城市环境气候图编制及应用研究范文
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《规划师杂志》2016年第10期
摘要：
随着中国城市化进程的快速推进，城市面临的气候环境问题也越来越严重，故针对城市气候数据在城市规划中的应用展开研究十分有必要。文章针对深圳市南山区的高密度城市结构、湿热气候、沿海地理条件及具体的城市问题，利用GIS平台进行城市地理信息数据的处理，对城市形态与环境的关系进行量化研究，总结出不同环境因子对城市环境的影响，提出南山区的城市气候分区规划，并从绿地系统和通风系统两个方面提出专项规划建议，将气候设计贯彻到具体的规划措施当中，希望能为深圳建设绿色宜居城市提供借鉴。
关键词：
城市环境气候图；高密度地区；风道；地理信息系统
1背景
全球气候变化，如地表气温逐年升高、极端气候频现和海平面上升等，带来了一系列环境问题。而城市作为人口和资源最为集中的区域，对气候变化的反应也最为敏感。这促使人们开始考虑如何通过城市规划来使城市能够应对和适应气候。深圳市南山区位于深圳市西南部，占地面积约为181.9km2，常住人口达129万。深圳市南山区建设集中、建筑密集、人口稠密，使得热量集中且不易对外扩散，加剧了城市热岛效应。在此背景下，开展城市规划和城市气候的相关性研究与实践具有十分重要的现实意义。然而，在传统规划的制定和实施过程中，城市气候环境往往和规划者的决策是割裂的，其中一个重要原因就是没有一个合适的方法让规划师能够容易地理解城市气候环境和城市形态间的相互关系。城市环境气候图由德国学者[1]于20世纪50年代首先提出，它将城市气候状况展现于城市二维空间上，使得规划者能够直观地理解城市空间形态和城市气候条件之间的对应关系。城市环境气候图主要由两部分组成：城市气候分析图和城市气候规划建议图。城市气候分析图由一系列的城市规划要素和气候要素的基础信息图层叠加而成，对城市的不同气候状况进行评价和分析。城市气候规划建议图是在城市分析图的基础上，与土地规划等信息相结合，提出改善城市气候环境的策略和指引，指导城市建设。德国斯图加特市首先开始进行系统的城市环境气候图研究，将城市气候学的知识应用到当地土地利用和环境规划当中[2]。在亚洲，日本东京[3]于2000年开展城市环境气候图研究，绘制了东京都23区的热环境图，分析人工放热和地表构筑物对城市气候的影响，并颁布城市热岛效应控制措施导则。中国的香港、北京[4-5]等城市也开展了城市环境气候图及规划应用的相关研究。本文选择深圳市南山区作为示范区域进行城市环境气候图研究，划分不同的气候评估级别，提出城市气候规划分区及相应的规划措施；在城市环境气候图的规划应用方面，根据城市气候规划建议图提出城市气候规划结构，并从城市绿地系统和通风系统两个方面提出专项规划建议；结合南山区原有的气候地理条件，将气候设计贯彻到具体的规划措施当中，通过引导城市建设来缓解城市气候环境问题，以期能对深圳建设绿色宜居城市做出有益的探讨。
2研究方法与研究步骤
2.1研究方法与原理
不同地表特征和城市形态会使当地的热环境和风流通状况产生变化，进而影响该地区的气候状况。本文利用地理信息系统将南山区的地表特征和城市形态转化为环境影响因子，评估其对气候环境(即城市热环境和风环境)的影响，并赋予权重值。热环境和风环境是城市气候环境的两项主要内容。在城市气候图中，热环境是通过量化建筑形态、土地利用、地形与绿地等环境因素来对城市气候环境增加或降低的热负荷进行评估的。风环境评价主要是通过量化城市下垫面的粗糙度及开放空间对空气流动的影响而得到，它评估的是不同地区空气流通的潜力情况(即通风潜力)[6]。生理等效温度(PhysiologicalEqui-valentTemperature,简称“PET”)在城市气候图中被作为指标衡量环境影响因子对城市环境的影响程度。生理等效温度通过综合考虑多种环境参数及人体参数来进行人体热舒适的评估[7]，能够将各个环境影响因子与人体舒适度联结起来。
2.2研究步骤深圳市南山区城市气候图的编制可分为4个步骤：
(1)筛选环境影响因子。根据深圳市南山区的地貌特征、气象数据、规划信息及规划应用的要求确定环境影响因子。本文将环境影响因子归纳为建筑体积值、绿地、地形高程、迎风面积密度、绿地粗糙度和开放空间[6]。
(2)量化分析环境影响因子。根据各个环境影响因子对气候环境的影响，以PET作为基准赋予权重值，将复杂的城市空间形态归纳为简单的基础栅格图层。
(3)图层叠加和分析。根据权重值，将基础图层叠加成城市热负荷图层和城市通风潜力图层，再经合并后得到城市气候评估分类。同时，通过实测问卷、数值模拟等形式对城市气候级别的分布状况进行校核、验证，在此基础上绘制城市气候分析图。
(4)气候评价分析和城市规划建议。根据南山区城市气候分析图提供的城市气候评估分类，划分规划行动分区，绘制城市气候规划建议图，并在其框架之下进行后续研究工作和规划应用(图1)。
3数据分析结果
根据城市地表积累的热负荷及通风潜力，南山区的城市气候环境被分为7个城市气候级别(图2)，每个级别对应的人体等效温度的影响程度不同(表1)。在南山区城市气候分析图中，南、北两大城市公园区对城市环境的积极作用是非常突出的。沙河沿岸及其周围的公园区域形成了一条明显的气候廊道。但由于南山区中部的建筑建成区具有高度集中、联接成片和范围较大的特点，该地区的城市气候环境不理想，对应的城市气候级别为第6类和第7类，缺乏纾解的路径和空间。除此之外，南山区沿海特别是蛇口地区的建设量较大，这使得在一般情况下气候条件良好的滨海区域也因为大量密集建设而导致环境品质降低，阻碍沿海至内陆的通风廊道。
4规划应用
4.1城市气候规划建议图和城市气候规划指引
在确定城市气候类别的基础上，根据需要采取的规划措施的不同，在城市气候规划建议图中，将南山区划分为5个城市气候规划区(图3)。城市气候规划分区1被认为是对城市气候最具有价值的区域，应该得到妥善保护；而城市气候规划分区5积累了长期的热负荷，是城市气候高敏感地区，需要立刻采取相应措施进行改善。对城市气候有重要作用的冷空气发源地也在城市气候规划建议图中被标示出来，作为后续规划的参考。各个气候规划分区和具体的规划建议见表2。根据城市气候规划建议图的气候规划分区，以改善城市热环境和风环境为出发点，结合南山区原有城市布局特征，提出南山区的气候规划空间结构为“四区、两廊、多核心”，在宏观规划的层面提供可视化的框架指引(图4)。
(1)“四区”为绿地生态功能区、滨海生态功能区、城市气候敏感区和城市气候中性区。具体的建议为：①将气候规划分区1内的羊台山、塘朗山和大小南山公园作为绿地生态功能区加以维护；②将滨海1km范围内的区域作为滨海生态功能区进行控制；③处于气候规划分区4、气候规划分区5的南山区中部建成区是城市气候敏感区，不宜进一步开发；④其余区域为城市气候中性区，可以进行适度建设。
(2)“两廊”为城市一级气候廊道和城市二级气候廊道。城市气候廊道结合了风道和绿道的多项功能，对城市气候调节起到重要作用。以大沙河为城市一级气候廊道，贯通城市核心区连接生态功能区的深南大道和南海大道，将其作为城市二级气候廊道。
(3)“多核心”为城市建成区中的多个热岛中心，它们是城市气候规划分区5最集中的地区，需要在规划中作为重点关注对象，采取减缓措施。通过城市气候建议图和城市气候规划结构图，规划师可以直观地了解具体区域的气候规划建议措施和气候规划发展方向，进而做出下一步决策。
4.2城市气候专项规划建议
针对南山区的绿地系统和通风系统，提出专项规划建议，使其与城市气候规划建议图互为补充，以改善南山区的热岛效应及促进通风。
4.2.1城市绿地系统规划建议
适当增加绿地及绿色廊道有助于减缓热岛效应，提高城市环境的舒适度。对南山区绿地系统提出如下规划建议(图5)：
(1)在城市环境气候图中，前海、南头和南油一带的城市热负荷最为密集，且开放绿地较少。对于此类区域，可通过道路绿化与建筑立体绿化，形成绿色循环带。
(2)将绿地和通风廊道相结合，通过绿廊和风道将各个分散的绿地空间连接起来。对于建成区的主要道路，要做好道路绿化，提高遮阴效果。
(3)北部和南部两大城市绿地是南山区的主要绿肺和冷空气发源地，应通过带状绿地的建设，将这两个地区的生态效应引导到城市中心。规划以大沙河为主要城市绿带，同时结合现有道路绿化和公共绿地，组织新的连通绿带。
(4)南山区城市绿地系统应通过“点”(分布广泛的小型绿地)、“线”(带状绿地和楔形绿地)和“面”(大型水体和城市公园绿地)相结合，连接成带，交织成网。
4.2.2通风系统规划建议
深圳地区气候湿热，通风廊道的建设能够极大地改善闷热潮湿的热舒适状况，减少空气污染。根据南山区城市气候规划建议图及当地地理气候情况，建议采取以下几类规划措施(图6)：
(1)建立滨海风环境缓冲区。城市滨海区拥有良好的海陆风资源，建议在沿海区域设置沿海至内陆的缓冲区，控制缓冲区内建筑的开发强度，采用增加开放空间与建筑后退距离、改善建筑朝向和增大建筑对风渗透率等形式来让海风渗透到内陆地区(图7a)，构建从缓冲区到城市建成区内部的风道。该区建筑群迎风面渗透率建议维持在20％以上[8]。
(2)建立山坡风环境缓冲区。南山区北部海拔较高的羊台山、塘朗山等吹向市区的冷却气流具有降温作用。建议沿着山地和城市建成区边缘设置缓冲区，减少对于缓冲区内植被的影响，注意保持从北部山坡通向城市建成区的风道。
(3)城市风道维持和规划。城市风道的长度宜在500m以上，宽度至少为风道两侧建筑或树林高度的1.5倍[9]。南北走向的大沙河公园长4.8km，宽度为480～840m，是城市最重要的一级风道。它将北部的塘朗山和中部海岸连接起来，使得海陆风和山谷风相互连通与循环。因此，该风道周围的区域要考虑减少城市活动活跃的商业用地，避免设置产生污染的工业用地，控制开发强度。南山区中部和南部主要受到海陆风影响，主导风向为北偏东和南偏西；北部还受到东风及东偏南风的影响。对于没有城市大型风道经过的南油、南头等高热负荷的城市核心区域，北向或北偏东的道路形成了城市中的次级风道；北部地区则增加了东西向道路为次级风道。这些风道在城市更新及新区建设时应该被重点关注，建议进行维持并扩展。对于城市内部风道两旁的建筑，应该要控制建筑高度(H)和街区宽度(W)之间的比值，保持在3∶1以下为优[8]。在进行新的道路规划和城市建设时，主要道路方向应大致与该地区盛行风向相平行，并保持一定长度，以确保风道的有效性。如果能够构建连接南部海岸至北部山林的城市风道，将能有效促进城市空气循环，缓解热岛效应。目前南山区的道路只有南海大道能够较为完整和通畅地连接这两个区域，在规划时应该对此加以引导，开辟和增加穿越城市热岛中心的城市风道。
(4)基于改善风环境的建筑设计引导。对于占地面积较大的大体量建筑，特别是裙楼部分，应该采取控制其建筑密度，将大体块分散成几个小体块的形式，促进行人高度上风环境的改善(图7b)。湿热地区多采用短板行列式建筑组合形式，对于城市滨水区域和主要风道周围的区域，板式建筑的朝向既要考虑日照、景观等因素，又要注意当地主导风向这一个因素，建筑长面应和主导风向平行或保持30°以内的角度[10]。当建筑群因为其他因素需要将长边面对主导风向时，可以采取削减建筑长边长度以及扩大相邻建筑间的距离来制造通风路径(图7c)。对于大型单体建筑，当其迎风面积过大时，应该采用挖洞、架空等形式来确保风的渗透性(图7d)。
5结语
在中国快速城市化进程中，越来越多的“城市环境病”开始显现。在城市规划中将城市气候环境考虑在内是十分必要的。只有将多学科的学者协同起来对城市环境气候图展开研究，并应用到城市规划和设计当中，才有可能避免在城市建设后期遇到气候问题时处于被动局面。本文以地理信息系统为技术基础建立了深圳市南山区城市环境气候图，同时有针对性地提出南山区的城市气候规划建设策略。在此基础上，笔者建议从规划要素的角度来定义城市风热环境状况，并将这些环境信息反馈到下一步的规划决策中，进而利用城市规划和设计来改善城市气候状况，提高环境舒适度。城市环境气候图的研究和应用仍处于不断发展与更新中。一方面，城市环境气候图的数据和技术手段都需要根据实际状况不断推进，以适应城市发展变化和人们对环境质量不断提高的要求；另一方面，城市环境气候图的内容和功能不是一成不变的，它涉及的学科和相关专业人员也在扩展，需要城市管理人员、规划设计者、专业研究者的支持和协作。
参考文献：
[5]贺晓冬，苗世光，窦晶晶，等．北京城市气候图系统的初步建立[J]．南京大学学报，2014(11)：760-771．
[10]李军，荣颖．武汉市城市风道构建及其设计控制引导[J]．规划师，2014(8)：115-120．
作者:袁磊 方宇婷 高文秀 单位:深圳大学建筑与城市规划学院
