城市环境气候图解析

城市环境气候图解析

1市气候环境问题的解决对策制定城市环境气候图（城市景观地图）是近年来城市气候学、城市规划等学科领域的研究热点之一。城市环境气候图集融合了城市气候和城市规划信息,以二维图形为主要形式将现状或规划情景下的城市气候环境问题展现出来,其相关成果被作为城市规划、城市气候和生态人居环境建设领域的重要决策依据。目前,城市规划、城市气候领域对彼此间的结合与应用技术研究仍不够深入,有必要通过城市环境气候图集编制研究来弥补这一不足,建立起跨学科的交流与协作技术平台。从城市规划建设角度看,利用城市环境气候图及相关技术可以综合分析地形地貌、气候、土地利用、建筑空间等因素对城市风、热、空气环境以及市民舒适性的影响,为规划建设提供量化评估与决策支持,促进城市人居环境质量的提高。本文以深圳国际低碳城为研究区,探索城市环境气候图集的编制方法与应用技术,并通过多种技术方法进行综合与校核,为深圳国际低碳城及其他城市的规划建设提供可操作性建议。2深圳国际低碳城夏季风场时空分布深圳国际低碳城位于深圳市龙岗区,隶属坪地街道,总面积53.4平方公里,其中可建设用地面积约为25平方公里。深圳国际低碳城交通便捷,区位优势明显,距龙岗中心城约8公里(图1、图2、图3)。低碳城周边生态环境良好,水域、林地资源丰富,龙岗河、丁山河、黄沙河三大生态轴线与清林径郊野公园、黄竹坑水库、龙筋山系、松仔坑森林公园构成了良好的绿色生态系统(图4)。基于气象观测数据,针对深圳国际低碳城近三年的夏季6、7、8月份10m近地面风热条件进行计算,得出1000米×1000米分辨率的风场网格数据(图5、图6、图7)、温度场空间数据(图8、图9、图10)。其中,6、7月份主导风向为东北风,8月份主导风向为西北风。近三年的6月份平均风速为2.4m/s,7月份平均风速为2.2m/s,八月份平均风速为2.0m/s;近三年的6月份平均温度为30.4℃,七月份平均温度为32.2℃,八月份平均温度为33℃,且呈现中间高外围低的温度分布空间特征。综合来看,8月份的风热状况是最差的。3准备方法和技术3.1环境气候集群空间形态特征的差异使环境中的风流通潜力、得光得热以及散热能力产生变化,从而对城市内各片区的微气候产生不同作用。基于特定的区域背景条件和规模尺度的特点,深圳国际低碳城环境气候图集编制的核心内容主要针对低碳城总体规划所要解决的城市气候环境问题展开,其目标是保障区域通风、促进空气污染物的扩散、降低热岛强度、改善风环境和热环境舒适性。深圳国际低碳城环境气候图研究内容涉及:风环境、热环境、太阳辐射、基于PET的气候分区、分区规划建议等。其中,风环境部分包括风舒适、通风效率以及通风廊道构建等方面;而热环境研究侧重基于PET的热舒适分析、人为热排放以及相关热负荷分析、基于遥感的地温热岛分析等方面。这些也是国际低碳城环境气候图集编制研究中最核心的组成内容,其核心框架见表1。3.2绿地水体景观作用环境要素的具体特征对该地区热负荷、流通性都会产生特定的影响。例如,在其他条件均等的情况下,依靠植被的蒸腾和水体的蒸发作用,会使环境温度有所降低;同时,由于水体的下垫面粗糙系数较小,对提高风的流通性比较有利从而又进一步影响到区域通风和热环境。可见,绿地水体在调节热负荷和流通性两方面都具有重要作用,对新鲜空气和冷空气交换以及污染物扩散也有重要影响。因此,绿地水体等开敞空间的分布及其具体开敞程度常常被作为评估城市环境气候的重要参数。深圳国际低碳城环境气候图集关键要素的筛选不仅要考虑到建成环境对局地气候和人体舒适度的影响,还要从城市规划人员应用环境气候图集的可操作性角度出发加以考虑。根据城市空间形态构成要素对地区下垫面热负荷、流通性的正负影响,我们筛选出建筑体量、地形高程、绿色空间、地表覆盖、自然景观、开放空间(水域、山坡等)邻近度等作为国际低碳城环境气候图编制的关键要素(见表2)。在要素筛选基础上,选取PET作为环境热舒适评价指标,根据各要素对PET的正、负作用以及影响程度来进行分类,并基于GIS进行综合叠加计算,以此来为低碳城划定环境气候的舒适性分区,从而确定具体的气候单元。3.3准备技术和步骤3.3.1编制成果数据收集与处理是城市环境气候图集编制的基础,详细准确的数据对编制成果起决定性作用。低碳城环境气候图集相关数据的收集包括三个方面:气象数据、规划数据和遥感数据(表3)。3.3.2模拟边界条件深圳国际低碳城环境气候图集的编制需要借助相关的软件工具,首先需要运用中尺度模式来计算得出背景气候参数,以此作为后续数值模拟的边界条件;同时还需要选择适宜的CFD数值模拟工具,并配合GIS技术平台、遥感解译工具等等。在低碳城环境气候图集的编制过程中,采用了多种技术手段相结合的方式来避免单一技术途径的局限性,从而对低碳城的通风状况、热负荷等环境气候学条件进行了全面模拟与分析。3.3.3环境气候分区标准的建立城市环境气候图集的编制主要基于城市气候要素与城市空间要素的相互作用来计算得出人体生理等效温度,并以此作为划定城市气候单元的环境舒适性分区标准。同时,结合实测和调查问卷来对气候单元的划分进行校验,综合运用多种技术方法进行综合分析与验证,确定环境气候问题区的具体分布并进行全面分析,最后提出规划建议,从而形成一整套环境气候图集及相关成果。概括来讲,城市环境气候图集的编制主要分五个步骤:因子选择与下垫面物理特性分析、气候单元划分、多技术途径的综合与校核、城市环境气候分析图集和城市环境气候建议图集制作(图11)。4重要操作和绩效分析4.1太阳辐射分布图基本要素分布图集的制作是城市环境气候图集编制的基础性成果,主要是针对气候要素、地表要素以及三维人工环境要素进行客观评估与量化描述。其中,气候要素分布图集包含三类图形信息,即风场图、温度场图和太阳辐射分布图;地表要素图主要涉及DEM高程分布、坡度、坡向、土地利用类型等信息,深圳国际低碳城的土地利用分为耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域及未利用土地7类,据此我们可以针对绿地、水域、开放空间、自然景观、地表覆盖等主要影响因素进行提取和分类,为下一步分析奠定基础;三维人工环境要素图主要指建筑信息空间分布图,深圳国际低碳城范围内以工业建筑和居住建筑为主,普遍低矮且密集,经统计建成区内共有18290栋建筑物,建筑高度最高51米,平均高度为7.44米(图12)。4.2环境气候分析集群环境气候状况的分析与评价是环境气候图编制研究的核心工作,其成果可以为专业人员制定气候环境问题的解决方案提供依据。因此,城市环境气候分析图集是最为重要的成果之一,其主要目标是结合整体舒适性评价和风、热、太阳辐射等要素的空间分布差异,来进行全面的现状环境气候分析与评价。其操作要点包括:基于要素间影响的下垫面气候单元划分,结合热环境数值模拟和地表温度反演、风环境数值模拟、太阳辐射计算以及实测、问卷进行系统性分析并校正气候单元的划分结果,最后生成环境气候分析图集。以下针对几个主要的操作环节及其成果进行应用性解析:4.2.1国际低碳城环境气候分析集群的建立环境气候问题区的识别判定需要从下垫面的热负荷与流通性条件来综合考虑,其分类结果取决于相关影响要素作用的叠加与综合。国际低碳城环境气候分析图集的形成主要是基于GIS叠加分析功能,从整体上进行100米分辨率的气候单元划分,其流通性的影响程度由0至5区分为六类,热负荷的影响程度由-3至5分为九类。结果表明:水体的流通性最好,建筑物密集且体量较大的工业建筑群片区的热负荷最高。4.2.2国内外低碳城路径比选从有利于污染物扩散的角度出发,一般要求水平风速值不宜小于0.5m/s,低于0.5m/s的情形下会造成通风不良和污染物扩散能力明显减弱,且风冷作用无法发挥。在此基础上,结合行人的舒适性因素可以确定水平风速值的大体合理范围是0.5m/s~5m/s。在同时满足行人舒适要求和街道水平污染物扩散要求的基础上,还可以根据相关测试结果进一步确定更为适宜的行人水平风速值区间为1~2m/s。据此,我们针对国际低碳城分别计算出6、7月份和8月份风速小于0.5m/s、0.5m/s~1m/s之间、1m/s~2m/s之间、大于2m/s的四个区间范围。经分析发现,建成区周边自然环境较好且整体风环境良好,但建成区内部由于建筑密度较高,建筑布局对通风影响较大,因此污染物扩散能力较差。其次,由于建成区内的建筑普遍较低矮且高度比较均一,建筑排布方式过密导致风的渗透性较差,建筑群背风侧形成了较大面积的静风区,影响了行人的室外风舒适性(图13、图14)。对于风环境而言,风速比是另一个重要指标,它可以揭示特定风向风速条件下规划设计或项目建设方案在通风效率上的优劣状况,在国际低碳城项目研究中我们主要应用风速比指标来衡量研究区域内通风效率的高低。一般而言,风速比越高说明该区域规划建设活动对通风的影响越小。根据深圳市的评价标准(试行),风速比在0.3~2为宜,据此我们计算得出国际低碳城6、7月份和8月份风速比小于0.3、以及0.3~2之间的具体空间范围。经分析发现其结果与舒适性相类似,建成区外围风速比均满足要求,而建成区内部由于建筑普遍为密集排布且较为无序,导致风的渗透性差,通风效率较低;6、7月份的通风效率与8月份相比略好,这与风向同建筑、街道布局的方位契合度有关(图15、图16)。4.2.3通风廊道的计算通过总结目前国内外在通风廊道研究方面的定性方法、半定量方法以及定量方法,并分析其局限性,我们提出在深圳国际低碳城研究中应综合采用廊道形式和尺度判读识别、CFD计算流体力学数值模拟、基于下垫面粗糙度和建筑布局形态特征值进行流通性分析、迎风面积比计算和基于最小费用路径模型提取通风廊道等多种方法,进行彼此之间的综合、校核从而避免单一方法的应用局限性。最终针对现状环境评估识别出在两个主导风向下的7条通风廊道,同时应用数值模拟结果来加以核对,发现廊道上的平均风速均大于1m/s,通风效果显著(图17)。4.2.4深圳国际低碳城环境气候图研究环境气候单元(climatops)是指气候特征相似或规划措施相似的空间单元,它主要由环境气候、土地利用、城市形态学要素来界定。在城市气候图研究初期,环境气候单元的划分工作通常是基于土地利用的分类并依靠专业人员进行主观定性判别,随着方法的不断发展此项工作越来越倾向于采取量化方法。在深圳国际低碳城环境气候图研究中,首先根据下垫面的物理特性以及风热环境的数值模拟结果初步确定环境气候单元的划分方案,再通过实测进行校验最终确定相对准确的现状环境气候单元。从结果上看,深圳国际低碳城有55%以上的区域属于气候高价值区,气候较敏感区占20.9%,气候极敏感区仅占7.3%,由此可见,在规划建设中仍有很大的完善和提升空间。同时,我们还对深圳国际低碳城环境气候单元的空间分布特征以及下垫面物理特性进行了描述,并计算出各类型单元所占比重、评估各单元的气候价值,最后据此提出针对规划的保护或改善建议。4.2.5环境气候特征指标的实际测量在量化评估、模拟的基础上,课题组在国际低碳城进一步开展了实地测量与问卷调查,通过校核发现环境气候单元的划分与各单元环境气候特征指标的实际测量基本吻合,且当地居民的舒适度感受同环境气候单元的评估情况比较吻合。在此基础上对前期研究结果予以确认,并加以综合分析得出环境气候分析图(图18),图中信息主要包括环境气候单元分布情况、两个主导风向下的通风廊道具体构成、热岛中心分布、高温区域分布以及背景风场等信息。4.3规划调控措施环境气候规划建议图的制定主要是为了提出有利于改善风和热气候条件的规划调控措施,针对生态规划、土地利用规划、城市规划建设决策所涉及的要素提出具体的控制建议和行动指引,如控制建筑高度和体量、保护现有水体绿地以及保护通风廊道等方面。4.3.1国际低碳城内通风廊道的规划建议根据环境气候单元的分布特征、各自的气候价值以及对人体舒适度的影响,我们进一步划定出环境气候高适宜区、环境气候较适宜区、环境气候低敏感区、环境气候中敏感区以及环境气候高敏感区,并针对各个气候分区在整体层面提出了相关的规划建议(图19)。此外,整体层面的规划建议还包括通风廊道方面的规划建议。通过综合分析与筛选,我们确定出国际低碳城范围内东北-西南方向的10条通风廊道以及西北-东南方向的10条通风廊道。其中包括三种情况:起到良好通风作用的现有的需要严加保护的通风廊道、有待局部疏通进行改善和强化的通风廊道、为缓解大面积静风问题区的通风状况需结合规划来打通的新增通风廊道(图20)。4.3.2严重通风问题区由于6、7月份东北风向的整体通风状况比8月份西北风向的通风状况好,所以与西北风向相比东北风向的问题区域也相对少一些(图21、图22)。如果出现两个主导风向条件下通风均为不良的区域则被视为严重通风问题区(图23)。在计算中我们一共叠加得出3个严重通风问题区,需要在局部层面给出环境气候规划建议。通过成因分析我们发现这些区域存在共性问题,主要包括:街道杂乱且未顺应主导风向无法起到引导气流的作用,虽有多处点状绿地但未能合理串联引导风的流入,建筑低矮密集且布局杂乱无章、工业厂房建筑体量大阻碍风的流通,片区内缺少次一