01

背景研究

城市通风廊道一词起源于德语“Ventilationsbahn”，核心是融合气象学、城市规划和生态学等多学科，系统解决城市面临的风、热环境问题，通过优化空间布局来提升城市通透度，改善局地气候和大气环境。自2003年，城市通风廊道概念由香港中文大学任超教授引入内地，经过二十多年的发展，在理论和应用实践方面积累了丰富的经验。

影响城市风环境的核心因素包括三个方面。一是城市所处的气候带分布，如寒冷地区、夏热冬冷地区；再如，亚热带季风气候、内陆季风气候等。二是地理特征，如沿海、河流流域、盆地、丘陵、山地、平原等。汪小琦等针对成都盆地地形高静风频率特征，探寻以保护风源为根本目标的通风廊道体系构建方法，并建立空间评估模型；巫溢涵、詹庆明以广州城市设计重点区域为实验场域，结合丘陵地区城市近地层风场特征，提出基于最小整体通风阻抗的风道识别方法，从“区域—局地”两个空间层面构建通风系统。三是城市形态特征，常用的评价指标包括建成区密度、城市高层群落的空间分布、社会经济、人口密度等。

城市通风廊道的识别与构建是开展规划和管控研究实践的基本路径。不同的研究尺度，在制定规划策略时有不同的侧重点。区域尺度，着重研究自然地形地貌和盛行季风条件；城市尺度，在区域研究的基础上，评估可利用的风环流系统，结合开敞空间构建风道系统。由于城市所处的地理空间格局、地形特征不同，需要因地制宜地开展研究，以提升风道研究的科学性。

2019年9月18日，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会并发表重要讲话，明确提出将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。其中，构建城市通风廊道是落实流域生态保护战略的重要环节，也是切实提升城市宜居品质、促进区域韧性高质量发展的关键。目前，业界针对黄河流域倾斜平原地形的特大城市研究较少，如何充分利用特殊地形条件下的局地环流是研究难点。

本文选取沿黄河倾斜平原地区国家中心城市郑州作为研究对象，丰富特殊地形条件下的风道构建路径和方法。郑州作为特大城市，解决其气候问题，对提升黄河流域城市人居环境、实现区域韧性高质量发展具有显著意义。

02

沿黄河倾斜平原地区

特大城市通风廊道构建路径

在黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略背景下，总结既有研究，围绕城市通风廊道识别与构建进行探索。研究重点针对黄河流域倾斜平原，从区域、城市两个空间尺度建立研究框架（图1）。

图1  总体研究框架图

Fig.1  Overall framework diagram of the study

资料来源：笔者自绘

首先，在区域尺度开展背景风环境研究。基于气象部门三十多年的观测数据统计，运用天气预报模式（WRF）模型的模拟系统确定区域背景风环境，分析盛行风向、风向的季节性特征及空间分布特征，并开展区域生态冷源识别，明确区域风源。其次，在城市尺度，基于软轻风背景下的城市精细化风场，选取地表粗糙度模型、天空开阔度指标，开展城市通风潜力运算评价，通过GIS平台可视化转译和城市近地软轻风风场耦合计算，划定城市潜在风道空间。结合遥感影像（RS）地表温度卫星遥感系统，反演识别作用空间，通过NDVI（归一化植被指数）进行绿量运算，识别补偿空间，进而叠加城市水系、道路及城镇开发强度较低的区域，明确廊道空间。按照主导风向角度、廊道宽度因子划定一级、二级通风廊道，形成城市风道空间体系。针对一级廊道，选择典型区域进行实地观测和模拟实验，验证廊道空间划定的科学合理性。最后，基于管控视角，在国土空间规划背景下，提出有针对性的规划策略。其中，国土空间总体规划层面将风道格局与全域保护发展格局结合，将一级冷源纳入生态空间分类管控。风道规划与绿地系统、郊野公园、生态规划等专项规划全面衔接，并在控制性详细规划中“落图定位”，探索将特殊区域管控指标纳入规划条件，并对重点项目自然通风实施评估等，运用法定规划，上下传导，实现风道规划落地实施。

03

郑州市通风廊道实证应用

选取位于黄河流域中下游分界，具有典型倾斜平原地貌特征的郑州市作为研究对象。郑州市是黄河干流唯一的国家中心城市，是人口超过一千万的特大城市，2023年常住人口达1300.8万，在黄河流域具有典型性。

气候特征：郑州市属于暖温带半湿润大陆性季风气候，北临黄河，西依嵩山，处于东经112˚42΄~114˚14΄、北纬34˚16΄~34˚58΄，总体气候特点是四季分明、雨热同期。

地形地貌特征：郑州市位于秦岭东段余脉，我国二级、三级地貌台阶的过渡地带，地势西南高、东北低，呈阶梯状下降。由西部、西南部构造侵蚀中低山，逐渐下降过渡为构造剥蚀丘陵、黄土丘陵、倾斜平原和冲积平原，形成较为完整的地貌序列（图2）。其中，倾斜平原近南北条带状分布于中部地区，与南水北调的中线走向一致，地形标高100~150m；纵向上，自西向东从丘前到下游呈倾斜状，坡度3˚~10˚。

图2  郑州地形地貌序列图：典型倾斜平原

Fig.2 Topographic and landform sequence map of Zhengzhou - typical inclined plain

资料来源：笔者自绘

快速城镇化背景下气候变化趋势与关联性分析：根据1981年以来的气象数据，郑州市年平均气温呈上升趋势，升温速率为平均每十年升温0.699 ℃；城市风速逐年下降（图3），下降速率为平均每十年0.1m/s静风频率提高。尤其是郑州市主城区，伴随快速的城镇化进程，静风状态增加，进一步加剧夏季热岛效应，也造成冬季雾霾频发。作为特大城市，连绵的高密度建成区叠加高密度人口分布，面对极端天气和突发公共卫生事件时整体功能和设施韧性更加脆弱。

图3  1981—2019年郑州平均风速变化图

Fig.3 Changes of average wind velocity in Zhengzhou from 1981 to 2019

资料来源：笔者自绘

3.1  基础数据

基础数据涵盖气象、GIS遥感和城市规划三类。气象数据包括国家站、郑州站和区域自动站长时间序列的气象观测数据；GIS遥感数据包括GIS和高分辨率卫星遥感影像资料、地形数据精细化的数字高程模型（DEM）等；城市规划数据包括总体规划，绿地、生态等相关专项规划，主城区建筑高度和开发强度等空间形态数据。

3.2  区域尺度：郑州市域背景风环境研究

结合气象观测站点的统计分析和市域生态冷源的分布，利用WRF模型模拟及分析区域背景风环境与自然通风潜力，为构建通风廊道提供风源支撑。

3.2.1 基于观测数据和WRF的区域背景风环境

统计分析郑州市范围内53个气象站三十多年的风向、风速数据，确定主导风向及其季节性特征。利用WRF模拟市域大气环流场，综合研究区域背景风环境，包括主导风向及其季节性特征、受地形影响的空间差异。

（1）主导风向及季节性差异特征

郑州市主导风向为东北风，出现的频率占比8.8%，其次为南风、东北偏东风、东南偏南风，分别占比8.5%、8.4%和8.2%。主导风向呈季节性差异化特征，春、夏季为南风和东南偏南风；冬季为东北风、东北偏东风、西风和西北偏西风。

同时，利用中尺度WRF模式多重嵌套，模拟郑州地区典型天气条件下1km×1km分辨率风场，重点分析近地面10m风场环境特征，地形、山谷风环流影响，分析气流易汇集区。结果显示，模拟风场与实况风场基本一致，郑州市夏季主要盛行南风，冬季主要盛行东北风和西北偏西风。

（2）主导风向受地形影响呈现差异性

研究显示，主导风向的空间分布特征与地形影响密切相关（图4）。市域北部受山区地形和黄河流向的共同作用，以东西风向，东北偏东、西南偏西风向为主；西南一带受山区地形影响，以西北、东南风向居多；环形倾斜平原地区风向呈东西向分布；东部和东南平原地区风向与季风风向一致。

图4  郑州市域“风玫瑰”空间分布图

Fig.4  Spatial distribution map of urban wind rose in Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

3.2.2 区域生态冷源识别

利用卫星反演，通过植被覆盖NDVI分析和GIS可视化分析，将市域范围的冷源划分为四个等级（图5），即强冷源、较强冷源、一般冷源、弱冷源。北部沿黄河一线冷源等级较高，以强冷源为主；西南部山区，以较强冷源、强冷源为主；其他区域冷源强度以弱冷源、一般冷源为主，局部零星地区有较强冷源分布。

其中，强冷源集中分布在沿黄河区域及嵩山地区，与城市生态红线空间高度契合。基于主导风向和生态冷源分布，综合确定区域主要风源，包括季节性主导风及外围沿黄河区域河陆风和嵩山地区山谷风。

图5  郑州市域冷源空间分布图

Fig.5 Spatial distribution map of cold sources in Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

3.3  城市尺度：郑州市主城区通风廊道构建

在区域风源研究的基础上，基于风道物理空间属性和热力属性特征，科学划定城市的廊道空间、补偿空间和作用空间，构建郑州市主城区通风廊道体系（图6）。针对倾斜平原地区，结合详实的气象、遥感、规划数据，综合运用气象资料统计分析、数值模拟、实地观测及热岛、卫星反演等技术方法，着重考虑将由西高东低倾斜的地形因素而产生的局地环流纳入风道体系。

图6  郑州主城区通风廊道构建路径与方法

Fig.6 The construction path and method of ventilation corridor in the main urban area of Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

3.3.1 倾斜平原地形条件通风廊道空间识别方法

通风潜力是由地表植被率和城市建筑地表覆盖率确定的地表粗糙度，以及天空开阔度，共同定量核算得到的空气流通能力。结合人工气象站观测数据，重点统计在城市通风廊道中起作用的“软轻风”（风速0.3~3.3m/s）。通过气象数据叠加城市建成区的空间形态参数，对自然风的渗透性进行量化和可视化描述。

（1）通风潜力评估

研究选取天空开阔度（SVF）和地表粗糙度长度来描述主城区的通风潜力。主要原因是，天空开阔度指数能充分反映地形因子的遮蔽影响；地表粗糙度适用于描述城市中由建筑物覆盖引起的风速变化。

天空开阔度指数：采用基于高程的栅格计算模式估算，计算公式如下：

式中，γ为第i个方位角时的地形高度角；n为计算的方位角数目。

地表粗糙度：主城区冠层地表粗糙度主要由建筑物引起，利用建筑物高度、密度、土地利用和高分辨率遥感DEM数据，采用格林丁（Grimmond）建立的形态学模型，计算地表粗糙度长度。

（2）通风廊道载体计算

采用精细化100m×100m栅格，对建筑高度、密度物理参数进行WRF模拟，运用GIS对天空开阔度（图7）和地表粗糙度长度（图8）双因子进行叠加，评估主城区地表通风潜力等级，分为五个等级（表1）。结合主城区绿地、水系空间分布等，系统识别城市通风廊道潜在构建区域（图9）。

图7  郑州主城区天空开阔度分布图

Fig.7 Distribution map of the sky openness in the main urban area of Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

图8  郑州主城区地面粗糙度长度分布图

Fig.8 Distribution map of ground roughness length in the main urban area of Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

表1  主城区通风潜力等级一览表

Tab.1  Overview of ventilation potential level in the main urban area

资料来源：笔者自绘

图9  郑州主城区通风潜力叠加分析

Fig.9 Superimposed analysis of ventilation potential for the main urban area of Zhengzhou 

资料来源：笔者自绘

3.3.2 作用区、补偿区识别

结合克雷斯提出的城市作用区、补偿区冷热空气交换理论，利用卫星遥感影像反演计算城市热岛、生态冷源的时空分布。

（1）主城区热岛强度与作用区识别

利用卫星遥感（Landsat5-TM卫星数据），结合下垫面用地类型，对地表温度进行单窗算法反演、GIS空间连接计算，实现热岛强度空间分布可视化。研究显示，主城区热岛强度空间分布呈现由中心向外围递减的圈层分布趋势，且与产业园区空间布局、城市人口密度、开发强度等因素呈正相关关系。依据城市热岛强度特征识别主要作用区，同时对未来城市拓展空间进行时空研判，作为远景作用区。

（2）主城区生态补偿区识别

通过NDVI并利用Landsat归一化差分指标指数估算主城区绿量，综合土地利用类型指标确定生态冷源等级。其中，主城区强冷源主要为水体；较强冷源包括集中连片的森林、绿地；一般和弱冷源为小型的林地、农田。结合冷源等级及其空间分布，识别主城区一级、二级补偿空间。

3.3.3 通风廊道体系构建

遵循顺应城市主导风向、尊重自然山水格局等原则进行通风廊道体系构建（图10）。一是顺应城市主导风向。确保主导风向与通风廊道走向的夹角不超过30˚，可使通风效果达到最大化；二是尊重自然山水格局，充分利用风道贯通黄河等高等级自然冷源；三是因地制宜，拓展风源，利用西高东低倾斜平原形成的局地风场，构建东西向通风廊道，切割热岛空间；四是以问题为导向，重点贯穿小风和高温敏感区域，保持空间开阔度，防止热岛加剧和连片发展；五是空间复合使用，利用河道、街道、低密度区等地表粗糙度低、通风能力较强的地块，作为城市通风廊道的载体。

图10  郑州主城区通风系统规划图

Fig.10  Ventilation system planning diagram for the main urban area of Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

综合以上方法，识别通风廊道空间、作用空间和补偿空间，结合城市总体空间布局，按照与主导风向的夹角、廊道宽度，对廊道空间进行分级、分类。郑州市主城区形成涵盖8条一级通风廊道、13条二级通风廊道、2个一级补偿空间、19个作用空间的通风廊道系统（图10）。一级通风廊道，与区域主导风向夹角小于30˚，保障宽度不低于200m，为城市主通风廊道，能阻隔城区之间热岛蔓延，连接郊外及城市内部高等级生态冷源。二级通风廊道，宽度不小于50m，为次要通风廊道，切割主城区热岛，连接一级通风廊道。结合自西向东倾斜地形产生的局地环流，形成多条东西向二级通风廊道。按照廊道本体的主导用地类型，可将其分为河流型、道路型和铁路型三类，明晰每条廊道的走向、顺应的主导风向和作用季节。2个一级补偿空间，包括北侧沿黄河区域自然冷源补偿空间和城市东南区域顺应夏季主导风向培育的城市一级冷源。根据郑州市主城区热岛强度分布特征，将主城区分为8个主要作用空间和11个远期作用空间。主要作用空间包括惠济、高新等建成区；远期作用空间包括主城区外围的庙李、花园口等。

3.3.4 廊道通风效果验证

为验证通风廊道体系的科学性，对廊道进行实地对比观测和通风效果模拟。

（1）通风廊道WRF模拟效果验证

随机选择连云港—霍尔果斯高速公路东西走向、北京—港澳高速公路南北走向一级廊道进行对比验证。基于中尺度数值模式WRF模拟（图11），对比分析沿着经向、纬向不同方向，廊道内、外气流垂直运动变化情况。分析显示，在一级廊道上空，大气对流运动较为活跃，具有更好的通风效果，有利于冬季小风天的大气扩散。

图11 京广铁路一级廊道WRF模拟效果验证剖面图

Fig.11  WRF simulation validation profile for the primary corridor of the Beijing-Guangzhou railway

资料来源：笔者自绘

（2）通风廊道观测效果验证

气象部门利用自动气象站，同步开展风速、风向的观测对比。选取京广铁路（图12）一级廊道附近及周边加密气象观测站的观测数据，对比廊道及周边区域的通风状况，对廊道的实际通风效果进行验证。在观测时段，廊道范围内风速整体较周边区域大，各时刻的风速值差距在0.9m/s左右。

图12  京广铁路一级廊道观测验证

Fig.12 Observation validation of the primary corridor of the Beijing-Guangzhou railway

资料来源：笔者自绘

模拟及对比结果显示，城市通风廊道能起到改善城市通风环境、缓解小风天大气扩散的效果。

3.4  国土空间背景下通风廊道管控策略研究

城市通风廊道管控的关键在于明晰分级、分类管控体系，全面纳入法定规划，上下传导，贯彻落实相关管控要求。

3.4.1 建立分级分类管控体系

首先，明晰管控对象及要素。管控对象包括廊道本体、补偿空间及作用空间（图13）。结合管控要素特征，将一级、二级廊道细分为控制区（廊道本体）和建设协调区。一级廊道控制区主要针对廊道本体的开阔度和通风性保障，实施最严格的建设限制；建设协调区主要管控沿线建设行为，包括建筑高度、密度、场地间口率等六项指标。

图13  郑州主城区通风廊道控制内容

Fig.13 Control elements of ventilation corridors for the main urban area of Zhengzhou

资料来源：笔者自绘

3.4.2 衔接国土空间规划

在现行的国土空间规划编制背景下，将风道研究纳入国土空间总体规划、专项规划、控制性详细规划三类规划体系，可以实现气象学和规划建设的融合。

（1）将风道格局纳入国土空间总体规划

总体规划阶段，强化高等级冷源生态空间保护，并将其纳入城市生态功能分区，以法定化管控，保障黄河冷源生态复合功能的发挥。一是将高等级风道与城市河流、绿地、公园、开敞空间结合，优化城市保护开发空间格局；二是在生态保护修复中，加强主城区北部沿黄河补偿空间保护和东南生态补偿空间的生态培育，严控建设用地增量，增加绿化总量，优化植物种植比例，提高生态冷源等级；三是在新区拓展中，将风道与城市结构性绿地水系、大型生态基础设施廊道及郊野公园等开敞空间结合，形成自然呼吸的生态网络，提升空气品质，促进空间韧性高质量发展。

（2）以风道研究支撑各类专项规划

专项规划阶段，促进多学科融合。结合区域气候因素，探索将风道研究作为生态保护规划、总体城市设计、绿地系统、郊野公园的技术支撑。

（3）风道管控要求衔接控制性详细规划

针对廊道本体、补偿空间及作用空间进行分类控制引导，并与城市规划管理技术规定、城市设计导则衔接。探索城市气候敏感区和旧城更新类重点项目，进行规划建设气候效益评估，使规划建设更加科学化、精细化。

04

结论与探讨 

基于三十多年气象观测数据，在黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略及将风道格局纳入国土空间规划体系的背景下，针对黄河流域特大城市郑州市的研究实践，得到以下结论：

第一，气象学与城市规划学科融合，综合多源数据，运用长时段气象观测统计分析、卫星地表温度反演与GIS可视化等方法，是构建城市通风廊道的基础。

第二，从“区域—城市”两个空间尺度提出通风廊道构建路径。其中，区域空间尺度，运用WRF模型和长时段气象观测数据，开展背景风环境研究，识别区域生态冷源，全面分析背景风环境及自然通风潜力，为构建通风廊道提供风源支撑。城市空间尺度，因地制宜，选取天空开阔度和地表粗糙度长度，描述主城区通风潜力；系统分析倾斜平原地形形成的局地环流，构建多条东西向风道，提升城市风道的综合通风效能。在郑州市主城区形成涵盖8条一级通风廊道、13条二级通风廊道、2个一级补偿空间、19个作用空间的通风廊道系统。为进一步检验通风廊道构建的科学性，随机选择两条一级廊道，采用WRF对比模拟和实地观测方法，进行通风效果对比验证。

第三，明晰通风廊道分级、分类管控要素，探索将其纳入国土空间规划体系，通过总体规划、专项规划、控制性详细规划的纵向传导，实现精细化管控和落地实施。

本研究为黄河流域特大城市通风廊道构建和规划应对提供技术框架和相关的实践支撑。当然，由于数据掌握程度和多学科融合的复杂性，以及城市地形条件的差异性，还需要不断创新，丰富研究成果。