城市风道即城市通风廊道，即在城市建设生态绿色走廊或在城市局部区域打开一个通风口或廊道，将郊区新鲜洁净的空气导入城市，并将城市中受到污染的空气随风稀释排出，从而起到缓解“热岛效应”和城市雾霾的作用. 由于我国大都市呈现高密度高层化发展，过度城市化特别是城市中心区由于建筑物高度过高过密导致原有城市风场越来越弱，甚至消失，在城市中十分需要“留条风道让你走”^[1].

20世纪70年代以来，国内外学者开始进行城市风道的理论与模拟方面的研究. Kress^[2]在1979年提出了城市下垫面气候功能评价标准，将城市通风系统分为作用空间、补偿空间和空气引导通道，认为作用空间是指需要改善风环境或降低污染的地区，补偿空间指产生新鲜空气或局地风系统的来源地，空气引导通道（亦称风道）指将新鲜冷空气由补偿空间引导至作用空间的连接通道，其下垫面粗糙度一般较小. Georgakis等^[3]利用风洞试验的方法分析表明，街谷单向条件下自然通风潜能下降了 82%，而交叉通风条件下的自然通风潜能下降了 68%. 刘姝宇等^[4]研究发现，热污染与空气污染在静风晴朗的夜晚达到峰值，而盛行风对城市通风的驱动作用受到限制，下垫面热力特征和地形差异成为城市通风的主要驱动力. 由于大量人工建筑的快速增加，近地层风场变化较大. 李磊等^[5]认为高密度城市建筑使得城市内部风速降低并加剧了污染. 王卫国等^[6]对建筑物周围的气流特征以及湍流扩散情况进行模拟发现，随着风速的增大，建筑物周围不同方位的空气流场变化情况不同. 李晓彬等^[7]认为在行列式布局的小区内，当建筑朝向与主风向夹角在60°~75°内有利于建筑室内的通风. 王珍吾^[8-9]等认为建筑宜进行并列式、斜列式和错列式布局.

许多学者从各个角度提出了通风廊道构建方法，归纳起来，主要有局地环流原理、数值模拟和分级分区等方法. 例如，Suder等^[10]通过激光探测与测量（light detection and ranging，LIDAR）扫描，基于远程采集高程数据和粗糙度计算的形态计量方法，以波兰弗罗茨瓦夫市为例，提出并实施了确定城市通风廊道的综合程序. Wicht等^[11]基于粗糙度映射计算和网格的正面面积指数映射方法，利用三维建筑数据库对以华沙为代表的温带地区城市环境进行了分析，并提出了构建城市通风廊道的新方法. 刘姝宇等^[4]对德国斯图加特市从补偿空间、作用空间和空气引导通道3个方面对基于局地环流的城市通风道规划方法进行了总结. 林欣^[12]通过GIS平台、计算流体与计算传热学（parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series）、气象预报（weather research forecast，WRF）等软件，对深圳市通风进行模拟，结合热环境、下垫面类型以及空气污染状况，提取了深圳市的通风廊道，从而建构出多尺度城市通风廊道系统. 王金玲^[13]以基本网络模型为依据，提出了城市风阻系数公式，并建立了基于最小距离模型的城市通风廊道构建方法. 李家燕^[14]利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）技术，通过对城区、分区和街区3个层面的分级研究，构建了由通风口地区和四级风道共同构成的通风廊道体系；同时，从风道构建角度提出了风道建设标准和引导性的建议及对策. Kress^[2]认为通道在某一方向上的长度至少为500 m，最好达到1 000 m以上；通道宽度至少为边缘树林或建筑的1.5倍，最好达到2~4倍. 巴鲁克·基沃尼等^[15]认为当街道走向与风向呈30°~45°时，自然通风条件能达到最优. G·Z·布朗等^[16]认为风道建设最适合的宽度为100 m以上. 刘乐乐等^[17]通过城市环境气候图对宁波市大气环境进行评价，提出了城市风道规划方案和气候环境调控对策. 李鹍^[18]利用CFD技术对实例模型进行分析，提出在城市中建立多种形式的通风廊道以提高城市通风能力，最大限度地利用城市自然资源缓解城市热岛效应的观点. 胡莎莎等^[19]对黄石市风环境和热环境进行了分析，提出了城市风道构建的指导性意见. 李家燕^[14]利用PHONECIS软件对城市风环境进行仿真模拟，根据模拟结果对安庆市各级风道进行识别与构建.

我国当前实际的城市规划工作主要从以下几种角度在理论原理层面入手研究城市风道规划. 例如，依托城市所在区域的地形地貌和气候条件，充分运用自然山体、水体、开敞空间等要素，使风和水汽通过“空中走廊”进入城市；通过控制城市上风向的建筑高度和密度，防止因建筑过高和过密对风形成阻挡导致热量和温室气体在城区的滞留；通过提高重点区域的绿化覆盖率和降低建筑密度，合理安排建筑间距，优化居住小区建筑的布置形式（错位布局优于行列式，点式和条式结合优于单一平面布局），以便形成良好的通风环境等. 由此可见，传统的城市风道规划方法，主要从通过对城市空间布局的合理性及对建筑关系的科学处理手段，可见在总体规划空间层面上，主要以理论分析、定性为主确定城市风道总体布局方案，定量研究只停留在住区或建筑单体尺度，而且目前缺乏城市三维空间模型与数值模拟分析技术的支撑.

本研究以杭州主城区为例，以遥感反演城市地表温度为基础，通过建立城市风道通风潜力综合评价定量模型，先确定出潜在通风廊道区域，并在此基础上结合杭州主城区15个气象站点气象资料获取夏季、冬季主导风向的空间分布特征，提供一种城市总体规划空间层面上的基于通风潜力及风特征量化分析的城市风道构建方法，旨在为我国城市风道的科学规划提供决策参考.

选择杭州主城区为研究区，即杭州大都市区的核心区，包括上城区、下城区、拱墅区、西湖区、江干区和滨江区共6个区，面积共683 km². 杭州属于典型亚热带季风气候，年均气温16.2 °C. 杭州在进入21世纪后的雾霾天数呈现跳跃式猛增趋势. 近年来，杭州多次出现异常高温天气，成为夏季全国气温最高的城市之一，长期被冠以“小火炉”之称，热场环境与风环境均趋于恶化之中.

为获取主城区地表温度的空间特征，我们选取当天以晴朗少云天气的Landsat 8遥感影像数据，卫星过境时间为2015年5月22日，条带号为119，行编号为39，云量为2.88%. 数据共11个波段，选取其中的第10波段作为单波段热红外数据使用. 利用多项式纠正模型对影像数据进行几何精校正，采取3次多项式变化，选取10个均匀分布的控制点进行精校正，校正的基准图为经过校准的2004年杭州市TM影像图，同时采用直方图匹配法对第10波段影像进行大气校正.

为实现整个杭州主城区通风潜力的定量评价，以2~3条城市主干路围合的封闭地块作为一个分析单元，为此将杭州主城区划分为108个分析单元. 根据高分辨率遥感图片目视解译和GIS地图量测相结合的方法，获取每个地块的平均建筑密度、平均建筑高度、城市绿地空间分布及面积和宽度、城市水体空间分布及面积和宽度、城市路网空间分布及路幅等基础数据. 平均建筑高度是在平均建筑密度的基础上，参照各区建设部门提供的容积率数据，估算出每个单元的容积率，即利用单元建筑平均层数=单元容积率/单元建筑密度进行估算，得出每个单元的平均建筑高度.

目前杭州主城内有近百个自动气象观测站点，选取其中15个自动气象站点的数据，参数情况如表1所示，其中G₁为夏季最多风向频率，G₂为冬季最多风向频率. 自动站点的空间分布位置如图4所示，收集到2014年的风向和风速数据(其中八堡站只有半年数据)（见表1），风速和风向传感器距地高度为10 m.

首先利用遥感技术反演出地表温度，分析杭州主城区下垫面热力特征差异，从而确定出补偿空间和作用空间，揭示出城市通风的驱动机制；其次，运用GIS空间分析技术提取城市风道的重要影响因子空间分布图（建筑高度、建筑密度、城市水体、城市绿地以及城市路网等）再运用GIS叠加分析功能形成城市空间尺度的通风潜力综合评价图；再次，依据15个气象站点基础气象数据绘制风玫瑰图，并判定出杭州主城区夏、秋两季的主导风向；最后，综合补偿及作用空间的空间分布、通风潜力综合评价图以及主城区夏、秋两季的主导风向的分析结果，构建出杭州主城区潜在风道. 本研究的城市风道构建技术路线如图1所示.

地表温度作为反映地表热力特征差异的重要参数，代表城市下垫面的表面温度. 地表温度反演的方法通常有辐射传输方程法、单窗算法、单通道算法以及基于影像的反演方法，丁凤等^[20]通过实验对比研究发现，各种方式的地表温度反演结果总体上都比较接近. 在晴朗云少的天气条件下，可认为大气的影响程度在空间上近乎一致，对地表温度的空间分布影响较小. 因此，本文采用便捷且对外来参数依赖性较小的基于影像的反演方法. 基于影像的地表温度反演主要包括辐射定标、地表亮温计算和地表比辐射校正等步骤.

1）根据下式将像元灰度值转换为辐射亮度值：

(1) $ {L_{10}} = {M_{\rm L}} \times {Q_{\rm cal}} + {A_{\rm L}}. $

式中：L₁₀为遥感影像第10波段的辐射亮度值；Q_cal为像元灰度值；M_L和A_L为增益参数和偏移参数，可从影像原文件中直接读取，第10波段的M_L参数字段为

RADIANCE_MULT_BAND_10= 3.3420E-04，

A_L参数字段为

RADIANCE_ADD_BAND_ 10=0.1.

2）根据下式求取地表亮温：

(2) $ {T_{10}}{\rm{ = }}{K_2}/{\rm ln}\left( {1 + {K_1}/{L_{10}}} \right). $

式中：T₁₀为地表亮温值；L₁₀为第10波段的辐射亮度值；K₁和K₂为常量，可直接从影像原文件中读取. 第10波段的K₁参数字段为K₁_CONSTANT_BAND_10，参数值为774.89；K₂参数字段为K₂_CONSTANT_BAND_10，参数值为1 321.08；

3）利用地物比辐射率对亮温温度作进一步校正，以获取地表温度：

(3) $ {T_{\rm s}}{\rm{ = }}{T_{10}}/{\rm ln}\left( {1 + \lambda {T_{10}}/\rho } \right) \times {\rm ln}\varepsilon . $

式中：T_s为地表温度；T₁₀为地表亮温值；λ为热红外波段的中心波长，第10波段的波长λ₁₀=10.9 μm；ρ=hc/k=1.438×10⁻² mK，其中普朗克常量h=6.626×10⁻³⁴ JS，光速c=2.998×10⁸ m/s，波尔兹曼常数k=1.38×10⁻²³ J/K；ε为地表比辐射率，参照文献[21]的研究和判断，设定Landsat 8第10波段水体、植被、裸土、建筑4类地表的比辐射率分别为0.996 83，0.986 72，0.967 67，0.964 885.

4）将绝对温度减去273.15 K转化为摄氏温度，得到地表温度反演结果如图2（a）所示.

城市风道作用空间通常是以城市核心区为中心向四周逐步扩展的区域. 该区域内城市化程度深，建筑、人流、车流密集，各类社会活动频繁发生，人为热排放严重且空气难以流通. 城市风道作用空间由于下垫面性质和众多热源的存在形成了城市热岛，使得城市核心区的温度明显高于周边郊区. 补偿空间与作用空间中的热污染和空气污染因紧邻补偿空间便于进行气流交换，形成较大的热压和风压梯度差. 因此，可以依据城市地表温度的高温区和低温区来大致判定作用空间和补偿空间. 利用地表温度的差异与城市风道补偿空间及作用空间的一致性，通常情况下城市风道作用空间地表温度较高，补偿空间地表温度较低，结合杭州城市主城区的地表覆盖结构(主要山体、水域、建筑及道路空间等)，通过地表温度反演图及地表覆盖要素的空间叠加后在经过分析后来具体划定. 图2表明，从空间分布特征分析，杭州主城区的高温度区主要分布在武林核心商圈(河坊街、环城北路以及秋涛路附近)、城西成片的密集居住区(翠苑、益乐新村、古荡新村)、下城区和拱墅区内未搬迁的工厂区以及下沙的经济技术开发区. 结合杭州城市老城区、工业园区、大型交通枢纽区、中央商务区（central business district，CBD）核心区以及居住密集区的空间分布情况，确定A1~A16杭州主城区的作用空间（图2（b）红色区域）. 杭州的低温区主要分布在具有大量山体的西湖区、大面积水域的钱塘江、绿化覆盖率高的半山森林公园地块以及白马湖附近. 结合城郊农田耕地、山体林地、水域以及城市大型公园的空间分布情况，确定出杭州主城区的补偿空间（图2（b）蓝色区域）.

城市地表粗糙度直接影响城市通风潜力，是反映城市形态对风流通影响的重要参数. 一般而言，地表粗糙度越大，风就越难穿越和流通，而地表粗糙度常与建筑密度、建筑高度、自然植被、水体、城市道路的通达性等因素有关. 城市通风潜力的影响因子包括建筑密度、建筑高度、城市绿地面积/宽度、城市水体面积/宽度和城市路网路幅，构建这5个影响因子的空间数据集的具体做法是先将杭州主城区108个地块单元矢量数据导入到ArcGIS平台中，将其转换成shp矢量数据格式，并对地块进行编号（见图3），然后将平均建筑密度、平均建筑高度、城市绿地面积/宽度、城市水体面积/宽度和城市路网路幅数据输入到对应地块属性表中，即在ArcGIS平台中构建影响因子空间数据集.

首先对各影响因子进行标准化处理. 采用分级赋值法即以影响因子的实际值为基础，依照分级评价标准进行赋值. 考虑到5个影响因子各自的特性和分析精确性，将评价等级按照对城市通风潜力的影响程度分为好、较好、中等、较差和差5个等级，并分别依次按照5、4、3、2、1进行分级赋值，分值越高表明通风潜力越好. 建筑密度和建筑高度是减少空气流动的主要负面因素，而城市绿地、城市水体以及城市路网是促进城市空气流通的主要正面因素.

在城市通风潜力的各项影响因子影响程度评价中，需赋予各个指标不同的权重系数. 采用序关系法确定各影响因子权重值，选取城市水体ω₁、城市绿地ω₂、城市路网ω₃、建筑高度ω₄、建筑密度ω₅等5个通风潜力的影响因子，其中ω₁、ω₂和ω₃对风的流通有促进作用，而ω₄、ω₅则是阻碍作用. 基于5个影响因子相对于通风潜力的促进或阻碍作用程度及大小比较的分析，确定ω₁>ω₂>ω₃>ω₄>ω₅ 的顺序关系，设定：

r₂=ω₁/ω₂=1.2, r₃=ω₂/ω₃=1.2,

r₄=ω₃/ω₄=1.2, r₅=ω₄/ω₅=1.2,

则ω₁/ω₅=1.728；ω₂/ω₅=1.44； ω₃/ω₅=1.44；ω₄/ω₅=1.2；(ω₁+ω₂+ω₃+ω₄)/ω₅=5.808. 因此，

ω₅=（1+5.808）⁻¹=0.146 9，

ω₄=ω₅r₅=0.146 9×1.2=0.176 3，

ω₃=ω₄r₄=0.176 3×1.2=0.211 5，

ω₂=ω₃r₃=0.211 5×1=0.211 5，

ω₁=ω₂r₂=0.211 5×1.2=0.253 8；

{ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅}评价因子的权重系数如下：ω₁=0.253 8，ω₂=0.211 5，ω₃=0.211 5，ω₄=0.176 3，ω₅=0.146 9. 其中，城市水体ω₁ 和城市绿地ω₂ 又各有2个影响因子，分别为水体面积ω₁₁ 、水体宽度ω₁₂；绿地面积ω₂₁、绿地宽度ω₂₂. 按照水体/绿地宽度和水体/绿地面积的权重为0.6 和0.4 加以计算：

ω₁₁=0.4ω₁=0.4×0.2538=0.1015，

ω₁₂₌0.6ω₁=0.6×0.2538=0.1523，

ω₂₁=0.4ω₂=0.4×0.2115=0.0846，

ω₂₂=0.6ω₂=0.6×0.2115=0.1269.

综上，城市水体、城市绿地、城市路网、建筑密度以及建筑高度的权重系数如表2所示.

明确各因子在通风潜力评价中的权重值之后，建立影响因子的综合评价模型，空气引导通道综合评价值：

(4) $ {{V}} = \sum\limits_{{{j}} = {\rm{1}}}^{{n}} {(\beta _{{j}}} \cdot \omega _{{j)}}. $

式中：j 为城市空气引导通道的影响因子编号，n为城市空气引导通道的影响因子总数，β_j为第j个影响因子的单因子评价值，ω_j 为j因子对空气引导通道的权重值（ ${\omega_1}+{\omega_2}+\cdots+{\omega_n}=1$）.

所建立的城市通风潜力影响因子综合评价指标体系如表3所示. 表中，Φ为平均建筑密度，H为平均建筑高度，S₁为城市绿化面状面积，S₂为城市水体面状面积，W₁为城市绿化线状宽度，W₂为城市绿化线状宽度，W₃为城市路幅宽度.

在ArcGIS中，先将各单因子影响图转换为栅格格式，再按分级赋值进行重分类，然后依照综合评价模型进行空间叠加分析，最后生成杭州主城区城市风道综合因子影响图（见图3（a）~（g））. 在综合因子影响图中，颜色越蓝表示该处通风潜力越大，颜色越绿表示该处越不利于城市风的流通. 图3（h）表明，越靠近外围通风潜力越大，越靠近城市核心区，风的流通潜力越弱，上城区、下城区、拱墅区的南侧以及西湖区的东侧是风流通主要障碍区，不仅建筑高而密，而且作为老城区缺乏公园绿地，道路宽度相对较窄. 北、西、南三侧深蓝色的半山公园、西溪湿地、西湖及周边山体、白马湖及周边山体是主城区新鲜空气的重要来源；钱塘江、京杭大运河、余杭塘河、贴沙河、石祥路、天目山路-艮山西路-下沙路、同协路-机场路、江南大道及11号大街等线性空间的通风潜力较强，适合作为空气引导通道.

杭州属于典型亚热带季风气候，夏季和冬季主导风向存在显著差异，但内部各区域主导风向又会因地形和热力特征差异发生改变，因此需要进一步分析内部各区域实际主导风向特征. 通过对杭州国家气象基准站获取的气象数据进行统计分析，制作各气象站点夏季和冬季的风玫瑰图获取各气象站点最大频率风向作为其主导风向. 将收集的各个自动气象站点数据按照夏季(6月、7月、8月)和冬季(12月、1月、2月)分类整理，并绘制成风向风速玫瑰图（见图4（b）、图4（c））. 将表1中夏季气象数据与图4（d）综合分析，发现各气象站点“最多风向”以“ENE、NNE、NE”为主，集中在北方位和东方位之间（东北方位），其中城市西南侧的转塘、龙井山园、湖心亭、杭州站等气象站点的西南方位风向频率也较大（由于城市西南侧有大量的山体和湿地，温度比城市核心区低，产生温度差，形成由西南方向流向城区的局地热力环流）. 此外，依据表1中的“最多风向频率”特征可知，城市核心区气象站点的“最多风向频率”值要比城市外围气象站点低，城市内部的风流通受到建筑、下垫面、人流等的影响因素多，风的方向较为多变；而城市外围“最多风向频率”较大，风向相对单一. 城市风道构建是将风引入城市，因此考虑更多的是冷空气的来源方向，而冷空气一般由城市外围大面积山体、绿地、湿地等温度较低的区域提供，因此，城市风道的构建对城市外围气象站点的风向考虑更多. 综上分析可得，杭州主城区夏季的风向以东北风向和西南风向为主（见图4（d））.

同理，将表3中冬季气象数据与图4（e）综合起来分析. 杭州冬季的风向要比夏季复杂多变，各气象站点的“最多风向”介于N和W之间的站点数量（西北方位）与介于N和E之间的站点数量（东北方位）相当. 其中存在大量山体、湿地等低温补偿空间的半山、阮家村、西溪湿地以及转塘等气象站点的风向都是由外围低温区吹向城区高温区，半山和阮家村为东北风，转塘及西溪湿地为西南风. 综上，杭州主城区冬季的风向较为复杂，以东北风向、西北风向以及西南风向为主，且各风向频率大小相差不大（见图4（e））.

综合对杭州主城区作用空间、补偿空间以及空气引导通道的分析，同时考虑杭州夏季和冬季主导风向特征，在乔司农场、笕桥地块、半山-皋亭山-黄鹤山风景区、城北外围农田、浙窑公园、午潮山国家森林公园&西湖风景名胜区、吴山景区、西溪湿地、滨江公园以及白马湖等地选取10个主要风道口，构建出“两横四纵”6条潜在一级风道（分别用Ⅰ₁、Ⅰ₂、Ⅰ₃、Ⅰ₄、Ⅰ₅、Ⅰ₆表示）和5条横向的潜在二级风道（分别用Ⅱ₁、Ⅱ₂、Ⅱ₃、Ⅱ₄、Ⅱ₅表示），如图4（f）和表4所示.

（1）杭州城市地表温度总体呈现核心高、外围低的特征，高温区主要集中武林核心商圈(河坊街、环城北路以及秋涛路附近)、西湖区东侧成片的密集居住区(翠苑、益乐新村、古荡新村)、下城区和拱墅区内未搬迁的工厂区以及下沙的经济技术开发区，而低温区主要集中在具有大量山体的西湖区、大面积水域的钱塘江、绿化覆盖率高的半山森林公园地块以及白马湖附近. 结合城市老城区、工业园区、大型交通枢纽区、CBD核心区以及居住密集区的空间分布情况，确定出16处作用空间；同时结合城郊农田耕地、山体林地、水域以及城市大型公园的空间分布情况，确定出11处可作为冷空气生成区域的补偿空间，17处可缓解热岛效应的热补偿空间.

（2）杭州北、西、南三侧绿化覆盖率高的半山公园、西溪湿地、西湖及周边山体、白马湖及周边山体是主城区新鲜空气的重要来源；钱塘江、京杭大运河、余杭塘河、贴沙河、石祥路、天目山路-艮山西路-下沙路、同协路-机场路、江南大道及11号大街等线性空间的通风潜力较强，适合做空气引导通道.

（3）杭州夏季和冬季风向差异明显，夏季的主导风向为SSW风(南西南风)，平均风速为2.14 m/s；冬季的主导风向为NNW风(北西北风)，平均风速为2.08 m/s. 由于城市地形以及下垫面差异的影响，城市内部各点的风向又差别较大.

杭州主城区夏季风向以东北风向和西南风向为主；冬季的风向较为复杂，以东北风向、西北风向及西南风向为主，且各风向频率之间相当.

（4）研究结果确定出“两横四纵”6条潜在一级风道和五条横向的潜在二级风道. 6条潜在的一级风道分别为：风向以东北方位为主的钱塘江、半山-皋亭山-黄鹤山风景区-上塘河(半段)-余杭塘河、乔司农场-下沙河道中心公园-下沙沿江公园；风向以西北方位为主的京杭大运河；风向以西南方位为主的吴山景区-贴沙河及沿岸公园-华家池 -艮山运河公园、午潮山国家森林公园&西湖风景名胜区-六公园、五公园等滨湖公园. 5条潜在二级风道均以城市主次干路为依托，分别为：浙窑公园-石祥西路(非高架段)-紫金港；笕桥地块-机场路-环城北路-天目山路-西溪湿地；钱塘江-江东大道-德胜快速路（北侧防护林带）-近江工业区；奔竞大道-江南大道-钱塘江以及钱塘江(滨江公园处)-江晖路-白马湖.

（5）本文从总体规划空间层面提出了一种通过地表温度反演、GIS叠加分析以及城市主导风特征的定性定量分析出潜在城市风道的方法，旨在为城市尺度的风道规划建设提供一种新的视角和方向及方法. 在今后的研究中尚有一些需要深化与完善的工作，例如分级赋值标准还需进一步完善；空气引导通道影响因子的选取可以更加全面和深化. 进一步研究城市风道的落地，在城市总体规划研究阶段，对城市风道综合评价及预留保护对策的研究应受政府部门重视与引导，提出切实可行的建设管理控制规范. 城市地方政府可依据研究结果构建相应的技术法规，有利于间接或直接地促进详细规划阶段风道建设指标的具体落实.