城市通风廊道构建可行性研究

杨至德，刘云思，张力元，夏 添

（1． 天津城建大学建筑学院，天津 西青300380；2. 河北沧州师范学院，河北 沧州061000）

近年来，我国有些城市冬季出现了严重的雾霾天气，对人们的身体健康、交通出行等许多方面，造成严重的不良影响。面对这种严峻的空气污染情况，国内许多城市提出了建设“通风廊道”的设想[1]。据报导，北京市计划规划建设5 条通风廊道，主要由公园和绿地组成。第1 条西北部的廊道涉及昆明湖、昆玉河、紫竹院公园、玉渊潭等地区；第2 条西部的廊道起点设在植物园，延伸至西五环及两侧绿化带；第3 条廊道沿中轴线地区，由北向南将太平郊野公园、奥林匹克公园、后海、北海、天坛公园等空间连成一线；第4 条、第5 条涉及清河郊野公园、朝阳公园等地区。规划指出，在未来通风廊道规划范围内，建筑物的高度、密度等都将严格控制。并且强调，具体的量化标准的制定十分复杂，需要综合考虑避灾、景观、生态、游憩、排污、降噪以及空气流动等多方面的因素[2]。2018年8月，济南市提出了“济南市通风廊道构建及规划策略研究（社会公示与征求意见稿）”[3]。国内其它城市，如广州、西安、南京、福州等，都提出了规划建设城市通风廊道的设想[3]。香港等城市也有类似提议[4]。

在大气污染物总量不降低、天气条件不发生明显变化的情况下，城市通风廊道究竟能否起到通风的作用？ 通风廊道规划建设方案，一旦通过并付诸设施，会对整座城市产生巨大的影响，影响到人们生活的各个方面，不单单是雾霾的问题了[5]。根据国内主要城市已发布的城市通风廊道构建初步规划，有可能使现有的城市格局发生巨大变化，相应地带来大拆大建，对城市经济社会发展产生巨大影响。建造城市通风廊道，究竟有什么理论做支撑？ 是否采用了严谨的科学方法？

一般认为，大气中污染物数量恒定的情况下，雾霾的形成与城市中空气团运动情况密切相关。空气团运动速度快，雾霾就轻；空气团运动速度慢，雾霾就严重。那么，城市中空气团运动受哪些因素影响呢？ 下面进行分析研究。

1 城市中空气团运动受力情况

在地球表面，包括城市空间，空气团的运动受到4 个力的控制。这4 个力分别为水平气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力和总摩擦力。

1.1 水平气压梯度力

只要在水平方向上存在气压差，就会产生水平气压梯度力。在水平气压梯度力的作用下，空气由高压区向低压区流动（见图1），从而形成风。水平方向上气压分布不均，是空气团产生水平运动的直接原因。太阳辐射所引起的热量变化，是大气中气压分布不均的直接动力。从根本上说，对风的产生和运动，如果要进行人工干预，还是要从太阳辐射着手。太阳辐射引起近地大气和其它下垫面温度的变化，进而引起气压的变化[6]。水平气压梯度力是形成风的主要原因。

实际上，气团还受其它因素的影响，可能会导致出现风向与水平气压梯度不一致的情况。

1.2 水平地转偏向力

地球的自转，引起空气团运动方向发生变化。地平面绕垂直轴旋转，产生水平地转偏向力。水平地转偏向力，不能改变风速，但它能改变风向。水平地转偏向力的方向，与空气团运动方向垂直，在北半球偏向空气运动右方[7]。也就是说，在水平地转偏向力的作用下，空气团离开原来的方向向右偏移。水平地转偏向力，与风速成正比。风速越大，偏向力越高，风向偏移越大[7]。

A=2Ωv cos φ

A-水平地转偏向力；

v-空气团运动速度；

Ω-地球自转角速度；

φ-空气团所处的纬度；

水平地转偏向力与水平气压梯度力共同发挥作用时，空气团运动情况（见图2）。

以济南市为例，春末夏初，主导风向—西风、西南风，向南偏移，更接近西南风和南风。冬季主导风向—东风、东北风，向北偏移，更接近东北风和北风。冬季另一主导风向—北风、西北风，向西偏移，更接近西北风和西风。

1.3 惯性离心力

惯性离心力，与空气运动方向垂直，曲率中心指向外缘。大小与空气运动速度的平方成正比，与曲率半径成反比[8]。

C-惯性离心力；

v-空气运动速度；

r-曲率半径。

当空气运动速度很大，曲率半径很小时，惯性离心力的数值会很高，使风向发生急剧变化。城市中“丁字”形街道，使风向发生急剧改变，就属于此种现象（见图3）。空气运动路径接近于直线时，惯性离心力可忽略不计。

城市中，街道纵横，有时街道非常狭窄。此时，惯性离心力的作用非常明显，是城市通风廊道构建应该考虑的重要因素。在水平气压梯度力（PGF）、水平地转偏向力（CF）和惯性离心力（CE）三个力的共同作用下，空气团受力情况见图4。

气压梯度风受力=水平气压梯度力 （PGF）+ 水平地转偏向力（CF）+ 惯性离心力（CE）

1.4 摩擦力

空气运动时，气层与地面之间，气层与气层之间相互摩擦，对空气运动产生阻力,包括内摩擦力和外摩擦力两种。粗糙地面对空气运动所产生的阻力，为外摩擦力。外摩擦力的方向与空气运动方向相反，大小与空气运动速度成正比。

外摩擦力：R1＝－k1V

V-风速；

k1-外摩擦系数，大小由地面粗糙程度决定，负号表示外摩擦力的方向与风向相反。

外摩擦力的作用，在近地层最为显著，随高度增加逐渐减弱，距离地面1-2 公里以上，作用就很小了，可忽略不计。

当空气内部运动速度不一致或运动方向不同时，上下各层之间就会出现相互摩擦现象，即内部摩擦力。内摩擦力的方向与下层风速向量差的方向一致，大小与下层风速向量差成正比。

内摩擦力：R2=-k2△V

R2——内摩擦力；

k2——内摩擦系数，大小与乱流交换程度有关；

△V——上下风速向量差；

总摩擦力：空气所受到的摩擦力，是外摩擦力与内摩擦力的合力，即总摩擦力。

R总＝R外＋R内

总摩擦力的方向偏向于空气运动反方向的右方，所偏的角度在陆地上为30 度左右，海上为15度左右，大小为外摩擦力与内摩擦力向量之和。总摩擦力使低层空气运动速度减小，方向向右偏转[9]。空气所受到的摩擦力，就数量级来说，比水平气压梯度力和水平地转偏向力小得多，一般可以忽略不计。但是，在近地层，也就是在距离地表2 km 以内的大气层内，摩擦力还是具有一定影响的。特别是在城区，由于建筑物的存在，地表粗糙程度增加，外摩擦力具有增强的趋势。

总摩擦力存在时，空气团水平运动方程如下式：

PGF-水平气压梯度力，CE-地球自转偏向力，FF-摩擦力

有些城市规划设想的通风廊道，如果说有点理论依据、能够起点作用的话，可能就在于外摩擦力了。直观上说，建设通风廊道，可以降低外摩擦力，能够在一定程度上改善通风效果。但是，如果再考虑到内摩擦力和总摩擦力、外摩擦力与内摩擦力的相互作用，使总摩擦力减小，或者趋近于零的情况下，这种通风廊道就不起作用了。

在近地层中，摩擦力的影响比较明显。风速随高度增加而逐渐增大，风向随高度增加而逐渐增加。高层建筑，包括住宅和办公等其它类型的建筑，风速上层比下层大[10]。如果再对顶层采取加温措施，气团受热上升，风速加大更明显，从而产生通风效果。（楼顶可安装太阳能电池板，使局部温度升高）。如果对建筑按照一定的规则进行排列，楼顶升温引起大气流动的综合效应，就有可能构成一种“通风廊道”。

空气团运动是上述四种力综合作用的结果，可用下式表示：

Gn-水平气压梯度；

A-水平地转偏向力；

C-惯性离心力；

R-总摩擦力。

1.5 热力环流

对于地面上的两个地点A 和B，假设在某一高度上气压和温度都相等，那么，等压面等温面重合，成水平状态。

此时，各高度上没有水平气压梯度，没有风。由于太阳辐射等原因，A、B 两地受热不等。A 地上空的气压高于B 地，在水平气压梯度力的作用下，空气自A 地上空流向B 地流动。由于上层空气的流动，B地空空气质量增加，地面气压升高。A 地上空空气质量减少，地面气压下降，于是在空气下层地面产生水平气压梯度，自B 地指向A 地，空所自B 地流向A 地。

上层空气自暖地流向冷地，下层地面自冷地流向暖地，形成环流，即热力环流。

地面水平温度梯度愈大，由暖地指向冷地上空的水平气压梯度愈大，热力环流愈强，风速越大。反之，水平温度梯度越小，热力环流强度越弱，风速越小。

对于一座城市来说，空气团的运动主要受热力环流的影响。热力环流强度越大，风速越大[11]。那么，如何创造条件，促进城市热流环流的形成，并且使之达到最大值呢？首先就要看一下影响水平气压梯度的因素：即太阳辐射和下垫面性质。下垫面包括：沥青路面、水泥路面、建筑、建筑顶层、建筑立面、建筑高度(加生态国际会议获奖论文)、建筑排列组合方式、水体、植被、街道布局[2]。地面水平温度梯度愈大，由暖地指向冷地上空的水平气压梯度愈大，热力环流愈强，风速越大。反之，水平温度梯度越小，热力环流强度越弱，风速越小[12]。对于一座城市，规划建设通风廊道，促进城区空气流动，最根本的就是要使热力环流达到最大值。

2 城市空气团运动改善策略

针对前面的分析，虽然在城区规划建设通风廊道，通风效果不明显，意义不大。但是，根据空气团受力情况和热力环流形成原理，可以采取一些其它措施，以便改善城市的通风状况，减少雾霾的发生，降低雾霾的严重程度。这主要包括以下几个方面。

2.1 在近城区建造森林

森林的降温作用是十分明显的。以停车场为例。汽车车内平均温度：有树木遮荫的，与无遮荫的，相差26 ℃。下午13：00-16：00，太平洋标准时间。

在中心城区周边，根据地形地势和主导风向，选择合适的位置，建造小面积片林。由于片林的存在，中心城区与周边地区对太阳辐射的吸收与散射不同，温度差增大，从而形成水平气压梯度，产生风，进而形成热力环流[13]。中心城区暖空气上升，外城片林区冷空气从近地层向城区补充，形成环流和风。城区上空的污染物自然会被强烈的空气带走，从而起到降低雾霾强度的作用。

在森林降温区，原来以农业生产为主的地区，转为造林和森林经营管理，包括幼林抚育、间伐、疏伐、主伐、以及伐后更新等[14]。由粮农变成林农，单从经济收益来说，15年后，总收益高于单纯农业生产。初期，森林降温区粮食需求，可由政府协调解决。不过3-4个县的面积，当地的粮食需求，可从产粮区调运。

森林降温区规划实例之一：北京地区

北京城区西面、北面、东北面，主要为山地，对风具有阻挡作用[15]。只有南面和东面，可以建设森林降温区。森林降温区规划实例之二：济南地区

2018年8月，《济南市通风廊道构建及规划策略研究（社会公示与征求意见稿）》，对拟建的通风廊道进行了规划。根据该规划，济南市要建设南北向、东西向两组通风廊道，并提出了具体要求[3]。南北向通风廊道的间距控制在5—10 km 范围内，通风廊道平均间距约8 km。通风廊道总宽度3 km，一级风廊2 条，每条宽度约1 km，总计宽度2 km；二级风廊8 条，每条约120 m，总计1 km。

根据城市中空气团运动受力分析、以及由此形成的大气环流特征，这种通风廊道的不合理性是显而易见的，更不用说再考虑具体的街道和建筑物等情况了。仿照北京，建设森林降温区是比较可行的，而且是行之有效的。下面是森林降温区初步选址规划（见图12）。

2.2 在近城区建造阳光地带

阳光地带，就是没有植被覆盖的地带。地表层为沙子、水泥、沥青或其它易于吸收太阳辐射的材料[2]。与周边温度相比，在阳光地带，温度高5.7-22℃。白天升温快，夜间降温快，昼夜温差大。能够与城区形成温度差，进而产生水平气压梯度，最后形成风和热力环流，改善城区空气运动情况。森林地带与阳光地带交替配置，效果会更好。

2.3 在近城区建造“人工海”

利用海陆风原理，建造“人工海”。在沿海地区，静稳天气条件下，白天风从海上吹向陆地，夜间风由陆地吹向海洋，并且以一天为周期，随昼夜交替而转化。这种风，称之为海陆风[16]。海陆风在海洋与陆地之间，实现水汽和热量的输送与交换。对内陆城市来说，“人工海”具有类似的海陆风作用，从而能够促进城区的空气流动。人工海的面积越大，海陆风效果越明显。

以北京和济南为例。北京中心城区北方向，虽然具有密云水库，但是，距离较远，再加上山体的阻隔，难以体现海陆风效果。可以与南水北调工程相结合，充分利用永定河水，在中心城区东向和南向，建造人工海。北京“人工海”选址（见图13）。

济南黄河北岸处，已经建造了一座小型水库[3]。但是面积太小，无法创造海陆风效果。根据济南的地形地势和水源情况，可以引黄河水，在城区北向和西向建造人工海。济南“人工海”选址（见图14）。

2.4 城市建筑与街道格局

建筑能使局部温度升高，增热效应极为明显。一座建筑物，就是一座小火炉。一座高度为60 m 的大楼，占地面积为2400 m2米时，外表太阳辐射吸收面积为10800 m2，是占地面积的4.5倍。随着建筑高度的增加，外表吸热面积增大。建筑高度为100 m 时，面积放大系数达到6.83[2]。吸热面积的增大，可能会引起城区局部温度的升高，成为城市“热岛效应”的重要贡献因子。但是在冬季，太阳辐射强度下降，照射时间变短，温度升高效应相对较弱，“热岛效应”不足以与周边地带形成水平气压梯度，进而对空气的运动产生影响。在这种情况下，城市建筑对空气运动的影响，主要在于摩擦阻力。通过合理地布局，可在一定程度上降低城区空气运动摩擦阻力，从而促进空气的运动。

谢宾斯基地毯（Sierpinski），作为一种分形结构，在用地面积相同、建筑占地面积相同的情况下，能够创造出更多的开放空间[17]。这些开放空间，一方面可以改善地面吸热情况，造成局部温差，产生水平气压梯度，在小范围内创造热力环流，促进风的形成，提高风速。另一方面，能够减少摩擦力对风的影响，提高风速。

许多城市建筑布局多采用正方网格式 （见图15）。在这种布局下，分形维数D=2。

将一个实心正方形划分为9 个小正方形，去掉中间的小正方形，再对余下的小正方形重复这一操作，便得到一次迭代谢宾斯基地毯（见图16，图17）。

D= Ln (b2-n2) / Ln b=1.8928

正方网格式均衡布局，空气团运动能力最差。谢宾斯基地毯一次迭代布局,能使建筑相对集中，同时又能创造出更多开放空间，对空气团运动最有利，促进城区空气流动的效果最明显。