高架道路设计与周边建筑布局如何影响密集城市环境中人们接触交通相关颗粒物的程度

《Landscape and Urban Planning》：How elevated-road design and adjacent building configuration shape vertical exposure to traffic-related particles in dense urban environments

　　

曹如辉|王云璐|徐瑞|蔡明|刘永红|王占勇

深圳中山大学智能系统工程学院，中国深圳518107

摘要

高架道路的修建旨在缓解交通拥堵并重新组织密集的城市空间，但其对地面到住宅立面之间交通相关颗粒物暴露的垂直分布的影响仍不明确。与地面道路不同，高架道路在更高高度排放颗粒物，并形成复杂的空气流动微环境，在这种环境中，桥下空间的开放程度在塑造通风条件和污染物垂直交换中起着关键作用。本研究使用无人机获取了中国福州多个具有不同建筑配置的高架道路段上黑碳（BC）和PM_1.0/PM_2.5比率的高分辨率垂直剖面（0–200米）。黑碳被用作主要交通排放的示踪剂，而PM_1.0/PM_2.5比率则作为受二次因素影响的细颗粒物的代理指标。为了将这些指标转化为与高架道路规划相关的暴露度量，进行了多尺度分解和缩放分析，以量化垂直衰减模式并识别特定高度的暴露特征。主要交通相关暴露的垂直梯度主要受桥下空间开放程度和相邻建筑围护结构的影响。桥下空间开放程度较高且周围围护结构较弱的的高架道路表现出更快的污染物垂直衰减。相比之下，桥下空间开放程度较低且周围建筑围护结构较强的道路在地面附近（0–50米）增加了污染物滞留，并在稳定大气条件下将影响扩展到较低的住宅立面（约50–150米）。在高架道路附近，跨高度的暴露持续性更强，表明暴露波动的垂直一致性更高。相比之下，细颗粒物的代理指标显示出较弱且不一致的垂直结构，表明其对道路设计和周围建筑配置的敏感性有限。总体而言，这些发现表明高架道路通过桥下空间开放程度和相邻建筑围护结构的共同作用重塑了垂直暴露模式，为减少密集建成城市高架道路环境中的颗粒物暴露提供了依据。

引言

交通相关颗粒物暴露仍然是当代城市面临的主要环境健康挑战，显著增加了过早死亡率和呼吸系统及心血管疾病的负担（Forouzanfar等人，2016年；Cohen等人，2017年）。尽管排放控制政策不可或缺，但在建筑布局复杂和通风受限的密集城市环境中，它们往往无法充分减少交通相关颗粒物暴露（Apte等人，2015年；Kumar等人，2019年）。因此，通过建筑形式配置和基础设施设计来减轻暴露问题受到了关注，将建成环境视为污染暴露的主动调节因素，而不仅仅是被动背景（Voordeckers等人，2021年）。

高架道路在高密度城市中日益成为常见的交通基础设施形式。与地面道路不同，它们在较高高度排放颗粒物，并且桥下的结构元素可以重塑多个高度层次的空气流动、颗粒物再分布和暴露（An等人，2026年；Lu等人，2023年）。作为城市结构的一部分，高架道路与周围建筑相互作用，改变局部通风和扩散过程（Jaller等人，2015年；Dodge，2016年；Khreis，2020年；Ji和Huang，2023年；Odediran等人，2024年）。从规划角度来看，它们的设计和空间整合因此成为减轻密集城市环境中多层次暴露风险的潜在手段。

高架道路附近的交通相关颗粒物环境包括直接来自车辆的主要交通相关颗粒物和受大气作用影响的细颗粒物（Cao等人，2016年；Zhu等人，2016年；Sun等人，2017年；Bai等人，2018年；Gao等人，2018年；Zheng等人，2023年）。主要颗粒物受道路附近空气流动和结构障碍的强烈影响，而受二次因素影响的细颗粒物在更长的空间和时间尺度上演变，并可能在垂直维度上表现出不同的响应（Tan等人，2009年；Von Schneidemesser等人，2019年；Costa等人，2020年；Liu等人，2021年）。在这种情况下，桥下空间的开放程度可以调节近源垂直交换，并影响新鲜废气是向上通风还是在桥下积聚，而相邻建筑围护结构可以进一步影响冠层规模的混合和停留时间（Liu等人，2021年；Greenwald等人，2024年；Cao等人，2025年）。这些机制引发了这样一个问题：桥下空间的开放程度和相邻建筑围护结构是否作为不同的、相互作用的设计因素，分别影响主要交通颗粒物和受二次因素影响的指标的暴露。

尽管人们对形态-污染相互作用的认识日益增加，但高架道路设计和周围建成环境如何共同塑造高度分辨的交通相关颗粒物暴露仍了解不足。已知不同污染物和城市环境中的垂直梯度各不相同，较粗的颗粒物通常随高度下降得更快，而较细的颗粒物在湍流增强混合条件下衰减较弱（Wang等人，2024年）。高架道路通过将多个排放层引入城市冠层，进一步复杂化了这些模式，因此暴露不仅受高度影响，还受道路走廊内三维基础设施-建筑配置的影响（Lu等人，2023年；Cao等人，2025年）。虽然建筑体积、围护结构和视野等因素已与道路附近污染物分布相关联（Lu等人，2023年），但桥下空间的开放程度和相邻建筑围护结构是否以及如何共同塑造垂直暴露剖面，以及主要交通颗粒物和受二次因素影响的指标是否对这些配置有不同的响应，目前仍缺乏实证研究。

使用传统的监测和建模方法难以实证解析这种垂直暴露结构。基于地面的网络在复杂基础设施附近缺乏所需的垂直分辨率，激光雷达/ ceilometer观测在捕捉街道和基础设施尺度的近地表变化方面存在局限性，而扩散模型通常依赖于简化的建成环境表示（Menut等人，1999年；Baars等人，2008年；Zhang等人，2020年；Gong和Shi，2021年）。基于无人机的监测提供了一种补充方法，能够在高架道路附近进行高分辨率的垂直剖面测量（Wang等人，2023年；Cao等人，2025年）。对于规划和设计而言，其附加价值还在于提取超出平均梯度的配置敏感的“垂直暴露特征”，包括（i）地面层捕获与向上通风的区别，以及（ii）在不同高度是否出现特定的暴露峰值层。包括集合经验模态分解（EEMD）、去趋势波动分析（DFA）和多重分形去趋势波动分析（MF-DFA）在内的尺度感知诊断方法，有助于将无人机垂直剖面转换为可用于走廊规划的暴露特征（Nie等人，2020年；Chang等人，2022年）。EEMD显示污染物主要遵循平滑的垂直衰减还是在特定高度形成局部积累层。DFA得出的λ值表明不同高度带的暴露是否在垂直上相连；较高的λ值意味着地面附近的变化更可能与桥下/街道或较低住宅高度的变化相关。MF-DFA得出的Δh值表明垂直剖面的不规则程度；较高的Δh值表明高度特定的波动性更大，对局部峰值暴露的敏感性更强。这些指标因此有助于评估道路-建筑走廊配置主要与地面附近滞留、跨高度暴露耦合还是局部垂直热点相关。

基于此背景，本研究探讨了两个相互关联的问题：（i）高架道路设计和相邻建筑配置如何塑造密集城市环境中交通相关颗粒物的垂直分布？（ii）主要交通颗粒物和受二次因素影响的指标对桥下空间开放程度和相邻建筑围护结构的响应有何不同？为回答这些问题，在中国福州进行了基于无人机的监测活动，收集了不同高架道路-建筑配置下PM_1.0、PM_2.5和黑碳（BC）的高分辨率垂直剖面，这些配置在季节条件下有所不同。由于黑碳主要来源于车辆且大气反应性较低，因此用作主要交通排放的示踪剂，而PM_1.0/PM_2.5比率则用作细颗粒物主导性的代理指标，进而反映受二次因素影响的（可能老化的）颗粒物贡献（Streets等人，2001年；Sun等人，2014年）。通过将垂直暴露剖面分析与多重分形分析相结合，本研究提供了关于高架道路基础设施和周围路边建筑配置如何共同塑造多层次颗粒物暴露的规划相关解释，对密集城市环境中的基于形式的缓解策略具有启示意义。

章节片段

材料与方法

为了测试高架道路设计和相邻建筑配置如何改变垂直颗粒物暴露剖面，在福州使用成对的路边站点进行了比较性的无人机（UAV）监测活动，包括高架道路位置和可比较的地面对照点。在多个季节中，沿0–200米的垂直梯度测量了交通相关颗粒物指标。经过校准和质量控制后，使用基于复杂性的框架进行了分析

不同类型高架道路的垂直暴露模式

EEMD分析揭示了在测量的0–200米垂直剖面中的类型相关垂直暴露特征（图6，图7），这些特征由道路形式、桥下空间开放程度、采样侧的相邻建筑围护结构以及河流走廊的接近程度（通过采样侧的河岸后退距离量化）共同产生。这里，黑碳被用作主要交通排放的示踪剂，而PM_1.0/PM_2.5被用作受二次因素影响的细颗粒物的代理指标（Streets等人，2001年；Sun等人，2014年）。为了突出

结论

高架道路走廊作为三维暴露塑造界面。垂直颗粒物暴露受到基础设施形式（高架与地面）、桥下空间开放程度、相邻建筑围护结构以及走廊环境（例如，靠近河流的开口）的共同影响，季节性大气条件调节了这些效应的幅度和垂直范围。总体而言，这些结果为走廊设计和重新开发控制提供了与配置相关的证据

CRediT作者贡献声明

曹如辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，调查，数据管理。王云璐：撰写 – 审稿与编辑，可视化，调查。徐瑞：撰写 – 审稿与编辑，可视化。蔡明：撰写 – 审稿与编辑，资源，形式分析。刘永红：撰写 – 审稿与编辑，资源，形式分析。王占勇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了福建省社会科学基金项目（项目编号FJ2025B156）的支持。我们还要感谢福建农林大学交通污染研究小组的所有成员，以及在此未提及的为本研究提供帮助的所有人。非常感谢审稿人和编辑的意见和建议。