歐陽(yáng)?？?孫 武,陳 敏,孫 靚,朱琳琳,喬志強(qiáng)

華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州 510631

1980年以來(lái),中國(guó)城市經(jīng)歷了歷史上最大規(guī)模的平面擴(kuò)展與垂向高度的抬升,北京、上海、廣州、香港、重慶等成為全球城市高層、超高層建筑物密集分布的城市[1-3]。城市建筑高度與密度的提高,導(dǎo)致城市風(fēng)速降低,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量變差。同時(shí),伴隨著城市建筑高度與密度的提高,原有的自然地形發(fā)生了極大改變,城市人工地貌類型變得多種多樣。風(fēng)環(huán)境質(zhì)量是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要內(nèi)容,它與熱島強(qiáng)度、霧霾天氣出現(xiàn)頻率和靜風(fēng)日數(shù)等指標(biāo)密切相關(guān)。在同樣的來(lái)流之下,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量主要依賴于區(qū)域的地形類型及其在整個(gè)城市宏觀地形中所處的相對(duì)位置。高層建筑集聚的城市內(nèi)部、建筑密度較高的“城中村”、高層圍繞的“盆地”,以及由密集高層形成的背風(fēng)區(qū),由于風(fēng)速減緩,形成城市內(nèi)部高溫和污染物不易擴(kuò)散的斑塊。因此,準(zhǔn)確的劃分城市地形組合類型,并選擇合適的風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)方法,才能客觀地反映城市地形組合類型及其地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響[4-5]。近地面風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià),將有助于優(yōu)化和提高城市宜居環(huán)境的質(zhì)量。

雖然自然地形分類體系與標(biāo)準(zhǔn)的研究已經(jīng)比較完善[6-8]。然而,由于自然地形和城市人工地形差異較大,目前城市人工地形的劃分還不能直接引用自然地形的分類體系與標(biāo)準(zhǔn)[9]。城市地形前期的分類相對(duì)簡(jiǎn)單,側(cè)重于城市構(gòu)筑物[10-11]。相比之下,近年來(lái)李雪銘對(duì)城市地形的劃分最為系統(tǒng)[12-13]。傳統(tǒng)的地貌類型劃分主要依靠判讀勾畫,近年來(lái),多基于ArcGIS,通過(guò)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)進(jìn)行地形地貌形態(tài)的分類[14-16]。另外,與城市建筑地形相關(guān)的指標(biāo)如建筑高度、建筑密度、城市天際線、城市體積及分維數(shù)、城市三維重心等在城市地形分析中得到了廣泛的應(yīng)用[17-23]?？傮w上,相比于城市高層建筑的發(fā)展速度以及社會(huì)的需求,針對(duì)城市地形分類的標(biāo)準(zhǔn)、方法以及應(yīng)用的研究還比較缺乏。不過(guò),仍可以借鑒自然地形的分類體系與建筑形態(tài)指標(biāo),基于GIS對(duì)城市地形進(jìn)行分類。其中自然地形的分類體系里,海拔高度、相對(duì)高度、起伏度以及地形單元的平面形狀是地形類型劃分的主要指標(biāo),從而也成為城市建筑地形分類的主要指標(biāo)。

城市地形與風(fēng)環(huán)境相互關(guān)系的研究中,城市風(fēng)道的規(guī)劃是關(guān)注的重點(diǎn)。無(wú)論空間尺度大小,城市風(fēng)道識(shí)別與風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)必然要考慮自然與人工地形[24]。在ArcGIS平臺(tái)借助LCP(Least cost path),能確定費(fèi)用表面的最佳路徑[25]、動(dòng)物的最佳生態(tài)廊道[26-30],以及偷采者可能的潛入路線[31]。在風(fēng)環(huán)境研究領(lǐng)域中,目前在迎風(fēng)面密度(λf)基礎(chǔ)上,運(yùn)用LCP識(shí)別城市風(fēng)道的嘗試逐漸增多[32-36]。總體上,運(yùn)用LCP對(duì)風(fēng)道的辨識(shí)中,基于格網(wǎng)評(píng)價(jià)相對(duì)較多,更多的突出了建筑物的相對(duì)高度,適合運(yùn)用于平原城市,對(duì)于自然地形考慮不足。同時(shí),LCP的運(yùn)用僅限于風(fēng)道識(shí)別,還沒(méi)有擴(kuò)展到風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

綜上所述,本文以高層建筑密集的特大城市廣州主城區(qū)為例,從宏觀的城市尺度出發(fā),基于建筑與自然地形形成的綜合DEM,對(duì)城市地貌的形態(tài)特征進(jìn)行簡(jiǎn)要的分類。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用最小路徑法,在三種主風(fēng)向約束下,辨識(shí)和評(píng)估了城市尺度的風(fēng)道以及城市的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究區(qū)域

本文數(shù)據(jù)主要包括：2014年等高距5 m的等高線數(shù)據(jù)、2017年廣州市單體建筑數(shù)據(jù)(https://www.udparty.com/index.php/lists/data)和2016年底GF-2衛(wèi)星遙感影像。上述三類數(shù)據(jù)符合后面綜合DEM構(gòu)建的分辨率要求。除此之外,研究區(qū)內(nèi)10個(gè)自動(dòng)氣象站的2016年逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)(http://data.tqyb.com.cn/weather),是后續(xù)通過(guò)風(fēng)頻與風(fēng)速評(píng)價(jià)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的依據(jù)。

本文所劃定的廣州市主城區(qū)是以珠江新城為中心半徑約為12 km的范圍,包括了整個(gè)海珠以及傳統(tǒng)的越秀、荔灣、芳村、天河以及白云區(qū)的大部分,面積約為447 km2。主城區(qū)北部為白云山、鳳凰山、火爐山等丘地,南部有珠江前后航道、海珠濕地、萬(wàn)畝果園等。研究范圍包括了中部城市建筑密集區(qū)、北部白云山低丘以及平坦的東南部濕地三大地理單元,能反映城市建筑密集區(qū)與周邊地形的風(fēng)場(chǎng)相互作用,也能較好地體現(xiàn)珠江、建筑物之間以及丘陵地形夾持下不同類型的風(fēng)道(圖1)。

圖1 研究區(qū)域單點(diǎn)建筑物高度的分布

2 城市地形的分類標(biāo)準(zhǔn)與地形特點(diǎn)

2.1 綜合DEM的生成

根據(jù)等高線生成的數(shù)據(jù),獲得每幢單點(diǎn)建筑物的基底海拔高度,將其與建筑本身高度相加,獲取建筑物的絕對(duì)高度。以建筑面的質(zhì)心代表建筑物位置,得到建筑的高程數(shù)據(jù)。地形等高線亦轉(zhuǎn)為折點(diǎn),同樣形成地形的高程數(shù)據(jù)。保留珠江的基本形態(tài),將珠江水域的矢量面數(shù)據(jù)同樣轉(zhuǎn)化為折點(diǎn),賦高程為0 m,和前述建筑、地形高程數(shù)據(jù)合并,得到包括建筑、地形、水域三種要素在內(nèi)的點(diǎn)集合。在Surfer軟件下采用最小曲率法,生成混合的DEM,采樣分辨率為50 m。使用最小曲率法可在保持?jǐn)?shù)據(jù)科學(xué)性的同時(shí),生成盡可能圓滑的曲面。

2.2 城市地形的概括標(biāo)準(zhǔn)

在分辨率為50 m綜合的DEM的基礎(chǔ)上,重新設(shè)定等高距。通過(guò)近鄰分析用150 m對(duì)建筑物再進(jìn)行聚合,形成進(jìn)一步概括的DEM。根據(jù)絕對(duì)絕對(duì)高度H、相對(duì)高度(H外-H內(nèi))以及平面形狀(扁度)三個(gè)指標(biāo),確定面向城市尺度城市風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)的簡(jiǎn)要標(biāo)準(zhǔn)。其中絕對(duì)高度對(duì)應(yīng)自然地形分類中的海拔高度,相對(duì)高度表示地形單元的起伏程度,平面形狀反映地形的空間結(jié)構(gòu),三個(gè)指標(biāo)均為自然地形分類的主要指標(biāo)。

城市地形命名參考了自然地形的命名方式,三個(gè)指標(biāo)設(shè)定考慮了主城區(qū)建筑物與丘陵高度發(fā)育的特點(diǎn)。居住是城市的首要功能[37],本研究區(qū)域住宅區(qū)在空間連片發(fā)育,多層建筑(5—8層)占比較高,建筑高度都在24 m以下。若將林木視為一種特殊的建筑類型,其高度一般不超過(guò)15 m(5層),主城區(qū)分布的林木占研究區(qū)域的31.19%,加上1—8層建筑基底面積16.08%,兩者共占區(qū)域面積的47.27%。如果單從建筑基底面積的角度來(lái)考慮,2017年1—8層占總建筑基底面積74%(圖2)。因此, 離地面24 m的高度形成了主城區(qū)由建筑和林木組成的基本高度面。另外,白云山山麓的絕對(duì)高度基本處于55 m,在此海拔以下,2017年主城區(qū)建筑物基底面積占總基底的99%以上。而超過(guò)55 m的高層建筑,雖然建筑基底面積占總基底不到5%,體積卻達(dá)到了建筑總體積的20%(圖2),對(duì)城市地形及其風(fēng)場(chǎng)能夠產(chǎn)生重要影響?；谝陨戏治?以絕對(duì)高度H作為基本指標(biāo),劃分H<24 m連續(xù)平坦的區(qū)域?yàn)榈偷?24—55 m為臺(tái)地,H>55 m的為高地,再通過(guò)對(duì)相對(duì)高差(H外-H內(nèi))的正負(fù),識(shí)別是否為洼地,由此確定一級(jí)地形分類中的四類地形：洼地、低地、臺(tái)地、高地。通過(guò)編程計(jì)算平面形狀的扁度,經(jīng)判別,扁度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定在0.7能較好的區(qū)分洼地中的盆地與谷地：

圖2 2017建筑基地面積與建筑物體積隨高度的變化

(1)

式中,B為扁度,L為最小外接矩形的長(zhǎng)度,W為最小外接矩形寬度。盆地的類型可由相對(duì)高差(H外-H內(nèi))標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步細(xì)化,H外為邊界外緩沖100 m內(nèi)的平均高度,若以廣州市的盆地最低海拔在0 m為基準(zhǔn),盆地內(nèi)外部高差達(dá)到55 m以上,則跨越了三個(gè)高度面,屬于深盆地,否則該盆地屬于淺盆地；若盆地未閉合的邊達(dá)到盆地周長(zhǎng)的1/4,則為半盆地。谷地的類型則根據(jù)平面形態(tài)細(xì)化劃出峽谷；臺(tái)地根據(jù)能否連續(xù)又可細(xì)將分為臺(tái)地與網(wǎng)絡(luò)型臺(tái)地；高地中高于55 m的區(qū)域分自然與人工兩類地形,其中自然地形丘陵以北部白云山為代表,人工建筑地形通過(guò)150 m近鄰聚合形成的面為峰林,無(wú)法聚合的為孤峰。由此,廣州城市地形可簡(jiǎn)要概括劃分4個(gè)一級(jí)地形、11個(gè)二級(jí)地形類型(表1)。

表1 廣州主城區(qū)城市地形類型劃分簡(jiǎn)要標(biāo)準(zhǔn)

城市建筑組成的地形與自然地形相比,在相同的空間尺度內(nèi),缺乏過(guò)渡性,變化突然,類型眾多。建筑高度受成本的制約,多層建筑占比高,形成了城市建筑的基地,因而臺(tái)地、低地占比較高(61%),而與高層建筑相關(guān)的地形峰林和孤峰占比較低(4%)。負(fù)地形洼地的谷地、峽谷、深盆地、淺盆地與自然地形相比,邊界清晰,幾何組合特征明顯。網(wǎng)絡(luò)狀臺(tái)地可能屬于城市建筑特有的地形。本文對(duì)綜合DEM的簡(jiǎn)化概括,更適合于城市尺度立體模型的構(gòu)建。

2.3 城市地形類型及其風(fēng)環(huán)境特征

Bornstein等認(rèn)為當(dāng)風(fēng)速超過(guò)4 m/s時(shí),可以有效緩解城市內(nèi)部的熱島效應(yīng)[38]。因此,在城市邊界層,風(fēng)速是影響氣象環(huán)境質(zhì)量的重要因素。而城市建筑高度的差異抬升極大地豐富了人工地形的類型。主城區(qū)11種二級(jí)地形類型將在同樣的來(lái)流下,將對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)場(chǎng)類型,從而使城市風(fēng)環(huán)境趨于多樣復(fù)雜。主城區(qū)地形類型中,面積比例最大的分別是低地(37%)與臺(tái)地(24%),反映了城市建筑地形中間高周邊低階梯型下降的特點(diǎn)。低地位于主城區(qū)外圍,主城區(qū)內(nèi)部的相對(duì)較高的臺(tái)地、丘陵、網(wǎng)絡(luò)狀臺(tái)地、峰林與孤峰占比42%,與主城區(qū)外圍的寬廣的低地相比,對(duì)應(yīng)的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差(圖3)。臺(tái)地之間所包圍的谷地與峽谷占總面積的12%,主要包括珠江及其周邊、車陂涌沿岸以及増埗河至三元里大道兩側(cè)隨河流或道路形成的谷地,上述谷底將成為主城區(qū)內(nèi)部建筑密集區(qū)城市尺度的潛在通風(fēng)走廊。另外在白云山西側(cè)也形成長(zhǎng)度為5 km和3 km的兩條峽谷,可成為潛在的地方尺度風(fēng)道。位于主城區(qū)內(nèi)部的城中村和其他多層建筑,外圍被高層住宅或商業(yè)大廈包圍,形成深淺不同的盆地。盆地總面積為44.8 km2,占主城區(qū)的(10.5%),典型的有石牌村、珠江公園、廣州東站廣場(chǎng)等,潛在通風(fēng)環(huán)境差。北部200—300 m的白云山及火爐山等丘陵構(gòu)成主城區(qū)外圍的風(fēng)屏障區(qū)域,并通過(guò)風(fēng)影區(qū)影響來(lái)流下方的通風(fēng)環(huán)境。同樣,以珠江新城為中心的廣州中心商務(wù)區(qū)密集的超高層建筑形成了11.2 km2連續(xù)的峰林,成為廣州城市高度的屋脊,也將隨著不同的風(fēng)向產(chǎn)生人工地形下的風(fēng)影區(qū)域。最后,越秀、荔灣一帶新建的高層與原有的低矮樓房交錯(cuò),形成在城市地形中獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)狀的臺(tái)地(4%)以及零散分布的孤峰,將產(chǎn)生特殊的風(fēng)環(huán)境形式。

圖3 廣州主城區(qū)城市地形組合分類

此外,由于北部白云山丘陵的存在,總體上城市地形北高南低,并呈現(xiàn)出圍繞珠江新城向外圍階梯遞減的趨勢(shì)。而坡面上珠江新城峰林與白云山之間,也就是自然地形丘陵與人工地形高臺(tái)地間的地形配置將決定和影響不同來(lái)流下城市尺度風(fēng)道與宏觀風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的質(zhì)量。

3 基于城市地形風(fēng)道的識(shí)別與通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)

3.1 風(fēng)道識(shí)別(LCP)與通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)

前人基于格網(wǎng)λf,應(yīng)用LCP對(duì)風(fēng)道的識(shí)別,只考慮建筑相對(duì)高度,同時(shí)并且未對(duì)LCP進(jìn)行走向篩選[39]。本文利用綜合的DEM,近似均勻的在城市盛行風(fēng)入口邊界和出口邊界上分別設(shè)置出入口。如在研究區(qū)邊界的北側(cè)布置風(fēng)道的入口,在南側(cè)布置出口,一般出入口各設(shè)置50個(gè)。通過(guò)Python編程,以海拔高度值為成本大小,計(jì)算從起點(diǎn)到終點(diǎn)的累積總成本。初步生成的LCP路徑會(huì)出現(xiàn)與盛行風(fēng)嚴(yán)重偏離的情況,因此需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步篩選剔除(圖4)。理論上風(fēng)道的走向應(yīng)盡量與主導(dǎo)風(fēng)向保持一致,才能使風(fēng)道具有較好的通風(fēng)效果。另外,Givoni、匡曉明等也對(duì)風(fēng)道走向與風(fēng)向之間的關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,提出夾角應(yīng)控制在30°以下[40-41]。因此,本文以LCP與盛行風(fēng)最小夾角在22.5°以內(nèi)的路徑作為標(biāo)準(zhǔn),篩選城市風(fēng)道。經(jīng)過(guò)篩選后,代表從多個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)組合而來(lái)的北風(fēng)、西北和東風(fēng)最小成本路徑分別共有3116、1979、1577段。在來(lái)流的風(fēng)速確定后,風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量依賴于地形的類型與城市宏觀地形的組合。地形單元能否處于通風(fēng)路徑,以及通風(fēng)路徑上來(lái)流經(jīng)過(guò)的頻率直接影響風(fēng)速,進(jìn)而決定風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣。因此,本文根據(jù)通過(guò)單位面積LCP經(jīng)過(guò)且累計(jì)的總像元數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同風(fēng)向下通風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量。某一區(qū)域內(nèi)LCP出現(xiàn)次數(shù)越多,單位面積累積的總像元素越多,意味著來(lái)流通過(guò)的概率較高,通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量較高。反之,若周邊地形較高,阻止了來(lái)流的進(jìn)入,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量差。

圖4 北風(fēng)下篩選前后的LCP路徑對(duì)比

柵格路徑(P)是一組相鄰柵格像元構(gòu)成的有序序列：

P={pi},i=0,1,2,...,n

(2)

式中pi是柵格像元,i表示有序序列,p0稱為起始點(diǎn),pn稱為終點(diǎn)。近鄰成本C用來(lái)描述2個(gè)相鄰柵格像元之間的高低差異：

C=|p1-p2|k

(3)

式中p1、p2是2個(gè)柵格像元值的向量,|p1-p2|表示2個(gè)柵格像元向量差的模,k是一個(gè)常數(shù),用來(lái)調(diào)節(jié)近鄰成本的大小。路徑成本(D)用來(lái)描述起始點(diǎn)與終點(diǎn)之間某條柵格路徑的成本積累,即：

(4)

式中Ci是柵格路徑中每對(duì)相鄰柵格像元之間的近鄰成本。最小成本(P*)值是起始點(diǎn)p0和終點(diǎn)pm之間擁有最小路徑成本,即

p*=argminDj,j=0,1,2,…,m

(5)

式中m表示第m條柵格路徑,Dj為第j條路徑的成本。據(jù)此可通過(guò)計(jì)算同一路徑不同風(fēng)道上LCP的重疊次數(shù),得出某條LCP經(jīng)過(guò)的累計(jì)像元總量。LCP生成的是矢量數(shù)據(jù),在轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)后,本文以1×1 km的格網(wǎng)為單位,統(tǒng)計(jì)在同一風(fēng)向下,格網(wǎng)內(nèi)LCP從第1條到第n條最小路徑累計(jì)經(jīng)過(guò)的像元總個(gè)數(shù)M(式6)稱為L(zhǎng)CP密度。其中A為格網(wǎng)面積,Li為第i條LCP所經(jīng)像元個(gè)數(shù),Ri為該條LCP重疊的次數(shù)。

(6)

對(duì)2016年研究區(qū)內(nèi)10個(gè)自動(dòng)氣象站的逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明正北-正南風(fēng)是研究區(qū)內(nèi)全年最常見(jiàn)的風(fēng)向,風(fēng)頻占全年的41%,其次是西北及東南風(fēng)向?yàn)?5%,東風(fēng)及西風(fēng)方向只有16%。鑒于LCP的算法,兩個(gè)完全相反的風(fēng)向下LCP路徑基本相同。因此,本文選擇風(fēng)頻較高的北風(fēng)、西北風(fēng)和東風(fēng)三個(gè)風(fēng)向進(jìn)行辨識(shí)與評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)歸一化處理,北風(fēng)/南風(fēng)、西北/東南風(fēng)、東/西風(fēng)風(fēng)頻pj分別占41%、25%、16%,年平均風(fēng)速vj分別為1.9、1.7、1.1(m/s),j為不同類型的風(fēng)向,結(jié)合不同風(fēng)向下的風(fēng)速、風(fēng)頻,用式(7)表達(dá)不同風(fēng)向和全年的風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量Q。

(7)

不同風(fēng)向下前五位LCP密度最高的格網(wǎng)反映了較高的通風(fēng)強(qiáng)度,具有重要的生態(tài)意義,屬于城市風(fēng)環(huán)境中的樞紐地段,本文稱為風(fēng)口。利用公式(5)、(6)和(7),結(jié)合地形類型進(jìn)行風(fēng)道辨識(shí)與風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)(表2、圖5)。對(duì)研究區(qū)劃分1 km的格網(wǎng),共有499個(gè),將1 km格網(wǎng)內(nèi)的像元密度M(式6)分為三檔,它們均為通風(fēng)區(qū),沒(méi)有LCP經(jīng)過(guò)的區(qū)域?yàn)槿躏L(fēng)區(qū)。

3.2 不同盛行風(fēng)向下風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)

3.2.1北風(fēng)

北風(fēng)在通風(fēng)區(qū)面積在三個(gè)風(fēng)向里L(fēng)CP所經(jīng)過(guò)的像元總數(shù)、通風(fēng)區(qū)平均像元數(shù)、最大通風(fēng)強(qiáng)度以及排名稍低于東風(fēng)(表2)。由于在三風(fēng)向下風(fēng)頻(41%)與風(fēng)速(1.9 m/s)最高,風(fēng)道密度大,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量Q是其他兩風(fēng)向的近5倍,通風(fēng)條件最好。白云山西側(cè)的低地與南北走向的珠江西航道谷地、珠江新城東側(cè)的低地與海珠島低地,相互配置形成南北延伸面積廣大的通風(fēng)區(qū),相應(yīng)也發(fā)育了南北貫穿的多條風(fēng)道(圖5)。

表2 不同風(fēng)向下通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量

圖5 不同風(fēng)向下風(fēng)道與通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量(N: 北風(fēng)；NW: 西北風(fēng)；E: 東風(fēng)；全年)

通風(fēng)區(qū)面積占研究區(qū)總面積的71.2%,通風(fēng)區(qū)環(huán)境優(yōu)良。特別是珠江西航道寬谷,成為南北延伸的重要風(fēng)道,同時(shí)風(fēng)口也主要發(fā)育在此風(fēng)道上。通風(fēng)區(qū)主要集中在珠江后航道-荔灣區(qū)南部,以及南北走向的主干道上,如流花湖-康王路/長(zhǎng)壽路、東濠涌高架路、廣州大道北、科韻路-華南快速干線、廣州環(huán)城高速等。在白云山、在白云山火爐山南面,由于處于背風(fēng)區(qū), LCP經(jīng)過(guò)次數(shù)少,為弱風(fēng)區(qū)。此外,弱風(fēng)區(qū)還包括海珠區(qū)西部的網(wǎng)絡(luò)狀臺(tái)地、增槎路和機(jī)場(chǎng)路之間,以及荔灣區(qū)環(huán)城高速與荔灣大道之間的區(qū)域。

3.2.2西北風(fēng)

西北風(fēng)向下,通風(fēng)區(qū)占比最大達(dá)到74.2%,但LCP所經(jīng)過(guò)的像元總數(shù)、通風(fēng)區(qū)平均像元數(shù)、最大通風(fēng)強(qiáng)度在三個(gè)風(fēng)向里排名最差(表2),(圖5)明顯的顯示出稀疏的LCP路徑。白云山與建筑密集的主城區(qū)東北西南方向的配置總阻止了西北風(fēng)的溝通,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量Q只有4.33。通風(fēng)區(qū)主要分布在兩個(gè)區(qū)域,一是白云山西南側(cè),廣清立交以南,中山八路以北；二是火爐山以南,黃村立交一帶,由白云山與龍洞之間的風(fēng)口向東南方向延伸的扇形區(qū)域,在地形上黃村-東圃一帶谷地與西北風(fēng)一致,通風(fēng)效果較好。白云山與珠江新城峰林之間既屬于白云山的風(fēng)影區(qū),同時(shí)建筑物也較為密集,形成了弱風(fēng)區(qū)域。此外,弱風(fēng)區(qū)包括海珠區(qū)西部與荔灣老城區(qū)臺(tái)地、網(wǎng)絡(luò)狀臺(tái)地,海拔超過(guò)24 m,通風(fēng)性能較差。風(fēng)口出現(xiàn)在解放中路和北京路一帶以及白云山與火爐山之間,以及珠江西航道以及前航道的東側(cè)。

3.2.3東風(fēng)

由于白云山、珠江新城峰林區(qū)以及珠江前后航道東西向的配置都與東風(fēng)相順應(yīng),使得東風(fēng)下具有較好的潛在通風(fēng)環(huán)境(圖5),表現(xiàn)在LCP所經(jīng)過(guò)的像元總數(shù)、通風(fēng)區(qū)平均像元數(shù)、最大通風(fēng)強(qiáng)度在三個(gè)風(fēng)向里排名最高(表3),但通風(fēng)區(qū)面積(55.2%)在三風(fēng)向下最低?？紤]到三風(fēng)向下最低的風(fēng)頻(16%)與風(fēng)速(1.1 m/s),總體通風(fēng)條件較差,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量Q只有4.41,同西北風(fēng)相同。在主城區(qū)與白云山之間、珠江前、后航道形成了自北向南三條明顯的東西向城市尺度的風(fēng)道。北部的白云山阻斷了東西之間的交換,形成了面積廣大的弱風(fēng)區(qū)。荔灣-天河區(qū),海珠區(qū)之間網(wǎng)絡(luò)型臺(tái)地,屬于弱風(fēng)區(qū)。風(fēng)口出現(xiàn)在石牌橋以及珠江新城與海珠區(qū)之間的珠江航道上。

3.2.4全年

基于公式(7)對(duì)全年風(fēng)道與通風(fēng)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖5)。珠江航道在三種風(fēng)向下均為尺度最寬貫穿城市最好的風(fēng)道,相應(yīng)地風(fēng)道周邊風(fēng)環(huán)境質(zhì)量也高。受制于風(fēng)向、風(fēng)頻與風(fēng)速,區(qū)域性的風(fēng)道、風(fēng)環(huán)境較好的地段集中在與主風(fēng)向平行的主干道上,但以南北走向居多,如華南快速路與環(huán)城高速路。北部白云山形成的風(fēng)口,對(duì)主城區(qū)的通風(fēng)質(zhì)量有重要制約作用。風(fēng)口除了白云山外,還分布在珠江航道上與城市內(nèi)部的低地。城市內(nèi)部的風(fēng)口通風(fēng)強(qiáng)度大,可能出現(xiàn)的強(qiáng)風(fēng)將引起生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),需予以防范。由于廣州城市地形以珠江新城高臺(tái)地為中心向外遞減,導(dǎo)致以低地地形為主的主城區(qū)外圍通風(fēng)優(yōu)于中心區(qū)域,特別是珠江新城峰林與網(wǎng)絡(luò)狀臺(tái)地為主的老城區(qū)通風(fēng)環(huán)境差。另外,高度超過(guò)55 m的白云山與作為城市屋脊的珠江新城,隨著風(fēng)向的變化,所形成的背風(fēng)區(qū)域也影響下游的風(fēng)環(huán)境。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

4.1.1根據(jù)建筑基底高程值,生成分辨率為50 m地形與建筑混合的DEM。由絕對(duì)高度、相對(duì)高度以及平面形狀,通過(guò)近鄰分析與聚合,面向城市風(fēng)環(huán)境的研究,將城市地形簡(jiǎn)要概括劃分4個(gè)一級(jí)地形、11個(gè)二級(jí)地形類型。概括后的地形類型及其空間組合將利于城市尺度風(fēng)道與風(fēng)場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量的宏觀展示。

4.1.2以海拔高度值為成本大小,以LCP路徑與盛行風(fēng)交角不超過(guò)22.5°的標(biāo)準(zhǔn),篩選確定通風(fēng)路徑作為風(fēng)道。根據(jù)LCP格網(wǎng)的密度與頻次,結(jié)合不同風(fēng)向下風(fēng)速與風(fēng)頻,評(píng)價(jià)分析了不同盛行風(fēng)向下風(fēng)道、風(fēng)口等風(fēng)環(huán)境類型與空間分布。本技術(shù)路線,突出了地形影響,分辨率高,會(huì)較好的服務(wù)于城市規(guī)劃。

4.1.3主城區(qū)自然人工復(fù)合地形與風(fēng)向的宏觀配置決定不同風(fēng)向下的風(fēng)環(huán)境類型與質(zhì)量。北風(fēng)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量遠(yuǎn)高于西北風(fēng)和東風(fēng),白云山風(fēng)影區(qū)使得西北風(fēng)風(fēng)環(huán)境變差,東風(fēng)具有較好的潛在通風(fēng)環(huán)境,但由于最低的風(fēng)頻與風(fēng)速,通風(fēng)條件較差；珠江航道在三種風(fēng)向下都是尺度最寬貫穿城市最好的風(fēng)道；區(qū)域性的風(fēng)道與風(fēng)環(huán)境較好的地段集中在與主風(fēng)向平行的主干道上,但以近似南北走向的居多；北部白云山形成的風(fēng)口,對(duì)主城區(qū)的通風(fēng)質(zhì)量有重要制約作用；由于廣州城市地形以珠江新城峰林為中心向外遞減,導(dǎo)致以低地地形為主的主城區(qū)外圍通風(fēng)優(yōu)于中心區(qū)域,特別是珠江新城峰林與網(wǎng)絡(luò)狀臺(tái)地為主的老城區(qū)通風(fēng)環(huán)境差。上述風(fēng)環(huán)境特點(diǎn),應(yīng)在城市規(guī)劃中予以重視。

4.2 討論

數(shù)值模擬、物理風(fēng)洞模擬以及風(fēng)要素野外實(shí)測(cè)等多種技術(shù)路線均可實(shí)現(xiàn)風(fēng)道的辨識(shí)與風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià),但各自均具有明顯的優(yōu)勢(shì)與不足。野外實(shí)測(cè)由于樣本的局限,難以與其他平臺(tái)上對(duì)整個(gè)城區(qū)風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)結(jié)果相匹配,增加了結(jié)果驗(yàn)證的難度。同時(shí),無(wú)論是數(shù)值模擬、物理風(fēng)洞模擬還是基于GIS平臺(tái)的評(píng)價(jià)結(jié)果均對(duì)城市立體形態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化和概括,要同野外觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證還需要進(jìn)行尺度的轉(zhuǎn)換。對(duì)于來(lái)流正好相反的西北風(fēng)和東南風(fēng)、東風(fēng)和西風(fēng), LCP路徑結(jié)果是相同的,這也說(shuō)明該方法所存在的局限性。因此,基于評(píng)價(jià)結(jié)果需要不同技術(shù)路線的相互驗(yàn)證,才能使其不斷完善優(yōu)化。

本文在50 m格網(wǎng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生綜合的DEM,利用LCP所辨識(shí)風(fēng)道的分辨率高于百米尺度的格網(wǎng)。未來(lái)可以根據(jù)城市規(guī)劃的需要,提高綜合DEM的分辨率,突出單點(diǎn)建筑物,確定風(fēng)道的空間邊界。另外,LCP方法盡管可以確定不同風(fēng)向、不同季節(jié),以及全年所對(duì)應(yīng)的風(fēng)道與風(fēng)環(huán)境質(zhì)量,但可操作性風(fēng)道最終的確定,還要考慮經(jīng)濟(jì)成本、交通的通暢性等其他要素。