给城市居民带来卓越的现代感的同时，严重透支了城市自然生态资源，加剧了城市热岛效应，影响了城市居民的身心健康。新型冠状病毒肺炎疫情在全球的爆发，再次证明了构建合理的城市通风廊道的重要性。

城市通风廊道是郊区的清新空气进入城区的通道，具有舒缓城区热岛效应、改善城市系统微循环、提升城市居民热舒适度和提高城市宜居性的功能，目前已成为国土空间规划、城市环境提升、健康城市建设重要理论探讨与实践的热点。在国土空间规划的背景下，基于地理设计的方法论进行城市通风廊道的分析与规划，创造一种健康舒适的城市环境极为重要。

我国相关部门正在积极推进国土空间规划改革与实践，一系列的政策文件和政治行动表明，中央政府和地方政府都强调环境保护与生态恢复，并将城市气候评价引入城镇规划和设计实践中。《中共中央　国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》和自然资源部颁发的《市级国土空间总体规划编制指南》《关于全面开展国土空间规划工作的通知》等文件均提出要进行城市通风廊道规划工作，采用地理设计的方法论和现代科技手段，使国土空间规划的研究更加科学。因此，采用以GIS 和RS 等现代技术为核心的地理设计方法论分析城市绿地、水体等开放空间的管理范围，合理布局城市通风廊道并对其进行有效管理，是当前国土空间规划改革中迫切需要考虑的问题。

国内外学者就城市通风廊道的规划构建进行了大量的研究。刘姝宇等人通过对斯图加特山区案例的研究，探索了城市通风廊道的规划过程及构建方法，但并未给出具体的技术指导；王梓茜、程宸等人分析了通州区及其周边地区的风况，以及地表粗糙度(RL) 和天空开阔度，并对通州区的通风潜力进行了空间分布分析；杜吴鹏、房小怡等人利用气象资料和GIS软件分析了北京市的风环境与通风潜力，并基于通风廊道初步方案提出了规划建议；徐永明等人基于城市形态模型构建通风潜力系数指标，对北京市、广州市中心城市的建筑形态参数，以及城市天空开阔度和街道高宽比、地表通风潜力进行了比较分析。上述研究虽然考虑了建筑、道路和地表粗糙度等因子对城市自然通风的影响，但是关于城市通风廊道的量化分析研究主要是从空间组成、作用机理方面运用RS、GIS 等手段进行基础研究与实践案例研究，未建立地理设计模型。

因此，本文以北京市六环内区域为例，基于地理设计的方法论，结合通风潜力影响因子评价，采用GIS、RS 技术综合分析建筑、道路、水系和公园绿地等方面的数据，在宏观尺度上构建城市通风廊道模型，从城市绿地系统规划和总规层面提出维持与提高城市通风潜力的规划策略，以期提高城市通风廊道规划管理工作的科学性。

1.研究区域与数据来源

北京市六环内区域处于北纬39.7°～40.2°，东经116.1°～116.7°，总面积为2267.01km²。北京市地势西北高东南低，水体有北运河、温榆河和永定河等，夏季主导风向为偏南风。目前北京市人口超过2000万，二环内的建筑密度极高，风环境恶劣，热岛现象严峻，夏季炎热，但北京市公共绿地的联系性和延续性较强，二环内的城市区域已经形成完整的城市绿隔。

研究数据选取北京市1992 年、2001年、2011 年和2020 年7 月、8 月10:30左右的无云覆盖、风速低、分辨率高、成像条件好的Landsat 卫星影像数据；北京市中心城区1 ∶ 2000 建筑物高度(层数) 和建筑物密度( 面积百分比) 数据，以及经计算得到的地表粗糙度、迎风面密度等北京市中心城区土地利用规划数据；气象观测站风速、风向和气温等数据，以及自动气象站观测的短时段主要气象数据。

2.研究方法

2.1 地理设计方法论

本文基于地理设计方法论，分别选择城市形态驱动力模型、CA 模型为描述模型和过程模型，选择生态安全分析模型、情景分析模型为评价模型和变化模型，从而进行GIS 模拟与响应调节，最后进行决策评估。地理设计方法论是一种决策支持方法论，将规划设计活动与基于GIS 的实时动态环境影响模拟密切联系在一起，是国土空间规划重要方法论的支撑。哈佛大学的卡尔首次系统地讨论了这种方法论并指出“地理设计旨在有意改变地理”。地理设计方法论将地理和设计结合起来，为设计师提供了一个强大的工具，可以快速评估这些设计的影响。整个地理设计以6 个步骤分别对应回答6个问题(图1)。在整个地理设计过程中，每个地理设计都不一样，而对于城市通风廊道而言，重要的是如何构建变化模型、影响模型，最终得到优化通风廊道的决策模型。

图1 地理设计的框架示意图

2.2 城市热环境分析

本文采用大气校正法得到地表亮度温度值，并转化为相应的地表温度。公式如下：

公式（1）

式中，Ts 为地表亮度温度值，单位为K ；K1 ，K2 均为传感器的定标常数，其数值可从影像的元数据中获取，其值分别为K1=744.89W(M2 ·μm·sr)，K2=1231.08K。B(Ts) 表示温度为Ts 的黑体在热红外波段的辐射亮度，公式如下：

公式（2）

式中，Lλ 表示热红外辐射亮度值；N为归一化植被指数; τ 表示大气在热红外波段的透过率；L↓ 和L↑ 分别表示大气向下和向上辐射亮度。τ 、L↓ 和L↑ 这三个参数可通过NASA 官网获取。

2.3 地表粗糙度估算

城市通风潜力由相应区域的地表粗糙度决定，而地表粗糙度影响着该区域的空气循环。因此，对城市通风潜力的分析旨在通过获取城市区域内的各类包括建筑、土地利用、道路分级和气象数据，计算地表粗糙度与道路风向的一致性，以评估区域风况。

区域内的建筑迎风面积与通风潜力呈负相关关系(图2)。迎风面指数可以根据以下公式求算：

公式（3）

图2 迎风面积指数计算图

式中，λf (θ)为风向为 时研究区域的迎风面积指数，Aproj 是指风向为θ 下的建筑正投影面积，AT 指的是建筑标准单位网格的面积。

2.4 技术路线

本文根据城市气候学原理和局地环流运行规律，在RS 和GIS 技术支持下，在地形、城市热环境、建筑环境、开敞空间和主导风向等单因子定量分析的基础上，基于地理设计方法论进行综合定量分析，构建一套城市通风廊道规划的技术路线(图3)。

图3 基于综合分析视角的城市通风廊道规划技术路线图

3.结果分析

3.1 城市通风廊道的现状效果评价

从北京市现状通风廊道情况来看，夏季明显存在中心城区通风不畅的问题，城区热量无法散发导致城市热岛强度很高，严重危害居民的身体健康。北京市在核心地区表现出聚集的热岛分布特征，而在卫星城市表现出分散的热岛分布特征，其中强热岛集中分布在北京市城区的西南及东南方向，尤其是三环至四环区域和四环外的首都国际机场等区域；冷岛集中分布于山林及北部河流区域。总的来说，强热岛主要分布在北京市南部，强冷岛分布在北京市北部( 图4)。

图4 北京市热岛和冷岛分布图

通过将城市通风廊道分布图与粗糙度平面图和3D 建筑空间分布图叠置分析得到了4 处主要的通风阻碍点(图5)。这些阻碍点多位于二环至四环，其建筑迎风面积指数均大于0.41，这些区域多是由于廊道两侧的高层建筑紧邻而导致廊道宽度骤减，甚至部分挡在廊道的中央，阻断了风的流动。例如，陶然亭公园作为重要的补偿空间，其南侧被大片高层住宅区阻挡，阻断了风的流动；东四环作为通风廊道的重要部分，周围被高层建筑包围，难以保证通风廊道的宽度。

图5 通风阻碍点示意图

资料来源：

http://beijing.map456.com/。 

3.2 结构转译——从舶来模式向本土化实践的转变

地理设计中的变化模型用于分析景观如何改变，在本文中主要用于分析形成通风廊道的影响因素。城市通风廊道的影响因素较多，而评价单个影响因素改变的可能性是规划通风廊道的重要过程。

✍ (1) 地形条件分析。

地形条件对城市风环境具有较大影响，其高程变化是构建城市通风廊道的基础性约束因子。本文利用GIS 软件对北京市六环内中心城区的DEM 进行重分类，地势越低的地区通风的适宜性越高，由此依次赋值1、3、5、7、9，得到地形适宜性空间分布结果(图6)，可知北京市六环以内约有80％的地形被赋值为9，极适宜构建通风廊道。

图6 地形适宜性分析结果图( 左图：高程分析，右图：坡度分析）

✍ (2) 城市建筑环境分析。

研究结果显示，建筑高度越高，建筑迎风比指数越高，城市通风廊道的适宜性则越低。北京市二环内建筑区呈高密度、低容积率的分布状态( 图7)，主要是由于该区域是北京市老城区保护范围，内部有大量高密度的老式平房、四合院及其他低层的老建筑。

图7 建筑高度分析结果图

✍ (3) 城市道路通风性能分析。

城市路网宽度对于城市通风有较大影响，可根据道路等级对其进行分类。高速公路和城市主干路是路网的重要骨架，高速公路包括五环、六环及多呈放射状或沿环线分布的道路；主要道路包括二环、三环、四环及多沿东西向分布且路幅较宽(主干道为30 ～ 40 m)的道路，因而通风的截面面积大、通风潜力大；而五环至六环内聚集了众多主要用于联络各部分集散交通的城市次干路和支路，这些道路路幅较窄( 次干道为20 ～ 24m，支路为14 ～ 18m)，导致空气流通不畅，通风潜力不足(图8)。

图8 道路适宜性评价图

✍ (4) 城市开敞空间分析。

城市开敞空间是城市中最关键的冷空气生成区和风能缓冲区，为城市通风廊道的加速形成提供了空间。绿地与主导风向的夹角对城市通风廊道的影响最大，当通风廊道的出风口与城市盛行的风向成一定角度(30° )且风速稳定时，最有利于城市通风，绿地的宽度与面积对城市通风廊道的影响其次(图9)，结果可见当绿地的宽度大于74 m且面积大于5 hm2 时生态效果将更好。通风效果比较好的地方主要有圆明园公园、颐和园以及沿途的各种大型绿地。

图9 与主导风向相对关系图

✍ (5) 地表粗糙度分析。

地表粗糙度较大的区域集中在四环内的中心城区核心区，多数区域的地表粗糙度长度超过6.76 m，部分区域达到25m以上(图10)。由于旧城区二环路内低层建筑分布密集，其地表粗糙度长度低于6.76 m。一般来说，当RL ≥ 1.6 m 时对城市通风不利，可知城区内存在大面积的城市通风障碍区域。

图10 地表粗糙度分布图

✍ (6) 降低热岛需求评估。

分析城市的热环境是研究城市局地环流的前提和基础，缓解热岛效应是城市通风廊道的重要功能。本文将热岛空间分布适度地纳入城市通风廊道的构建中，温度越高，城市通风廊道建设适宜性越低。根据统计得出，由于二环内建筑的致密性和较高的开发强度，其表面温度明显更高。在城市主干道的两侧及四环和六环之间的其他宽阔通风走廊，地表温度已显著下降，这是因为由绿地、道路和水系构成的城市通风道廊能够削弱热岛效应。

3.3 城市通风廊道的空间构成

地理设计中的影响模型是基于景观的改变所导致的影响变化来构建的，城市通风廊道的影响模型可以说明影响因子的改变如何导致通风廊道的空间构成变化。影响城市通风廊道构建的主要因素是通过景观的变化(地表覆盖率、自然植被的数量与绿地系统布局等) 来改变地表粗糙度，进而影响通风潜力。

由影响模型可得出决策模型，进而可从园林绿地系统角度进行城市通风廊道的空间战略规划，包括空间规划用地分类、人工与自然绿地、城市结构形式控制等，最终将郊区的新鲜空气引入城区，从而削减热岛效应。

✍ 3.3.1 作用空间和补偿空间的确定

通过遥感反演可以界定一个区域内风道的作用空间和补偿空间，并划分风道的功能范围。补偿空间指可以提供新鲜空气或形成局部气流循环的区域，包括冷空区生成区、郊区林地及能够调节城市气候环境的各类城市绿地。低温区域作为补偿空间，可以大致分为冷空气产生区域的补偿空间，主要包括郊区林地和大型公园( 如北京植物园、奥林匹克森林公园等)，以及由城市中小型公园、小范围绿地形成的热补偿区域的补偿空间(如北海公园、西苑等)(图11)。

图11 六环区域内作用、补偿空间分布图

✍ 3.3.2 通风潜力空间分布

通风潜力是建设城市通风廊道的重要参考之一。本文在对影响通风潜力的多个因子进行定量分析的基础上，得到了北京市六环内区域的通风潜力图(图12)：具有较高通风潜力的区域分布在主要道路、低矮零散的建筑区和河道、绿地农田等开敞空间；四环内建筑密度大、街道拥挤，通风潜力较小，但是公园、河流和公路很多，仍然有可能存在通风的“斑块”和“走廊”。北京市通过构建城市通风廊道将最大化连接六环内通风潜力较大的区块，提升通风能力，降低热岛强度，增强城市应对气候变化的能力。

图12 六环区域内通风潜力分析图

3.4 城市通风廊道体系的构建

本文根据北京市气候的特点，在分析通风廊道作用空间和补偿空间组成的基础上，结合通风潜力空间分布，遵循通风廊道应贯穿潜力较大区域的基本原则，提出了北京市六环内区域通风廊道体系的构建策略。

主通风廊道设置应顺应北京市夏季主导风向，建议设置在中心城区的东部和北部，以最大程度地利用南北通风良好的公园和绿地，并在某种程度上削弱中心城区的东北部、东部和东南部的热岛效应。这对引导上游空气通过市中心和改善该地区的小气候环境具有较大的作用。中心城区西部的通风廊道部分来自西北方向，利用生态冷源和山谷的风循环可以改善城市热岛效应更为严重的中关村地区及通风不良的中心城市西南部。

北京市的通风廊道体系由5 条一级通风廊道、多条二级通风廊道构建而成(图13)。其中，一级通风廊道主要贯通研究区域南北走向，分别为①植物园—昆明湖—动物园—什刹海公园通风廊道；②世界公园—北京园博园—老山公园—香山公园通风廊道；③镇海寺公园—朝阳公园—黄草湾公园—奥林匹克森林公园通风廊道；④金田公园—京城森林公园—东四环—温榆河公园通风廊道；⑤东五环及两侧绿化带—京城森林公园—望京公园—京密高速通风廊道。二级通风廊道对改善中心城区微气候环境更有针对性，其设置既要顺应局地软轻风主导风向，也需配合一级通风廊道增强通风能力及沟通生态冷源，带动通风较弱的区域，并与一级、三级通风廊道共同构成“风道网络”。

图13 北京市通风廊道规划结构图

4.结语

本文通过地理设计的方法，对北京市六环内区域的通风廊道进行了分析研究。实验结果表明：①地理设计方法论能够有效指导通风廊道的构建，通过构建评价、变化、影响和决策等模型，有效协调多因素进行模型量化分析，实现对城市通风廊道的分析与构建。②北京市通风廊道体系可形成以纵向的5 个一级通风廊道为主、二级廊道有效衔接的框架，空间分布呈“东多西少”的格局。

需要注意的是，本文基于地理设计的方法论对北京市通风廊道进行研究，选择了热岛效应最严重的夏季作为主要的研究时间段，这一点不同于其他大量在冬季进行的风向研究，且研究结果的精度还依赖于数据精度与设备性能的提升，如所用的地表粗糙度方法、数据仍需要在未来进一步的研究中加以改进和更新。

作者简介：

黄焕春，博士，南京林业大学风景园林学院副教授、硕士生导师

马   原，南京林业大学风景园林学院硕士研究生

杨海林，硕士，现任职于大千生态环境集团股份有限公司

邓   鑫，硕士，现任职于南京林业大学风景园林学院

周鑫辉，南京林业大学风景园林学院硕士研究生

文章来源：规划师杂志