通过多情景韧性评估优化城市通风网络，以综合缓解热污染和空气污染问题

《Sustainable Cities and Society》：Optimizing urban ventilation networks for integrated heat and air pollution mitigation through a multi-scenario resilience assessment

　　黄俊达|盛烁|郭宇伟|王云才
华东理工大学艺术设计与传媒学院，上海 200237，中国

摘要
建立稳定的城市通风走廊（UVCs）对于缓解城市热应激和减少空气污染的危害至关重要。然而，大多数现有的UVCs未能充分考虑由城市发展带来的空间变化和异质性需求，这导致了规划结果的静态化和缓解目标的狭隘性。本研究采用多情景模拟，并基于电路理论和复杂网络理论评估UVCs的韧性。具体而言，它模拟了城市化过程中UVC节点故障的过程，通过观察网络韧性如何随着干扰的增加而恶化，捕获了不断变化的数据。主要发现如下：（1）当UVC规划仅针对单一目标时，网络表现出较低的韧性；（2）在综合情景中，汾河作为连接东北部和东南部次级UVCs的关键通道；（3）在针对性攻击下，UVCs的功能韧性始终较为脆弱且下降速度比结构韧性快。位于道路和高密度住宅区的障碍点被指定为优先更新区域；河流沿线的瓶颈区域被确定为保护区，以防止网络碎片化。通过使规划者能够模拟特定节点故障时整个UVC系统的响应，这有助于将城市规划转向积极的风险管理，以实现可持续发展。

引言
自上个世纪以来，人类活动通过大规模的城市化对地球表面产生了深远影响（Seifollahi-Aghmiuni等人，2022年）。这种变化的特点是从低层建筑和自然地面向更复杂的城市形态转变（F. Song等人，2024年）。混合用途建筑和半开放空间导致了城市冠层内风的停滞（Ng，2009年）。改变的地表粗糙度特性阻碍了来自郊区的新鲜空气进入建成区（L. Zhang等人，2024年）。不足的城市通风显著加剧了城市热岛效应（UHI）（Al-Obaidi等人，2021年），引发了系列不良反应。升高的地表温度（LST）将加速能源消耗和有机废物的降解（Bolan等人，2024年）。总体而言，这些过程促进了颗粒物和其他有机化合物的大气释放，对公共安全构成威胁（Anderson等人，2019年；Chen等人，2024年）。因此，减轻UHI效应和空气污染对于推动城市走向可持续发展路径至关重要。
城市通风走廊（UVCs）被认为是有效降温和减少污染的途径，在高密度区域的空间管理中被广泛采用（Y. Wang，Qi等人，2025年）。这些走廊的有效性主要受景观特征的影响（Jia等人，2025年）。具体来说，低层建筑形态和开放空间提供了阻力最小的路径，从而促进新鲜空气的顺畅流入。这种通透的城市形式有助于快速分散局部的人为热量和复合污染物（Fang & Zhao，2022年；Zhou等人，2025年）。流行病学研究强调，这些通风良好的环境对保护公共健康至关重要，因为它们显著降低了呼吸道感染和心血管疾病的发病率。对于扩展的建成区，优化UVC已成为公共卫生领域的关键干预措施。
一些学者通过实地测量和风洞实验直观地探讨了城市通风对当地气候的影响（Tsang等人，2012年；Xin等人，2023年）。基于Navier-Stokes方程，天气研究和预报模型以及计算流体动力学模型涵盖了从中尺度到微尺度的大气环境研究（Niyomtham等人，2022年）。这些模型已被用于模拟和验证特定UVC方案的有效性（X. Li，Lin等人，2024年）。例如，Cheng等人（2023年）使用天气研究和预报模型证明湖风循环可以显著增强城市通风。同样，郭Q.等人（2025年）通过沿四个基本风向（东、南、西、北）进行模拟，评估了当前风速的相关性。然而，由于固有的不确定性和高计算资源需求，这些方法可能不适用于频繁和快速识别不同城市的UVCs（A. Guo等人，2023年）。
为了克服这些计算限制并扩大应用范围，使用地理信息系统识别UVCs以简化地表结构已成为主流方法。诸如最小成本路径（Fang等人，2021年）和电路理论（Fang等人，2023年）等技术是最广泛采用的方法之一。这两种方法通过构建源（补偿空间和功能空间）并量化地表粗糙度（由地形、河流、道路和建筑物特征决定）来识别潜在的UVCs（Gu等人，2020年）。补偿空间包括新鲜空气来源和能够提供降温效果的区域。功能空间是地表温度高或空气污染水平高的区域，需要紧急的新鲜空气流入（X. Liu等人，2022年）。这些方法的原理是找到气流最小物理阻力的路径。然而，这种对冷却效率的单一关注忽视了空气污染的扩散。UVCs在减轻UHI效应和促进空气污染扩散方面的作用通常被视为独立的结果，而不是一个整体目标。
这种对单一缓解目标的狭隘关注与城市现实越来越脱节。实际上，在低风速条件下，过热常常伴随着空气污染物的积累，导致更加复杂的天气事件（T. Huang等人，2025年）。此外，仅基于现状识别UVCs未能考虑到由于基础设施和空间形态锁定而产生的气候影响的高惯性（Hetz & Bruns，2014年）。具体来说，一旦UVCs被建筑物阻塞，通风能力的丧失往往是不可逆的。这突显了开发具有韧性的UVCs的必要性。在此背景下，UVC的韧性本质上是指网络的拓扑稳定性和功能冗余性（Albert等人，2000年；Meerow等人，2016年）。它代表了UVCs在不可避免的人为干扰下维持风险缓解的能力，确保系统在压力下仍保持核心功能（Palusci & Cecere，2022年）。因此，理想的UVC规划应优先考虑高韧性，同时引导新鲜空气通过地表温度高和空气污染物严重的区域。
为了针对这种复合风险找出最佳解决方案，UVC的规划需要从当前情况观察转向多情景下的前瞻性评估。多情景UVC评估旨在帮助规划者捕捉人类活动对UVCs的差异化影响（Fang等人，2021年）。此外，依赖于单一目标评估可能会掩盖环境目标之间的潜在冲突。例如，仅针对降温优化的UVCs在空间上可能与需要用于污染扩散的UVCs不同（X. Liu等人，2022年）。如果没有多情景评估来揭示这些权衡，城市规划可能会变得僵化和不适应。尽管近期研究已经评估了基于未来寒冷和炎热模式的复杂网络韧性（Shi等人，2025年），但多情景模拟和比较分析仍然不足。因此，识别和建立高度韧性的UVC路径对于抵御人为活动的日益加剧的干扰至关重要。
为了解决这些差距，本研究提出了一种基于同时减轻UHI效应和空气污染的多情景韧性评估框架。这种基于情景的方法的核心目标是量化冷却和污染扩散目标之间的空间不匹配。通过模拟不同的缓解优先级，该研究旨在识别在不同条件下的最具韧性的UVCs。具体实施路径包括：（1）划定补偿空间和功能空间，（2）构建通风阻力表面，（3）模拟多情景UVCs和韧性评估，（4）识别最佳UVCs的路径和关键节点。评估UVCs韧性的实际用途在于将城市环境监管从被动修复转向积极的风险管理。通过了解UVCs在压力下的退化情况，规划者可以识别出即使小规模开发也可能导致UVCs系统崩溃的关键节点。开发具有韧性的UVCs是确保UVCs不仅作为临时空间，而且作为能够适应城市增长的可持续基础设施的基础。

材料与方法
在识别主要UVCs时，空气入口/出口通常位于补偿空间和功能空间内（H. Yu等人，2025年）。因此，根据盛行的夏季风，确定了位于建成区边界的主要空气入口/出口。识别次级UVCs的过程集中在局部空间。这些局部补偿和功能空间需要主要UVCs的穿越，以提供足够的气流动态。根据风场模拟，本研究确定了位于建成区边界处的空气入口和出口（图3a）。结果显示，空气入口集中在西南部野外-城市交界处。这与2019年8月15日白天的模拟近地面风向一致，该风向是从西南向北沿汾河流动。位于吕梁山山谷中的空气入口作为引导山风的关键节点。

框架的全面性和研究贡献
准确评估UVCs的韧性对于维持高密度城市的环境健康至关重要。本研究介绍了一种多情景评估方法。它将现有条件与城市空间变化相结合，从而使通风潜力与动态的人类干扰保持一致。与仅识别当前状态空间特征的方法（Fang等人，2021年）相比，这种方法有效地捕捉了结构和功能的退化路径。

结论
在全球变暖和城市热污染加剧的背景下，构建高度韧性的UVCs已成为减轻环境风险和增强气候响应的关键措施。除了揭示UVCs的结构脆弱性外，韧性评估对于减轻建成区内的公共卫生风险至关重要。基于 Taiyuan 在一个典型的夏季经历热浪和空气污染事件期间的数据，本研究...

致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52508076）和国家自然科学基金（编号52578089）的支持。

作者贡献声明
黄俊达：概念化、方法论、数据管理、调查、形式分析、资源、软件、验证、可视化、初稿撰写、审稿和编辑、资金获取；盛烁：方法论、审稿与编辑；郭宇伟：方法论；王云才：概念化、审稿与编辑、资金获取、项目管理、监督。

参考文献
Landsberg，1970CRedI