作者：张纯、张世秋
发表时间：2014-09-26
概要：近年来中国出现的雾霾天气现象，严重影响公众健康而受到广泛关注。通过综述西方发达国家和中国相关文献，分析和识别城市形态与空气质量之间的关系，构建中国背景下大都市圈城市形态与空气质量的研究框架。通过基于西方发达国家的文献综述发现，空气污染物来源和作用机制迥异；空气质量受到城市密度、土地开发模式和交通布局等城市形态因素的综合、复杂影响；低密度、机动车导向的蔓延城市形态被认为不利于空气质量。中国目前针对社会经济活动的空气质量影响研究主要从气象学和环境科学视角切入，集中在污染源的识别、源强及扩散等方面，也有地理学者关注空气污染的空间分布和影响机制，但尚缺乏对城市形态与空气质量关系进行深入探讨。基于上述国内外经验和实证结论，结合中国快速城市化背景，构建了由发生模型、影响模型和测度模型等三个模型构成的城市形态与空气质量关系研究框架。希望为制定可持续的城市规划和环境发展政策，通过引导良好的城市形态来应对环境污染的挑战提供依据。
关键词：城市形态；空气质量；影响模型；空气污染；PM
1 引言
伴随中国社会经济发展增速、城市化进程加快，环境污染问题及其影响备受关注。尤其2013年冬季爆发的时间长、强度高、范围广的雾霾事件，不仅直接威胁公众健康，也造成巨额社会经济损失（黄德生、张世秋，2013；穆泉、张世秋，2013；Xu, Jianhuaet al., 2013），从而引起了国内外公众、媒体和政府对中国严重空气污染事件的持续关注。良好的空气质量，已经成为城市经济增长之外、关系到市民基本生存状况的重要话题。
世界范围来看，发达国家在其工业化和城市化进程中都曾受到空气污染的困扰，并由此引发大量关于空气质量影响因素的研究（United States Environmental Protection Agency, 2001）。在发达国家上世纪七八十年代的研究中，将空气污染归咎为基于石油等的工业生产和汽车使用；主流观点提倡通过“技术革命”来治理空气污染，寻找节能、减排途径（Anderson et al., 1996）。
然而到上世纪后期，发达国家的研究除了追溯污染源的排放，也开始将城市形态与空气质量关联起来。这很大程度上来源于精明增长政策和新城市主义运动影响下，人们对消极城市形态[1]——蔓延及其负面影响的关注（Clifton, Knaap and Song, 2008）。很多研究都表明，消极的城市形态会带来严峻的环境代价，包括直接的能源排放、间接的交通尾气等。因而，研究逐渐意识到空气污染并非仅是工业、汽车等单因素的作用结果，而是与城市空间布局、开发密度、交通组织等综合作用所表征的城市形态相关（Marquez and Smith,1999; Stone, 2008）。这些研究为建立起城市形态与空气质量之间联系的桥梁，提供了初步支持。此外，基于个案城市的经验和实证研究为更深入阐明城市发展与汽车排放之间的关系提供了更多的数据支持。
在中国，目前对社会经济活动的空气质量影响研究，主要从气象学和环境科学视角切入，集中在污染源的识别、源强及扩散等方面，尚未对城市形态与空气质量关系进行深入探讨。一方面，关于不同城市形态影响下空气污染物产生和扩散的机制尚不清晰；而另一方面在紧迫应对严重污染天气压力下，各级政府寄希望于尽快通过车辆限行、淘汰落后产能、实施污染的末端控制等政策应对严峻的污染恶化趋势，而这些措施的实际效果尚无法准确评估。本文试图借鉴发达国家国际经验，分析和识别城市形态与空气质量之间的关系；希望引起学术界的普遍关注和长期、深入的研究，为制定可持续的城市规划和环境发展政策，通过引导良性的城市形态来应对环境污染的挑战提供依据。
2 城市空气质量：污染物种类来源与城市活动的关系
上世纪初随着工业化进程推进，发达国家对城市空气污染开始警惕。从1974年开始，世界卫生组织（WHO）和联合国环境规划署（UNEP）合作展开了针对OECD国家的“全球环境监测系统计划（Global Environmental Monitoring System）”，通过连续的研究发现大气中存在的主要污染物主要包括无机污染物、挥发性有机物和可吸入颗粒物，它们通过多种途径影响环境质量和生态系统及人体健康（OECD,1997）。
常见的空气无机污染物主要包括SO2、NOx、CO、铅等，它们多与工业或生活燃料燃烧以及汽车的使用相关。从OECD国家的城市来看，各类污染源对不同污染物的贡献差异较大。例如，重金属污染50%以上来源于工业生产，铅污染50%以上来源于含铅汽油的使用，CO主要来自于汽油的使用；而总悬浮颗粒物（TSP）的主要来源，已经从燃烧转向了汽车使用（Stanners and Bourdeau,1995; Tuch el al., 1997）。
3 城市形态：城市密度、土地布局、交通与排放
在大都市圈背景下的空气质量模型中，不仅需要进行传统上基于环境科学的污染物排放、扩散机制的探讨，系统研究城市形态因素对空气质量的影响，将对制定有效的环境政策具有十分重要的作用。尽管由于城市特点和排放污染物条件迥异，尚无法提炼出具有普遍意义的针对性结论，但经验和实证研究表明，低密度、机动车导向的城市蔓延，是不利于提高空气质量的（Ewing et al., 2003; Downs, 1992）。城市形态的相关讨论，主要集中在城市密度、土地开发模式、交通布局等三个方面。
3.1 城市密度
在城市形态诸多测度指标中，城市密度作为蔓延最明显而容易测度的值征，似乎一度成为了消极城市形态的原罪（sin）。对城市密度与空气质量的认识，经历了两轮转变。美国上世纪中期开始的郊区化进程，来源于人们对郊区良好环境的追求。上世纪初的研究认为人口越稠密、就业越集中的地方，通常空气污染也越严重；然而，随后的研究发现在控制了家庭规模、收入和车辆拥有率的情况下，汽车排放的一氧化碳、氮氧化物、以及挥发性有机物与人口密度和就业密度有着显著的负相关关系(Cambridge Systematics, Inc. and Parsons Brinkerhoff Quade and Douglas,Inc., 1992），这表明：在控制其他城市形态的条件下，低密度的土地利用更容易产生污染。
在上世纪九十年代的新城市主义思潮影响下，很多研究结论认为紧凑而单中心的城市形态可以有效缩短通勤距离、减少能源消耗。例如，Newman和 Kenworthy（1989）以世界上63个大都市圈的数据分析，发现人口密度与人均燃油消耗之间有着强烈负相关关系（R2=0.86）。而后的研究逐步开始认为，紧凑的多中心城市形态才是最为环境友好的（Breheny, 1992）。多中心城市模式的支持者们认为，在控制了城市人口、气象因素和排放积累等因素后，仅用密度或者蔓延来描绘城市发展与汽车排放之间的关系，显然是不够的（Anderson et al., 1996），还必须结合开场空间（open space）、绿色交通与土地利用的关系、公共交通在城市中的作用等来进行综合考虑。总结学者们对于三种典型的城市形态中密度作用的研究发现，无论从哪个视角看，低密度的蔓延都是不利于环境品质的。
3.2 土地开发模型
上世纪七十年代，人们在批判蔓延式开发模式的同时，就关注到除密度因素外，公共交通先导的土地利用模式对空气质量保持更为有效（Edward, 1977）。随后，新城市主义运动的支持者提出，小汽车导向的开发模式，相对于公共交通导向的开发模式，会产生更多的通勤量，从而不利于空气品质的提升（Downs, 1992; Ewing et al., 2003）。
基于美国城市的研究通过交通模拟模型或交通调查数据，发现城市形态和交通行为之间确实有统计上的关联，但是关联并不强 (Frank and Pivo, 1994; Cervero and Gorham, 1995)。例如，在美国加州萨克拉曼多（Sacramento）市的研究中发现，通过交通和土地利用投资的改变，可以将交通量在二十年之内减少到4%到7%。此外，考察俄勒冈州波特兰市土地利用、交通和空气质量（LUTRAQ）之间的关系发现，强调交通先导开发、步行基础设施和交通需求管理政策的紧凑开发情境下，每天的车辆行驶公里数（VMT）比起高速公路扩展情境可以减少8%（Johnston et al., 2000）。
3.3 交通布局
相关实证研究通过对案例经验的累积，研究道路长度、路网密度、交通模式选择等对能源消耗和气体排放的影响。例如，在道路长度方面，Newman 和Kenworthy（1988）以澳大利亚佩斯市（Perth）为例的研究发现，扩张道路建设确实会引发更多的能源消耗。在道路网密度方面，May 和 Scheuernstuhl (1991)的研究选取科罗拉多州丹佛市为例进行交通分析模拟和预测。结果发现，针对城市交通主要依赖小汽车而非公交系统的条件下，不同路网密度模拟出来的能源消耗和排放并无差别。而在交通模式选择上，Barton（1992）以英国布里斯托（Bristol）为例的发现表明，轻轨系统（LRT）的建设可以增加18%的公交使用率，并将30%的传统公共交通（bus）乘客转移到轨道交通系统中，这会相应降低大约5%的小汽车出行。
此外，汽车工程学的研究已经清楚发现，汽车加速、减速或怠速情况下，尾气排放均相应增多。例如，有研究表明对于现代生产的车辆来说，在每次出行过程中平均75%的污染来自于前几英里的排放（Wachs,1993）。因此问题的核心，可能并不仅仅是减少开车、降低行驶里程，而应同时优化交通，降低拥堵。以上研究都表明，就交通因素本身来说，无论是控制道路长度、增加路网密度还是增加公交供给，这些规划措施本身并不能有效减少尾气排放；只有相应的配合土地与交通规划政策，才能达到控制尾气排放、提升空气品质的目标。
4 中国的经验研究和研究框架构建
在目前国内外相关研究中，尽管积累了大量的经验和实证研究，城市形态与空气质量之间的关系仍然不十分明朗。国外的累积研究多基于已经进入后工业化时代的发达国家，而没有过多涉及工业企业布局对空气污染的影响。同时，由于能源结构差异，在中国和西方发达国家城市中，以冬季取暖为代表的生活性燃烧的影响作用也截然不同。
在国内气象学视角的研究中，关注气候和天气现象的影响，强调天气过程中污染性天气的发生、生长和消散变化（吕效谱等，2013；高庆先等，2012）。尤其是2012年以来，很多气象学研究关注人口稠密、经济发展快而工业仍占重要比例的京津冀地区的雾霾现象产生原因。例如，吕效谱等（2013）发现高湿、逆温、低压、静风等气象因素有利于PM2.5的形成，并且与SO2和NOx等污染相关。
国内环境科学视角研究将焦点集中在空气污染源的探讨中，比较一致的结论认为中国城市的主要空气污染物来源包括工业、交通和生活燃烧上，并呈现从燃煤型污染逐渐向机动车使用型污染转移的趋势（周文华，2005；张菊等，2006；张小曳，2013）。
国内将城市自身因素与空气质量进行关联，并在全国尺度讨论城市之间、或者某个城市内部空气质量差异因素的研究最近刚刚兴起，且尚不多见。例如，在全国尺度的研究中，李小飞等（2012）以全国42个公布空气污染指数的城市为例，发现空气质量存在由南向北、由沿海到内陆逐渐降低的分布规律；空气质量的年际变化很大，主要是冬季燃烧的作用；局部扬尘、燃烧和长距离传输是目前主要污染源。
值得关注的是，在中国城市中，目前空气污染物的来源仍然十分多样：既有工业电源排放的影响，也有居民冬季取暖等生活和消费活动的影响，还有快速增长的机动车消费的影响。因而，在中国进行城市形态与空气质量关系研究时，结合中国社会经济发展阶段和城市发展特点，可以从以下三个问题入手逐步构建研究框架：（1）主要的空气污染物和来源是什么？（2）哪些城市形态因素可以对污染源或者扩散机制产生影响？（2）这些可以产生影响的城市形态因素，又可以用哪些具体指标来测度？这三个问题分别对应着测度模型、影响模型和发生模型。
5 结论和启示
在发达国家基于城市形态与空气质量关系的研究所识别出的影响作用关系，对面临着环境问题挑战的中国城市提供了重要参考和借鉴。调整产业结构、提升公共交通能力、控制污染的直接排放等措施，固然不失为控制空气污染的良方；但是对快速城市化甚至泛城市化的中国来说，营造可持续的城市形态可能会对缓解中国面临的环境危机起到重要的作用，并将对城市和大都市圈污染形势产生长期的影响。因为城市不仅是相关社会经济活动的载体，同时，城市形态对污染排放和污染形成产生影响。
由于城市形态与空气质量之间的关系更多是间接、复杂而非简单的线性关系，因此，面向清洁空气品质的城市形态也应该是多样化的，应将人口、产业、用地和交通进行综合考虑。发达国家城市研究的经验表明，在城市背景下研究污染物排放和扩散过程十分重要，有关环境品质的话题——合理的空间布局、土地利用和开发模式、交通拥堵是相互关联的。因而在制定环境政策时，提升环境品质和公众健康的政策应是综合而多视角的，在消除交通拥挤、优化用地布局、提高能源利用率等多方面作用——而不仅仅是进行交通限行或牌号控制等单方面控制政策。
基于国际经验和实证结论，结合中国现实，本文构建了由发生模型、影响模型和测度模型等三个模型构成的城市形态与空气质量关系的研究框架。虽然关于城市形态对空气质量发生影响的作用和机制尚待进一步研究，值得说明和肯定的是，城市形态与空气质量关系的研究在中国城市发展中十分关键。未来的发展方向可能集中在：（1）从区域角度来说，城市空气质量有多少比例受到周边地区的影响。（2）城市交通拥挤及私家车的使用在影响空气质量方面，究竟扮演何种角色。（3）何种土地—交通综合一体化的模式是最为环境友好的。这些研究不仅将对中国城市的环境品质和公众健康做出贡献，也将有益于全球尺度通过城市形态的改善而应对空气污染的挑战。
[1] 消极的城市形态，通常以低密度和跳跃式开发、单一而缺乏混合的土地利用、末端式而高度依赖机动车的道路网络为特征。
注：本文最初刊登于《城市发展研究》2014年第9期47-53页，本文根据原文有所删减。
