1城市气候环境主要特征
1.1城市下垫面形成的独特气候环境效应
城市下垫面主要包括城市不透水面、城市绿地、水体三大类，它们对城市的能量平衡、局地环流等大气过程产生不同的影响，从而形成了不同的气候环境效应。城市不透水面主要包括建筑、道路、混凝土下垫面等等，它们改变了下垫面的热属性，具有较强的增温效应，是产生城市热岛效应的主要原因之一。绿地是城市景观生态系统中的重要组成部分，具有降温增湿、降低地表风速、形成局部小气候的功能，并形成了对城市热岛效应具有缓解作用的城市“绿岛效应”。植被种类、绿地类型、绿地面积及其空间结构不同，对城市热岛的缓解效应明显不同。城市水体主要包括河流、湖泊、湿地等水面类型，它具有降温、增湿的生态作用，并能形成一定程度的“湖泊效应”。
1.2城市风环境
城市风环境对城市大气污染物质的扩散、城市的自然通风状况具有重要的作用，它是影响城市人居环境舒适度的一个重要因素。城市中，在不同的建筑密度、建筑长宽比、街道走向等因素的影响下，城市内部会产生不同的风向风速，从而产生了变化复杂的城市风环境。近年来，许多学者关注运用各种数值模拟技术对城市不同尺度下的风环境进行研究，它对气候环境影响下的景观格局规划具有重要的研究意义。
1.3城市热环境
影响城市热环境的因素主要包括城市气候状况、城市下垫面环境等。城市热岛效应是热环境的一个典型特征，各种人为热量的集中排放、下垫面性质的改变等加剧了城市热岛效应，它对城市污染物质的扩散、对人居环境产生了诸多不利的影响。国内外学者对城市热岛效应的特征进行了大量的研究，主要包括城市热岛效应与城市人口、建筑面积、建筑密度、风速等因素的关系等。
1.4城市空气污染
随着城市的加速发展，化石燃料的大量使用以及车辆的急剧增长导致城市空气污染严重。城市中的空气污染物质主要包括颗粒污染物、碳氧化合物、氮氧化合物、硫化物等。城市空气污染物的浓度除了取决于污染源排放的总量外，还与排放源高度、通风情况、气象和地形等因素有关。影响空气污染物扩散的因子主要包括风和湍流、气温与大气稳定度、天气形势以及下垫面空间环境等。例如污染物浓度与风速呈显著的负相关关系，风速对污染物的扩散起主要作用，温度、湿度对污染物的扩散也有影响。
2城市气候环境特征对绿地景观格局的影响
城市气候环境特征是影响绿地景观格局的重要因素，最典型的城市气候环境特征主要包括城市热岛、风环境与大气污染。在绿地系统规划中，可以根据城市气候环境特征所反映的环境问题，确定减缓城市热岛效应的绿地空间布局方式及合理的绿地种植结构，以形成合理有效的改善城市生态环境问题的绿地景观格局。
2.1城市热岛效应与绿地景观格局
各国学者对城市热岛效应与植被覆盖关系做了大量的研究。绿地面积的变化直接造成了热岛效应范围的变化，绿地景观格局是影响城市热岛效应分布和强度的关键因子。在城市绿地空间格局规划中，可以根据城市热岛的温度效应，构建与城市整体发展相协调的景观集中绿地；确定城市绿地分布的位置、面积以及绿地空间布局方式；采用集中与分散相结合的景观布局方式，有针对、有重点地进行绿地景观的建设，从而实现绿地景观规划由“见缝插绿”向“合理建绿”的转变，同时注重绿地景观格局分布的合理性，建立适宜的绿地景观分布距离，以此缓解城市热岛效应。
2.2城市风环境与绿地景观格局
规划中，应该从不同的尺度对风环境进行动态的研究分析，以引导合理的绿地景观空间格局。在城市尺度上，李敏、王绍增提出在微风条件下，城市需要建立微风通道，注意城市的氧源基地和微风通道的设置以及与风向的关系，在城市上风方向营造或保留大片森林与农田作为城市的氧源。在城市组团尺度上，组团内部也应该根据城市内部的风环境特点设置相应的绿地作为城市内部通风、排气的绿地斑块及廊道，以减缓城市热岛效应，控制污染物质的扩散。在进行城市绿地系统规划时，应该对风在城市内部的变化方式进行分析，了解局部场地条件对风环境的影响，并将其应用到城市绿地景观空间布局规划中，而不是直接利用城市主导风向和风速等参数对城市绿地进行分析和设计。
2.3城市大气污染与绿地景观格局
如何有效地就地处理污染物、阻止污染物的扩散，是城市绿地空间格局规划中需要重点解决的问题。在研究大气污染对绿地格局影响的过程中，首先应该找到真正的空气污染源，对污染源物质的空间扩散过程进行深入的分析研究，了解其空间扩散规律，有针对性的采取积极对策，最大程度地降低城市污染。其次在绿地景观格局规划中，应该根据植物的生理特性，有针对性的选择抗污染能力和吸收净化能力较强的植物，并根据污染物质的空间扩散规律规划适宜的绿地景观空间格局，以起到保护和净化城市空气的作用。
3研究的关键技术方法
3.1计算流体力学(CFD)仿真技术对城市大气数值模拟研究的应用
CFD技术具有流体分析的优势，它可以对不同时、空尺度的绿地景观格局影响下的城市风环境、大气污染物质扩散以及热环境运行状况进行模拟研究，分析绿地景观格局现状，并对绿地优化方案进行评估。目前，国内外许多学者利用CFD对城市大气环境与城市规划之间的关系进行数值模拟，利用CFD模拟气候环境特征影响下的绿地景观格局生态效应的研究则较少涉及。卡佩拉托(Capeluto)利用CFD数值模拟技术，将城市气候因素如光照、风等因子运用到城市设计中。汪光焘等应用CFD等数值模拟方法，对佛山城镇规划案例进行了大气环境影响模拟分析。余庄等人利用CFD对城市热环境进行了动态模拟，最终得出有科学依据的城市规划布局与城市气候之间的关系。通过上述研究发现，利用CFD来分析城市的风环境状况，空气污染物扩散状况、热环境状况以及绿地景观格局的响应等问题，是一种非常新颖而有效的研究方式，结合数值模拟的方法来指导气候环境影响下的景观格局规划具有重要的研究意义。
3.2遥感(RS)-地理信息系统技术(GIS)在城市气候环境特征的应用
3.2.1RS-GIS技术的优势
卫星遥感资料具有观测空间范围广、能快速获取分辨率较高、时效性较好的城市下垫面空间信息等优点。地理信息系统技术具有对遥感数据进行图象处理、空间综合分析等功能。遥感和地理信息系统一体化用于研究城市气候特征具有快速、准确、宏观性强等优势。随着遥感和地理信息系统技术的发展，各种遥感数据能够为城市大气下垫面的大气环境及空间信息提供全面准确的数据源，通过遥感数据获得的城市绿地信息能与具有时、空尺度的城市气候、污染物分布等数据相匹配，从而提高了研究的准确性与科学性。
3.2.2RS-GIS技术的综合应用
目前，国内外许多学者运用遥感应用技术方法，围绕城市热环境、风环境以及大气污染等大气环境特征进行了多方面的研究，并取得了不少进展。李延明等人采用遥感技术结合实地测定的研究方法，全面分析城市发展及城市绿地对热岛效应的影响。王伟武等人应用GIS空间数据相关分析和空间叠加方法，定量评价了空气污染物质的空间分布与城市人口密度、建设用地比重、道路用地比例、地表温度等影响因子的空间相关程度和总体污染水平的分布特征。目前，人们主要关注运用RS-GIS技术手段对城市热岛、城市绿地景观格局进行分析，但对城市气候环境特征与绿地景观格局之间的“格局-效应”机制的研究却较少涉及。由于RS-GIS技术不具备流场分析以及优化设计的功能，不能较好的反馈景观格局与环境效应之间的相互适宜机制。因此，为了更好的研究“格局-效应”机制，可以将RS-GIS技术与CFD数值模拟技术相藕合，对不同时、空尺度下的绿地景观空间格局及气候环境特征进行定量三维模拟分析，并最终建立优化的城市绿地景观格局。
4基于气候环境特征的沈阳城市绿地景观格局优化研究
沈阳是典型的北方老工业城市，随着城市的高速发展，化石能源的大量消耗以及机动车数量的急剧增加，空气环境质量面临着严峻的挑战。为了能有效地缓解城市大气环境问题，研究结合沈阳城市性质及城市气候特点，利用CFD数值模拟技术对沈阳市气候环境特征进行模拟分析，以寻找城市风环境、空气污染扩散、热环境存在的生态问题，并提出基于气候环境特征影响下的沈阳城市绿地景观格局优化策略。
4.1基于RS-GIS-CFD的城市气候环境数值模拟方法
城市是一个复杂的物质实体，城市风速、地表温度、湿度、建筑密度、容积率、人口密度、植被覆盖程度等因素对城市的气候环境都会产生不同的影响。为了能准确反映城市基本状况，首先可以利用RS-GIS技术有效、准确、快速地获取城市下垫面三维空间信息，以及建筑密度、植被覆盖程度、容积率、地表温度、SO2污染程度、人口密度等城市生态环境信息。然后根据城市基础信息建立数字模型，同时根据城市气候要素等基础资料进行模型的边界条件设置。应用CFD的方法来处理城市的大气流场运动，计算城市中的风环境运行状况、污染物空间扩散情况以及地表温度分布情况等问题，并考虑采取相应的措施，以改善城市的生态环境问题。CFD模拟分析主要包括建立数字模型、设置边界条件、模型计算、结果分析等几个过程。研究采用1∶1的模型进行模拟，其模拟的城市空间zoom尺度为50000×50000×200m3。在CFD中完成模型创建后，需要输入沈阳市的基本气象数据，对模型进行参数化设计，并选择设置混合层流模型来模拟大气的流动。模型地块选用热辐射模型以及污染物扩散模型，对于不同等级的模块，需要根据现状设置不同的温度以及污染源浓度。其次，在模型边界相应的位置建立进风口和出风口，以模拟城市风向及风速。以沈阳市为例，考虑到沈阳市的气候环境特点即春、秋季节历时较短，夏季是植物生长最旺盛的季节，其吸收SO2的能力也最强。因此，模拟的气候条件则设定为夏季。夏季3个月的平均风速为3m/s，主导风向为南风，模拟时将具体的风速风向值设为模型进风口和出风口的初始参数。
4.2结果与分析
当城市平均风速为3m/s、主导风向为南风的时候，城市内部空间的风速小于3m/s，城市风速明显受到城市建筑布局以及城市风的流动的影响。在城市建筑密度低的浑南新区、于洪区等区域，城市风速相对较大，沿着浑河形成了一定的城市风廊，利于周边污染物质的扩散并在一定程度上缓解城市热岛效应；在城市建筑密度较高的沈河区、和平区、铁西区、皇姑区等区域，城市风速相对较低，由于城市建筑物的影响，城市风速明显降低。水平空间扩散格局。SO2的浓度在城市主导风向的影响下，随着风速的增加浓度逐渐降低，城市建筑物及城市绿地对城市风速、风向以及污染物质的扩散具有重要的影响。在大东区、铁西区、于洪区，工业污染源较多，城市绿地较少，其污染物浓度最高，且不易向外扩散，而沈河区、和平区的污染浓度也相对较高，其主要原因是由于沈河区及和平区位于城市中心区，人口密度高，建筑密度高，其污染物不易扩散。在建筑密度相对较高的商业区和居住区、工业区等地表温度较高，城市地表温度高达40℃以上，而学校、城市绿地、水体等地域，城市地表温度较低，它们对缓解城市热岛效应具有重要的意义。浑河对城市的有益影响和调温作用比较明显。同时，还可以明显看到在风环境的影响下，城市中的热环境分布呈现由中心向边缘逐渐发散的特征，城市风向，植被、水体对城市最热区域的改善作用都有限，在现有的绿地布局模式下，水体、植被等要素的生态功能并未得到较好的发挥。如果选择不同方向的典型的断面来反映城市风速、SO2浓度、地表温度在不同高度上的垂直扩散状况，那么从不同的断面可以看出，城市风速随着高度的增加也逐渐增加。城市建筑物对风的扩散阻力逐渐减弱。SO2以污染源为中心向四周扩散，随着高度的增加，在200m的高度范围内，SO2的浓度有一定程度的降低。城市的地表温度以热源为中心向四周扩散，并且随着高度的增加，温度也出现逐渐降低的趋势。通过综合分析可以看出，影响城市大气环境效应的主要因素包括城市绿地的结构、城市建筑物的高度、建筑密度、人口密度等。沈阳市并未形成具有一定导向性的风廊，同时热环境运行状况较差，SO2空气污染严重，尤其是在铁西区、大东区以及皇姑区，在其他区域，城市的热岛效应相对不是很明显，主要是因为这些区域的绿地空间布局合理、大面积的浑河水系有效地改善了城市环境问题。因此，利用CFD软件可以有效地从流场的角度分析城市景观格局与热环境、风环境以及污染物质的空间扩散之间的内在机制关系，并能根据城市问题提出一定的优化措施，它为解决城市大气环境问题提供了新的思路。国内外许多学者对CFD模拟结果的准确性进行了验证，本研究中主要对CFD仿真模拟结果与实地监测数据进行相关性验证。验证结果表明CFD仿真模拟的结果与实测值相对误差较小，均满足城市尺度模型模拟的精度，因此证明CFD模型对城市气候环境因子的模拟是有效和可行的。
4.3绿地景观格局优化策略
通过对城市大气环境效应的数值模拟分析可以看出：而沈阳市的热环境较差，空气污染严重。基于气候环境特征考虑的城市风廊的建立、合理的绿地空间布局对改善城市空气环境质量具有重要作用。因此，可以结合景观生态学的原理对城市绿地景观格局进行优化设计，以改善城市生态环境质量。在市域尺度上，在沈阳市不同区域建立多条“通风廊道”，以缓解城市热环境问题。同时，为了确保城市通风的顺畅，第一，不能在此区域进行城市建设(尤其是在风的主导方向上建立高楼)；第二，在通风廊道的轴线上不应该种植高密度的植物。在城市尺度上，通过模拟分析可以看到在城市的高建筑密度区域，城市风速降低的速率较大，同时建筑物的高度及建筑表面的粗糙度对城市风速的影响也比较大。因此，在城市高建筑密度的区域也应建设相应的通风廊道。为了防止城市的无限蔓延及扩张，同时防止工业污染对中心城区的影响，将围绕着沈阳3条主环路建设环城绿带，绿带的宽度建议为1～4km不等，同时加强对沈阳市各环城水系的绿带建设。虽然，沈阳大部分的工业区都已搬至城市的三环外，但铁西区、大东区以及皇姑区的工业区还在城市三环内，这些区域对城市的空气污染造成了严重的影响。因此，建立内部的环城绿带对提高城市的空气环境质量具有重要的意义。在邻里尺度上，也应该建设城市内部通风廊道。对于城市内部通风廊道而言，采用的策略主要包括扩宽街道、绿地与街道布局有机组合、连通不同的生态绿地、降低建筑密度等，它们将有利于城市通风廊道的形成。同时，优化附属绿地、道路绿化、水体绿化的空间布局。综上，结合景观生态学原理以及沈阳城市未来发展形态共同构建了城市绿地景观格局优化方案，形成了“四带、三环、七楔、网络连接”的绿地网络空间结构。“四带”即浑河、新开河、南运河、卫工明渠的滨水景观带。“三环”即城市3条环路两侧的生态绿环。“七楔”则是根据城市气候、周边自然生态环境、城市布局结构等因素的综合分析来确定的7条生态廊道；对于城市其他类型绿地的空间优化，则根据景观生态学原理以及城市绿地的生态功能，采用“集中与分散”相结合的空间布局模式，协调与城市布局结构的空间关系，最终构建一个完善的城市绿地生态网络结构，以改善城市生态环境质量，促进城市的可持续发展。
5讨论
为了让城市中分散的绿地在一个统一的目标下形成彼此之间有机联系，相互促进整合的稳固的生态体系，改善城市大气环境问题是统一的目标，绿地景观空间格局与大气环境之间的相互协调与适应是形成有机的城市绿地系统的有效途径。在规划中，为了让城市绿地产生良好的“格局-效应”机制，在规划的初期就应该考虑如何通过良好的绿地景观格局产生良好的城市气候环境效应。因此，在能够获得足够信息资料的条件下，可以综合运用RS、GIS以及CFD仿真模拟技术来研究城市绿地景观格局下的气候环境问题，并结合景观生态学原理，提出城市绿地景观格局优化的策略。从生态环境的角度出发，利用数字化的模拟技术分析城市气候环境状况，探讨风速场、温度场、污染扩散、绿地景观格局之间的关系，根据问题，提出绿地空间格局规划方案，突破传统城市绿地系统规划和设计以中以数据分析和作图为主分析气候环境的方法，增加了城市绿地景观格局规划的科学性与准确中国医学期刊性。因此，深入地研究基于城市气候环境特征影响下的绿地景观格局优化，合理利用各种自然资源，构建良好的城市绿地景观格局，形成生态型城市绿地景观系统将是城市绿地系统规划的一个重要研究方向。
作者：周媛 石铁矛 胡远满 刘淼 单位：西南民族大学城市规划与建筑学院 沈阳建筑大学建筑与规划学院 中国科学院沈阳应用生态研究所
