世界气象日 | 气候韧性视角下的城市通风廊道规划策略研究
导读
3月23日是世界气象日,今年世界气象日的主题是“天气气候水,代代向未来”。
伴随着城市化的快速推进,自然生态环境承担了巨大的压力并由此催生了许多环境问题,其中恶劣的气候事件成为了影响城市的重要因素。为了让城市适应气候变化,使之面临气候灾害时能够具有较好的抗击打性和灾后修复性,气候韧性规划应运而生。文章针对目前比较突出的热岛效应、空气污染、雾霾频发等气候问题,从气候韧性的角度出发,提出利用通风廊道的构建来增强城市气候适应性。首先对以往的气候韧性及风廊规划相关研究进行了梳理,阐述了气候韧性的概念和意义以及风廊建设的必要性,其次对国内外通风廊道规划的典型案例进行了分析总结,最后结合案例经验,在气候韧性规划的原则基础上提出气候韧性视角下的城市通风廊道规划原则与策略。以期为我国城镇化发展期间应对气候变化提供参考借鉴。
本文字数:9375字
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作者 | 邱月
重庆大学建筑城规学院
关键词
气候韧性 气候变化 热岛效应 通风廊道
0
引 言
随着中国城镇化率的不断提高,人口向城市群、中心城市高度集聚,城市密度逐步增加产生了大量高密度城市,一系列城市病如环境污染、交通拥挤、水资源匮乏等侵蚀着城市的舒适度和宜居度。因此,国内外许多城市(图1)如斯图加特、东京都、广州、香港等探索了缓解“城市病”的规划措施[1]。总书记提出“要深入开展健康城市和健康村镇建设”,“持续实施大气污染防治行动计划,答应蓝天保卫战”[2]。通风廊道的建设有利于“呼吸城市”的打造、通风环境的改善、缓解热岛效应、美好人居的营造等 [3]。本文采用文献调研法、案例分析法进行研究,期望能结合气候韧性来归纳总结出提高城市气候适应性的城市通风廊道规划策略。
图1开展城市风环境评估及应用的国家和地区
图片来源:作者改绘
01
文献综述
1.1 气候韧性相关研究
对气候韧性的研究首先由发达国家进行了探索和实践,研究层面主要集中在国家或者城市的顶层设计上。日本东京在2007年为实现减排保护环境制定了基本战略框架来减缓气候变化。2007年至2015年,美国纽约长期遭受着海平面上升及飓风的困扰,《A greener Greater New York》等三部文件的发布则是为了应对这些气候事件。英国在2008年颁布的《Planning policy statement planning and climate change-supplement to planning policy statement》中提出了区域空间规划设计策略、土地混合使用和规划管理策略和公共服务设施规划设计策略等来应对气候变化。三年后,伦敦制定了相应的规划措施来应对洪水、高温极端天气及其他[4]。2009年至2015年期间,同样面临着海平面上升的威胁的港口城市鹿特丹陆续从五个方面城市水系统适应性、浮动建筑、洪涝治理、水上可达性及气候变化出发提出策略。2014年,日本九州提出了KUC韧性城市框架分别从三个方面治理制度、生态系统以及社会结构和基础设施进行构建。此外,一些专业机构也对气候韧性做了研究[5]。2009年,世界银行发表了两篇报告,这两篇是关于气候韧性城市建设的,报告在阐述了全球所面临的城市气候灾害现状的基础上,提出了气候韧性城市的构建步骤。2014年,美国洛克菲勒基金会提出了韧性框架,来针对城市系统应对气候变化的影响[6]。
国内对气候韧性的研究相对起步较晚,目前只在防灾规划、通风道设计、公共空间设计方面有所研究,现行的城市规划编制体系里与气候相关的内容与实践较少且仅存在与总体规划和详细规划层面。近年来,国内对通风廊道的研究逐渐从理论开始注重实践。刘丹、刘姝宇、柏春等学者在对国外的理论实践进行了梳理和学习的基础上对气候韧性城市的规划策略、设计等实践层面进行了专题研究[7]。如刘姝宇在厦门市的城市气候地图编制中运用了德国城市气候地图的经验。李欢欢、王芳、周艺南等学者更加注重对气候韧性城市理论的具体应用,探究了气候韧性城市的评估体系、设计方法以及增强气候韧性的方法[8]。
在气候变化的当代,气候韧性城市的研究首先被国外所重视,主要的研究专题有通过城市风廊缓解热岛效应、加强城市的气候适应性能力等。国内在此领域的研究尚在起步阶段,多集中于对国外相关文献的梳理借鉴以及少量的实践研究,对具体的气候事件缺少具体的解决方法,需要对国外的相关案例进行总结和研究。
1.2 通风廊道规划相关研究
德国最早对城市风道进行了研究实践并提出相关概念。德国政府为了带走慕尼黑城市内部的脏空气建立了五条风廊。德国学者Kress提出了将作用空间、补偿空间和空气引导通道作为城市通风系统的三大部分[9]。德国斯图加特在20世纪80年代进行了风廊的相关规划,首次提出城市环境气候图在风廊规划中的利用方式,而在同一时期,学者Katzschmer对于新开发的城市建设区规划提出了自己的意见,指出应注重评估风环境、风流通系统等[10]。由德国工程师协会委员于20世纪90年代编制的《VD13787》文件指导了对城市风廊道的设置,同时这一文件对城市风环境应用与评估有指导作用[11]。日本东京在2007年提出通过风、水、绿的结合来分析东京城市内部的通风系统,并提出了五级通风廊道系统[12]。对城市通风廊道进行研究的城市还有巴西的圣保罗市、波兰的夫诺兹瓦夫、英国伦敦等。
我国气象学家在20世纪80年代至90年代末间意识到应该将郊区新鲜空气引入城市中,但在城市规划领域尚未重视风廊研究。香港中文大学建筑学院吴恩融教授团队在2003年研究了香港高密度城市的空气流通评估方法可行性,这是从城市规划的角度进行的。2006年,最早利用CFD模拟技术研究城市通风廊道的科学性、构建方法及原则等议题的是华中科技大学的李鹍团队[13]。刘姝宇与等学者在2010年总结了典型案例德国斯图加特市的城市通风廊道规划方法。李军金、容颖学者在2014年对城市风道提出了控制指引,是从宏观结构布局和微观建设控制的角度所构想的。陈士凌等学者在同一时期利用地理信息系统量化分析了山地城市通风廊道的位置。詹庆明等学者在2015年将RS与GIS技术结合,对福州市潜在的通风廊道位置进行了研究[14]。从2003年至今,在我国相继开展可通风廊道规划专项研究的城市由香港、武汉、长沙、西安、广州、杭州、郑州、南京、北京等。
国外的通风廊道实践早于国内,并从城市问题出发解决气候变化带来的气候事件如雾霾、热岛效应。国内在对国外的实践进行总结学习的同时利用新技术结合城市规划体系进行研究,相关理论研究主要集中在气象分析与廊道识别与构建阶段。国内外的研究与实践大多更加注重现存的气候问题,而较少从前瞻性出发考虑城市对气候的韧性适应。因此本文将对国内外的典型案例进行分析和总结,并结合气候韧性的原则来探究气候韧性视角下的城市通风廊道规划原则和策略。
02
气候韧性与通风廊道及风廊构建的必要性
2.1 气候韧性
由于高度集中的人口、空间布局差异甚远以及多样的经济结构,城市内部的社会组织矛盾愈演愈烈,同时面临的位置风险也更复杂,可能出现的灾难性后果更加凸显。脆弱的城市受气候变化的影响极大(表1),气候的不确定性易致让人措手不及的突发实践,因极端天气所出现的灾害的应对方法急需被研究。而在面对这些气候灾害的打击时,气候韧性城市能够较强地适应压力,气候韧性也就成为了韧性城市评估的重要指标[15]。因此能够对气候变化具有良好的适应性并对气候灾害具有抗击打能力和灾后修复能力被称为气候韧性。
表1气候变化对城市的影响
资料来源:《气候韧性城市的规划响应研究》
2.2 通风廊道构建的必要性
城市通风廊道是指利用江河、湖泊、山谷,以及城市绿地、水体、主干道等空间载体形成的引导城市空气流动,促进大气良性循环,改善城市空气品质,提升体感舒适度的作用通道[16]。在上述表格中所呈列的气候事件中,高温、雾霾等气候事件日益影响着城市内部居民的身心健康。针对上述城市病,选择建立通风廊道来增强城市的通风,是达到气候韧性的重要方式之一。
因此,构建城市通风廊道的必要性主要体现在以下四个方面:①加强空气在城市内部的流动;②促进城郊凉爽空气进入城区打破热岛环流;③通过城市空间的分割来将热岛在大面积的叠加效应清除;④提加城市的绿化。
03
国内外通风廊道规划典型案例
3.1 国外通风廊道规划典型案例
3.1.1 德国斯图加特——城市地理、气候与规划信息相结合
作为德国仅次于慕尼黑的的重要工业城市斯图加特市,也是巴登符腾堡州首府(图2),位于德国西南部内陆,在欧洲承担了河港、铁路枢纽和国际航空站等作用[17]。由于山谷盆地型地形地貌的限制,大气污染物很难被其常年微弱的风速扩散,导致上世纪斯图尔特的大气污染相当严重。
图2 斯图加特市地形图(左),资料来源:作者改绘;图3 斯图加特市气候分析图与气候规划建议图(右),资料来源:《斯图加特城市气候地图评述与启示》
德国在1970年代至20世纪初期间通过城市气候、环境监控等手段明确了污染源,并且制定了作为城市气候环境评估的指导方针的《VDL13787》 [18]。“城市环境气候图”能够在城市空间的层面上表现城市的气候与环境的信息,于是斯图加特从1978年开始利用其辅助风廊的规划。同时,气候工作署所提供的气候环境信息,这极大地帮助了政府和城市规划从业者的工作。同时,通风廊道的规划设计得到了科学指导,相关政策的制定也得到了依据(图3),城市开发更加合理规范,斯图加特市在经历了长期的空气管控后变得宜居。斯图加特市的通风廊道规划是在气候分析图的基础上进行的(图4),主要分为在宏观层面发挥局部环流作用以应对静风气候以及微观层面将微观风环境纳入城市规划决策因子(图5),因此形成了以“绿源地”为加湿器的U字型风廊结构(图6),斯特加特市也成为了“全球最舒压的城市”。
图4 斯图加特市气候规划相关研究
资料来源:作者改绘
图5 斯图加特中央铁路区域风场规划及城市规划方案
资料来源:《应对城市气候问题的当代德国城市设计—以斯图加特21世纪项目为例》
图6 斯图加特冷空气源及通风廊道构建
资料来源:《基于局地环流的城市通风道规划方法以德国斯图加特市为例》
3.1.2 日本东京都——基于对热岛效应系统研究的技术指导
东京都位于日本关东平原面朝东京湾,23区组成了东京都的重要城市群,也是东京都内最主要的高密度都市区,近现代以来急剧的城市化与工业化使其市区温度上升,饱受热岛效应的困扰。
日本东京都政府开展了针对东京都23区的城市热环境研究以期达到降低城市热岛效应的目的,热环境气候图(图7)是基于研究结果制出的,后续公布的控制指引导则也有针对地应对热岛效应。东京都政府在这一研究基础上优化了规划方案,构建了三级通风廊道体系,着重改善重点区域的生活环境及空气品质[19]。首先为缓解城市热岛效应,东京都就区域内风的来源(绿源风、水陆风和山谷风)及其作用范围将风分为海陆风、山谷风和补充风道。并且通过风源的强弱和空气引导通道基础条件的好坏进一步评定出五级风道系统(图8),提出了两种引入海风的方法:①设置不同梯度的建筑群,利用建筑之间的高度差诱导海风进入城市;②将沿海地区的现有街道和河川等渠道利用起来以此促使海风进入城内[20]。“海之森”风道规划中正式运用了这些方式(图9),将城市内的风廊联系起来把海风引入城市,进而减缓了热岛效应对城市的影响。
图7 日本东京都环境图,资料来源:《城市气候图研究:综述》
图8 东京市的五级风道空间分布示意,资料来源:《城市通风廊道研究及其规划应用》
图9 日本“海之森”风道规划示意图
资料来源:东京港湾局
3.1.3 小结
德国首先将城市地理、规划信息等与气候研究相联系,并通过环境气候图将不同的层级系统联系起来。使得城市规划更够更好地运用气候信息,而不同领域的从业者和研究院也能够通过气候评估和信息的媒介提高沟通效率。降低城市热岛的影响是日本构建城市通风廊道的主要目的,其重点是构建更加合理的五级风道系统,而风道系统是通过对各层级风系统的影响范围、空间分布及时效性的差异等的评估结果,核心为海风的引入。这样有助于充分利用自然资源和风廊构建的清晰规划,使其在规划过程中更有依据。
3.2 国内通风廊道规划典型案例
3.2.1 广东省广州市——划分风环境控制区,分类应对,立体管控
作为广东省的政治、文化、经济、科技和教育的中心广州市位于中国的珠江三角洲。广州市处在海洋性亚热带季风气候地区,夏季炎热多雨。拥有高达86.38%城镇化率广州市人口密度高,环境污染严重。城市病侵扰着广州,其中热岛效应大范围地影响着广州市特别是中心城区的环境。
由中山大学环境气象研究所所长范邵佳教授的研究报告中提出, 广州市收快速的城市化的影响,城市的平均风速每10年减小0.25米/秒[21]。广州市为提高城市的宜居性和居民生活环境的舒适度规划了让城市吹起穿堂风的城市通风廊道体系。
首先,划分风环境控制区以及作为通风廊道动力源头的冷风源,进行片区的保护管控强化。重点维护冷风源内绿地、水体、植被等的规模和质量。广州市为保障开敞空间布局对风环境控制区的开发强度控制进行了强化,而风环境控制区可划定三类:迎风控制区、强风利用区、静风改善区,其中迎风控制区、强风利用区是城市风廊的入口,静风改善区是老城区内通风亟待提升的地区。同时,广州市为加强与风浪的联系,运用了结合道路整治、节点开敞改造等方式来打通通风关口 [22]。
其次,强化三维空间管控,风廊沿途禁止建设高层建筑。结合主导风向、开敞空间布局,广州市构建了5主22次的通风廊道体系(图10)。通过总体城市设计和控制性详细规划落实风廊控制,对城市风廊范围内的建筑布局、公共开敞空间、绿化空间等要素布局提出明确的控制要求。
图10 广州中部地区通风廊道体系,资料来源:《广州总体城市设计》
图11 广州市市域通风廊道图,资料来源:《广州市城市总体规划》
最后,控制通风廊道,提升气候舒适型。总体规划层面提出了四大要求,包括保护开敞空间、控制建设强度、引导建设布局和保留主入风口,并在此基础上结合生态廊道控制构建市域6条通风廊道(图11) [23],使城市内的空间环境更加利于通风、清洁空气流通。
3.2.2 香港特别行政区——将气候分析纳入规划标准,通过空间管控引导空气流通
作为人口密度位于世界前列的香港正饱受城市热岛效应的侵扰(图12),同时其亚热带季风气候特征也导致了暑热的情况使得香港内部都市生活环境不舒适,进一步加快了能源消耗的增加并且诱发了许多相关疾病[24]。故香港需要在城市规划及设计做出改善,促进城市建筑群之间的通风,减少暑热的情况,以提升都市生活环境。
图12 旺角、油麻地、红磡和尖沙咀等的城市高温区域卫星图像
资料来源:《都市气候图及风环境评估标准-可行性研究》
香港中文大学的研究团队在2006年受香港特别行政区规划署的委托对城市热岛效应进行研究,并探求能够改善香港生活环境的具有前瞻性的规划及解决方法,该团队为系统地评估香港各个地区的气候特征,开展了《都市气候图及风环境评估标准—可行性研究》(图13) [25]。研究报告制定了都市气候分析图(图14)和都市气候规划建议图(图15),其中后者是在前者的基础上得出的。他们首先根据香港的风环境特点总结出季候风、河川的下古风、局地海陆风及山谷风四种风环流类型,其次对各风环流系统在城市中的空间分布状况进行调查,将香港城区划分了九大风环流区。最终,研究结果对诸如香港的高密度城市的风廊设计与气候规划有相当的启示,并总结了以下规划五个策略与原则:①增加绿色生态空间②提倡集约化发展、降低地面覆盖率③严格控制建筑高度与建筑体积④加强建筑通风度⑤利用风廊加强开敞空间的隐形连接[26]。
图13 香港风环境信息图层(左),图14 香港都市气候分析图 (中), 图15 香港都市气候规划建议图(右)
资料来源:《都市气候图及风环境评估标准-可行性研究》
3.2.3 小结
广州市通风廊道结合了城市设计、控制性规划和总体规划进行构建和控制,并且指定详细的规划方法,划分不同的风环境控制区进行分区管控分类应对,并且在三维空间进行立体管控因此其通风廊道体系的构建和控制可具有刚柔并济的特性,更易控制。而香港在相关规划中对城市风环境进项了系统、全面的调查与研究,并予以风环流分区,最终以图示化的形式进行了呈现。从广州、香港等国内通风廊道规划的实际案例中能够总结出一定的经验与教训,为以后的相关研究具有重要的启示意义。
04
气候韧性视角下的通风廊道规划原则及其策略
4.1 气候韧性视角下的通风廊道规划原则
通过上文对国内外风廊规划相关实例的总结与研究,不难发现通风廊道的规划与气候韧性规划具有同源性,因此文章在气候韧性的视角下对通风廊道规划原则进行了总结,主要包括以下四大规划原则:①多样性与复合性②冗余化与模块化③抗击性与适应性④自治化与层级化。
4.1.1 多样性和复合性
多样性是同一功能提供多种相似的备案来应多未知的风险,但资源和空间的日渐局促对其造成了困扰。因此需要配合复合性原则,将某些交织的功能进行堆叠或者按照时间调控,从而使规划实施的实现高效能够得到保障。
4.1.2 冗余化和模块化
冗余性是指城市气候系统在受到负面因子的干扰与破坏之前,为降低损失而做出的充足的预防工作,如提出多种应急预案来对负面因子进行缓解、反映、容纳。另外,用模块化的方式将气候系统重要元素进行相同或相似的功能备份,以此达到分散风险的目的。
4.1.3 抗击性和适应性
自然灾害是具有不确定性的,其对于城市系统虽是不可抗因素,但经验教训告诉我们应转变防灾思路,从被动适灾转化为主动应灾,具体表现为短期提高城市敏感区的抗击性,长远角度上提高城市的适应性。而通风廊道的设置是面对气候灾害的一种有效的规划手段,其规划原则也应从城市的抗击性与适应性的角度进行考量。
4.1.4 自治化和网络化
无论是城市防灾体系还是城市总体规划体系都是层次分明、逐级管控的状态,这种各自分工、自治化的制度机制能有效的提高规划效率,也有利于加强管控。同理在城市通风廊道的规划中也应注重系统性,在各大小系统网络层级分明的基础上,加强各子系统的自治化,以此形成完整、全覆盖的风廊规划机制,提高城市气候韧性。
4.2 气候韧性视角下的通风廊道规划策略
4.2.1 多方协助,智慧监测
城市通风廊道的建设涉及了地理、气象和规划等多个专业,注重多专业、多方位、多学科、多元化的方式进行规划构建,才能保证其科学性和全面性。在政府的牵头指引下,带动相关的企业、高校研究机构、非盈利组织以及社会各界参与配合,鼓励产学研一体的发展方式。多方协助的城市通风廊道建设才更具有韧性和可持续性。
在数据采集方面,利用气象局所监测的风速、温湿度、辐射照度等基础数据,结合遥感技术的分析,即可获取城市局部地区热岛效应的分布图象,以图示化语言为后续城市风廊规划提供指导性的意义。
4.2.2 结合蓝绿,技术创新
通风廊道规划应注重研究如何利用海风、江风、季风、山风作为城市冷风源,保护郊野公园、山体,增强冷风源管护,将新鲜的冷空气导入城市,尤其要注重江岸、海滨的建筑形态、高度的控制。充分利用山体、河道、大规模绿地等蓝绿自然资源,提升未来发展的韧性。
技术的支持贯穿了城市通风廊道的整个规划过程。风廊规划前期对城市气温、大气的监控及收集资料需要遥感技术、车载光学大气遥感、红外传感技术等技术在的支持;规划中期城市气候的预报和模拟需要WRF和CFD等技术的支持;规划后期对风廊计划方法的模拟需要通过数值模拟技术、CFD和GIS等来对规划决策进行辅助;在最后的规划实施阶段中构建规划交流平台还需要借用可视化和网格媒体等技术,来推动公众参与并实现规划决策的优化[27]。而城市气候是一个影响城市发展的复杂动态因素,现有的技术手段还不够完全实现气候韧性,需要不断地技术革新来完善风廊规划提高其科学性。
4.2.3 分区分级,层层传导
在对城市总体气候功能进行科学评估的基础上,将通风补偿空间、作用空间范围划分出来,并从区域、城市两个空间层级将城市通风廊道体系构建出来,这样的城市通风廊道体系才能足够完善。同时,为形成高效的城市通风系统需要对总体空间布局进行明确,并划定通风廊道风道口、重要节点聚散点以及交汇点范围[28]。城市通风廊道系统可以根据空间尺度进行不同重点的划分,具体划分级别尺度与规划重点如表2所示。
表2:通风廊道规划分级及其规划重点
资料来源:作者整理
在现行的城市规划编制体系中,通风廊道的规划要在城市总体规划及专项规划阶段结合合理的城市结构及开发强度来考虑风向要素。优化城市内部空间配置,从气候角度提出城市绿地系统优化路径。将研究成果纳入城市总体规划的同时,为保障管控的弹性和韧性探索针对廊道本体和影响范围划定的气候导则,最终达到指标管控与空间管控的结合。
4.2.4 实施评估,灵活优化
在区域自动气象站实测与卫星遥感监测数据分析结果的基础上制作气温分布图,并对当前规划建设在应对气候变化的实际结果进行科学分析,根据分析结果进一步对相关通风廊道规划的方法与手段进行指导和修正。比如在城市热岛方面可利用郊区与市区的对比分析,对两者不同时间尺度的气温资料进行评估分析,以此分析城市热岛效应的强度变化,并以此评估城市风廊效应,有利于后续城市风廊规划的优化升级。
05
结 语
本文着眼于当代的热点背景气候变化,探究了如何在气候韧性的视角原则下构建通风廊道的。得出了需要通过多方协助,智慧监测、结合蓝绿,技术创新、分区分级,层层传导、实施评估,灵活优化四项韧性构建策略来实现,有效增强城市的气候韧性,使城市更宜居,从而应对城市发展过程中的诸多不确定性,有益于城市可持续性发展。
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*本文为2021中国城市规划年会论文
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