多尺度城市形态与空气质量的相关性研究

裴 婷

（新疆师范大学，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830054）

空气在人类日常生活中必不可缺，然而由于我国城市化进程的加快，使得环境问题日益凸显，空气污染问题日渐严重。据世界卫生组织报告，居住在拥有空气质量监测系统的城市中，超过80%的人生活在被污染过的空气当中，其超过了世界卫生组织的限制。空气污染会危及人类的身心健康以及阻碍人类的出行活动，还会降低居民对生活的主观幸福感。通过流行病学调查和实验研究发现，空气污染物的暴露与肺功能损伤有关，及与呼吸系统患病率和死亡率呈正相关。种种迹象表明，长期暴露在被污染的空气之下，其危害之大且广泛。

由于空气污染问题越发严重，因此许多学者从各种角度各类学科对于空气质量问题展开研究，关于空气质量相关的话题已成为热点研究话题。以“空气污染”话题为例，在知网上相关话题的研究高达34 000多篇，每年的研究数量仍然居高不下，其涉及的学科包含环境学、医学、建筑学和气象学等多个学科，这些学科多从污染物的来源、影响机制等角度来探讨空气质量。越来越多学者思考城市形态与空气质量的联系。城市形态是城市发展变化过程中城市空间在外部形状、紧凑度和破碎性等方面所表现出的特征。有学者研究发现城市空间形态会加剧空气污染问题。复杂的城市形态会使得空气污染天数增加，同时空气污染天数的增加会有损人们的健康。家庭用车出行的尾气排放是许多城市空气污染的主要来源，其与城市形态有很强的相关性。以往对于城市形态与空气质量的相关性研究，多聚焦于大都市、街区或街谷等尺度单一的城市形态，因此，文章基于前人研究的基础之上，从多尺度城市形态角度切入，分析和识别多尺度的城市形态与空气质量的相关性，是对已有研究的补充，其研究结果有助于优化和改善设计城市形态要素，为城市空气治理提供帮助和支持。

1 国内外研究进展

国外已有学者对不同尺度下城市形态与空气质量的关系进行了相关研究。首先基于城市尺度，对于城市形态对空气质量的影响这一研究较早做出贡献的是Martin Wachs，其通过对美国洛杉矶城市形态对空气质量的影响中发现城市密度与空气质量呈负相关。而后有研究者在其基础上，加入城市结构、城市紧凑度、城市规模、城市碎片化程度、道路密度等城市形态指标，通过建立多层次回归模型、采用线性回归方法和空间自相关等方法研究这些城市形态指标对空气质量的影响，研究结果发现高紧凑度的城市形态会减少空气中的碳氮化合物，城市碎片化程度、道路密度等于颗粒污染物呈正比。空气污染物除了碳氮化合物和颗粒污染物对人体有害之外，臭氧同样也对人体产生危害，Kang等人发现城市土地利用的混合程度越高，空间格局越集中，出现对人体健康有害的极端臭氧天数越少。基于街谷尺度，街谷的几何形状、街谷阳台、街谷气象条件和植被特征都会影响街谷的内部气流场，使得交通污染物分布不均匀，从而影响街谷内的空气质量。街谷的流行交通干预措施包括低排放区和拥堵费，可以适度改善路边空气质量。

国内对于城市形态与空气质量的影响研究比国外迟，但近年来也有越来越多学者关注到城市形态与空气质量之间的关系。比如，基于城市尺度，李莎等人以长沙市为例，研究结果表明商业服务用地与道路交通用地、高斑块密度与高用地容积率网格PM2.5浓度相对较高；还有研究者发现城市形态指标中，城市人口密度、城市用地类型、城市公共交通、城市规模、城市形状和城市密度都对空气质量有影响。基于街谷尺度，街谷颗粒物的扩散不仅与绿化有关，与街谷的高宽比、街谷形态、街谷走向和街谷天空视域因子有着密切联系；任蘇琪利用风洞实验验证的CFD数值模型，结果表明街谷两侧建筑物高宽比的增加不利于空气污染物的扩散；柴晋鹏等人通过研究乌鲁木齐市不同街谷交通污染物浓度的时空变化，发现风向与街谷成锐角时污染物浓度较低，风速较大时污染物浓度较高，街谷两侧建筑物高度比在[1.5，2）之间，污染物浓度较低，在[1，1.5）之间，污染物浓度较高。

国内外均有学者对于城市形态与空气质量之间的联系做出相关研究，得出相应结论。国内与国外相比，对于该研究起步较迟。国内外对于城市尺度城市形态与空气质量的关系多聚焦在城市规模、城市形状、城市结构和人口密度等形态指标对空气质量产生何种影响上，也有学者通过构建由发生模型、影响模型和测度模型三个模型构成的城市形态与空气质量关系的研究框架来研究城市形态对空气质量的影响。为了更进一步的了解城市形态是如何对空气质量产生影响，有学者通过探究影响机制来回答这一问题。由于高流量排放和阻碍分散，街道峡谷通常是高度污染的城市环境。高层建筑形成的城市街道峡谷限制了车辆排放物的扩散，这加剧了路边空气质量，对公众构成了严重的健康风险。国内外对于街谷尺度城市形态与空气质量的关系研究有从街谷的几何形状、交通特征、街谷朝向和街谷高宽比等街谷形态指标切入研究，研究方法也日渐增多，研究结果表明街谷形态各指标和气象条件之间通过复杂的相互作用使得街谷内空气质量发生变化。综上所述，无论国内还是国外，对于城市形态与空气质量之间的关系研究大多从单一尺度切入，因此文章通过梳理总结前人的研究现状及结果，从多尺度角度切入研究该问题，试图揭示不同尺度的城市形态与空气质量的关系。

2 城市尺度城市形态与空气质量的相关性

2.1 城市规模与空气质量的相关性

城市规模是城市形态众多指标中最明显的部分。城市规模可用城市建成面积、城市经济规模和城市人口规模来表示，因文章研究的是城市形态，故文章的城市规模指的是城市建成区面积。随着城市规模的不断扩大，关于城市空气污染物的总排放量也越来越大。由于城市规模的扩大，人们的通勤距离变长，其在通勤的道路上花费的时间也相应变长，因此会排放出更多的交通污染物，这使得空气质量变得更差。P.D. Hien通过研究越南河内的城市扩张，结果表明随着河内城市的扩张，其NO2和SO2在空气中的浓度上升。但也有学者的研究结论与该观点背道而驰，该结论揭示了城市规模的扩张会缓解城市制造业聚集所产生的雾霾污染的加剧作用。

2.2 城市结构与空气质量的相关性

有两种城市结构，一种是城市围绕一种中心区集中发展的单核心结构，另一种是由多个核心发展起来的多核心城市。研究表明，规模较小的城市采取单核心结构，原因是有利于改善空气质量，单核心结构缩短通勤距离，从而减少通勤路上污染物的交通排放；而多核心结构则对规模较大的城市比较友好，规模较大的城市人口分布较广泛，多核心结构的城市交通网络分散，其能更好地疏导规模较大的城市人口流动。为了改善空气污染问题，对于规模较小的城市建议采取单核心结构，规模较大的城市采取多核心结构。

2.3 城市密度与空气质量的相关性

城市密度一般包括人口密度、建筑密度、交通密度和产业密度等。因为数据获取容易，前人较多用人口密度代表城市密度来研究城市密度与空气质量的相关性。文章为了更加广泛且深入的研究其二者之间的关系，采取人口密度来代表城市密度。对于城市密度与空气质量的相关性，不同学者各抒己见。最早有学者认为城市密度越高，人口越集中，其空气污染必定越严重，而后发现低密度的城市蔓延使得空气污染更严重。城市密度的提高，其对于改善空气质量具有重要意义。城市密度的提高会降低城市内交通通勤成本，发挥公共交通系统的规模效应；高密度的企业集聚，有利于大气污染的集中监管、大气污染治理公共设施的高效率使用和空气污染治理技术的传播；居住密度的扩大，将有效地降低个人和家庭的能耗水平，减少个人活动带来的大气污染物排放。

3 街谷尺度城市形态与空气质量的相关性

3.1 街谷高宽比与空气质量的相关性

街谷高宽比是研究街谷与空气污染的热点指标。街谷两侧建筑物的高宽比影响着街谷内部气流场结构，从而影响街谷内部空气污染物的扩散。在近来研究中，有学者发现在无架空层的情况下，街谷高宽比增大不利于空气污染物的扩散。有研究表明不同街谷高宽比，街谷内的漩涡中心将位于不同位置，污染物浓度与街谷高宽比呈正比关系。这是由于街道两侧建筑物越高，街谷低部涡旋流场强度较弱，既污染物扩散的动力因子减弱，使得其扩散速率减慢，污染物产生堆积，因而浓度较高。在建筑物高度一定的条件下，缩小建筑物宽度和加大街谷宽度会增强街谷内外空气的交换，从而有利于街谷内部空气质量的改善。

3.2 街谷天空开阔度与空气质量的相关性

天空开阔度是一个点可见天空面积与天空面积的比值，其值在0-1，0表示完全遮挡的街谷空间，1表示完全开放的街谷空间。街谷天空开阔度能比街谷横纵比更好地描述复杂的街谷环境。有实例表明大气颗粒物浓度与天空开阔度之间的有较强的正相关性，且随着颗粒物粒径的增大，相关性增强。街谷天空开阔度与街谷两侧建筑物的高度和街谷宽度有关，当街谷宽度一定时，街谷两侧建筑物越高，其天空开阔度越低，空气污染物越容易集聚于街谷之中，从而使得街谷内空气污染物浓度升高，街谷空气质量变差。

4 结论与展望

面对城市形态与空气质量之间的关系研究，目前有实例证明其二者之间确实存在关系。城市空气污染具有复杂性和综合性，城市形态对空气质量的影响并非直接影响，城市形态通过改变空气污染源头排放，从而对空气质量产生影响，比如改变和调整城市形态，其可影响交通布局和第二产业聚集，进而影响汽车尾气排放或工厂污染物排放，最终影响空气环境。国外对于城市形态与空气质量关系的研究，为我国相关研究和城市规划者未来规划城市提供了新思路，由于我国发展背景和国外存在差别，在面对通过城市形态改善城市空气质量这一问题时，必须结合我国城市化的发展阶段和特点，通过优化城市形态来改善空气质量，从需求端控制能源的消费将会对治理城市空气污染起到长期有效的作用效果。

根据已有研究，笔者对未来相关研究提出以下展望与设想：（1）除了从城市尺度和街谷尺度切入研究城市形态与空气质量的关系，还可以加入国家和街区等尺度来研究二者的关系；（2）城市空气质量不仅受到城市形态的影响，是否也受到周围地区的影响，受影响的程度如何；（3）不同季节和天气下的城市形态对空气质量的影响是否存在区别，存在区别背后的机制是什么。总之，对于城市形态对空气质量之间的关系，仍需更加全面彻底地研究，该研究不仅能为改善城市空气质量提供一份力量，也能推进城市成为更加宜居的空间。