城市峡谷与树冠：建筑布局与绿色基础设施对城市空气质量的影响

《Atmospheric Pollution Research》：Canyons and Canopies: Effects of building configuration and green infrastructure on urban air quality

　　

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  研究了建筑几何形态与植被对空气污染的综合影响
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  对哥德堡某区域进行了大涡模拟建模
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  渗透性建筑布局降低了PM和NO₂浓度
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  植被通过沉降作用降低了PM，但在封闭环境中可能增加NO₂

引言

城市空气污染仍然是重大的环境健康挑战，其中颗粒物（PM）和二氧化氮（NO₂）是最令人担忧的污染物。细颗粒物尤其具有严重风险，因为它们能深入呼吸系统，并与心肺疾病发病率和过早死亡率相关（Karimi & Samadi, 2024）。据估计，环境空气污染每年导致全球约420万人过早死亡（世界卫生组织, 2024），这凸显了在人们生活和穿越城市的区域减少暴露的缓解策略的必要性。

城市植被被广泛推广为改善空气质量的基于自然的措施，因为气态和颗粒污染物可以沉积在叶片、树枝和树皮表面上，这些表面共同提供了可观的去除面积（例如Nowak等, 2014）。然而，净效果受两个过程的控制：通过干沉降去除污染物以及植被引起的空气流和湍流扩散的修改。近期的多尺度证据表明，这些效果强烈地依赖于具体情境，在开放道路、街道峡谷和街区环境之间可能存在差异，并且在更广泛的城市尺度上的效益不一定能转化为在通风受限的密集植被区域较低的街道级浓度（Venter等, 2024; Kumar等, 2024）。去除的幅度还取决于植被结构和物种特异性特征，包括叶面积密度（LAD）、表面粗糙度、毛状体密度和蜡质含量，而气孔导度控制着NO₂等气体的吸收（Chaparro-Suarez等, 2011; Seinfeld和Pandis, 2016; Lindén等, 2023）。近期的工作进一步强调了需要有目的地选择物种和布置方式，而非仅仅依赖冠层覆盖率（例如Han等, 2025）。

建成环境建立了植被效应发生的空气动力学环境。街道峡谷高宽比、建筑连续性和高度变异控制着再循环、与上层大气的交换以及局部浓度热点的形成（Vardoulakis等, 2003; Gromke和Ruck, 2012; Keshavarzian等, 2021; Dai等, 2022）。研究还表明，建筑覆盖率、正面面积和绿化覆盖率与污染物积累和城市温度相关联（Fan等, 2025）。与此过程性解释一致，近期一项对真实城市峡谷的模拟研究发现，不同形态配置下行人层面的NO₂浓度对比远大于PM_2.5浓度对比，而PM_2.5沉降则随城市形态和植被变化强烈（Girotti等, 2026）。建筑和植被还可能作为屏障，改变从主要道路向相邻住宅区输送污染物的过程（Abhijith等, 2017）。因此，它们的联合影响可以根据排放源位置、风向、大气稳定性和城市形态的渗透性来改善或恶化当地空气质量。

其次，在微尺度模型中，对植被的干沉降通常被忽略或大幅简化。这恶化了植被表面污染物去除与冠层引起的通风降低之间竞争关系的表征，特别是因为这些过程可能对颗粒物和活性气体产生不同的影响。第三，关于建筑渗透性、冠层密度、排放源位置和风向如何相互作用以确定行人层面的暴露程度，目前了解较少。这包括路边建筑是否减少了相邻住宅区的暴露，还是仅仅重新分配了污染物并创造了新的局部热点。因此，现有证据在如何组合建筑和植被以改善当地空气质量方面提供的指导有限。

近期的综述强调了将蓝、绿和灰基础设施视为一体化的城市系统的必要性，因为它们的联合表现取决于空间尺度、城市形态和设计配置（Zhang等, 2026）。然而，联合评估不同城市配置下建筑形态和植被效应的研究相对较少（Tomson等, 2021; Kumar等, 2024; Wu等, 2025）。此外，污染物在植被上的沉降经常被忽略（Wania等, 2012; Vos等, 2013）或在微尺度建模中被简化（Santiago等, 2016, 2017, 2019; Buccolieri等, 2019）。这使得机制解释变得困难，因为浓度的变化反映了通风、重新分布和去除的综合效应，而沉降通量仅量化向表面的转移。大涡模拟（LES）非常适合解析由建筑和植被产生的主要湍流结构，并分离这些相互作用的过程（Salim等, 2011; Ahmadi等, 2020）。并行化大涡模拟模型（PALM）系统（Raasch和Schr?ter, 2001; Maronga等, 2020），结合显式地将污染物沉降与植被结构和叶片特征关联的植被影响动态评估（VIDA）模型（Gustafsson等, 2024a, b），因此提供了一个合适的框架来评估不同的城市设计如何影响街道尺度的污染物扩散和去除。

在本研究中，将PALM与VIDA耦合（Gustafsson等, 2024a, b），应用于瑞典哥德堡的真实城市区域，以量化建筑配置和街道级植被如何共同影响PM₁₀、PM_2.5和NO₂的浓度和扩散。通过在不同风向条件下比较不同的建筑布局和植被密度，本研究评估了城市几何形态如何建立通风格局，以及植被如何通过空气动力学效应和干沉降在该格局内修改污染物浓度。本研究回答了三个问题：

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  街道宽度、连续性和渗透性不同的建筑配置如何影响当地空气质量？
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  在考虑植被干沉降的情况下，稀疏和密集的街道树冠如何在不同建筑引起的通风格局下影响空气质量？
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  建筑能否屏蔽住宅区免受附近交通排放的影响？

章节摘要

方法

在本研究中，将PALM模型系统（Maronga等, 2020; Raasch & Schr?ter, 2001）与新开发的VIDA模型（Gustafsson等, 2024a; Gustafsson等, 2024b）相结合，以量化不同城市几何形态和植被对瑞典哥德堡某街道峡谷空气质量的各种单独和综合效应。在以下章节中，我们将首先介绍研究区域和所选情景，然后是评估中使用的模型和假设。

结果

模拟结果按照本研究的三个研究问题进行呈现。首先展示建筑几何形态对污染物浓度的影响，其次是街道植被的影响及其综合效应。最后评估了屏障建筑阻挡高速公路排放的能力以及关注区域内污染物浓度的垂直变化。

讨论

模拟结果表明，在所测试的情景修改和模拟条件下，建筑配置是控制关注区域污染物浓度的主导因素，而植被提供次要但重要的影响。以下将就研究问题和当前的科学认知讨论主要发现。

结论

本研究显示，在密集建成城市环境中，建筑配置是当地空气质量的主要决定因素，而植被起次要但显著的作用。狭窄且通风不良的街道峡谷产生了最高的浓度，而更具渗透性的配置显著降低了PM和NO₂。植被通过沉降作用一致地降低了PM₁₀和PM_2.5，但其对NO₂的影响强烈取决于气流：稀疏冠层改善了NO₂

CRediT作者贡献声明

M. S. M. Gustafsson：撰写——初稿、可视化、方法论、资金获取、数据整理、概念构思。J. Lindén：撰写——审阅与编辑、可视化、数据整理。E. M. M. Johansson：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、形式化分析、数据整理、概念构思。D. Sj?lie：撰写——审阅与编辑、可视化、软件。H. Pleijel：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念构思

未引用参考文献

Buccolieri等, 2019; Endreny, 2018; Fantozzi等, 2015; Hoffmann等, 2021; Janh?ll, 2015; Karttunen等, 2020; Larsson等, 2023; Meili等, 2021; PALM模型系统团队, 2023; Ponte等, 2025; Set?l?等, 2013; Singh等, 2024。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Hakan Pleijel报告获得了瑞典研究理事会Formas的财政支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由瑞典研究理事会FORMAS资助项目[2018-00174]提供资金。

计算由瑞典国家学术超级计算基础设施（NAISS）和瑞典国家计算基础设施（SNIC）在国家超级计算中心（NSC）提供的资源支持，部分由瑞典研究理事会通过资助协议no. 2022-06725和no. 2018-05973提供资金。

我们感谢Fredrik Lindberg和David Rayner关于以下方面的宝贵讨论：

E.M.M. Johansson|M.S.M Gustafsson|J. Lindén|D. Sj?lie|H. Pleijel