劉濱誼 彭旭路

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院景觀學(xué)系 上海 200092

近年，植物對(duì)室外空間環(huán)境的小氣候舒適性改善效應(yīng)已被大部分人接受，植物通過(guò)自身蒸騰作用消耗周?chē)諝庵械臒崃窟_(dá)到對(duì)周?chē)h(huán)境的降溫效應(yīng)[1-3]。本課題組在植物要素對(duì)小氣候環(huán)境的影響研究中提出以下觀點(diǎn)：植被要素夏季有降溫增濕作用，且樹(shù)冠形狀對(duì)氣溫有較大影響[4-7]；植物密度和植被結(jié)構(gòu)對(duì)于小氣候適應(yīng)性影響較大，植物密度越大，越有利于提高小氣候適應(yīng)性，植被越復(fù)雜改善小氣候的效果越好[8]。在進(jìn)行實(shí)測(cè)研究的過(guò)程中，現(xiàn)有的小氣候場(chǎng)地實(shí)測(cè)多測(cè)試人活動(dòng)高度1.5m左右的物理小氣候因子，以及植物尤其是喬木遮蔭帶來(lái)的小氣候改善效應(yīng)。而小氣候立體分層實(shí)測(cè)研究有利于找到植物對(duì)氣候改善的空間作用規(guī)律，但植物對(duì)室外立體空間小氣候垂直分層影響的實(shí)測(cè)研究較少。

中國(guó)城市建成區(qū)植被主要喬木樹(shù)種約為17種，喬木胸徑主要處于小徑級(jí)5～25 cm，樹(shù)高基本集中在5～7 m和7～9 m的區(qū)間[9]。懸鈴木作為世界5大行道樹(shù)之一，在中國(guó)有悠久的栽培歷史[10]，懸鈴木作為落葉喬木比建筑和常綠植物更能確保冬夏兩季熱舒適[11]，同時(shí)，適應(yīng)性強(qiáng)，具有代表性。以懸鈴木為研究對(duì)象進(jìn)行有遮蔭和無(wú)遮蔭的垂直方向的空氣溫濕度對(duì)比測(cè)試，以分析以下內(nèi)容：1) 測(cè)試單行懸鈴木行道樹(shù)林蔭空間的夏季降溫作用的垂直功效特征和作用機(jī)制。2) 了解植物與大氣之間的湍流交換過(guò)程，以期知道植物對(duì)改善城市大氣環(huán)境的相互作用。3) 觀測(cè)植物的蒸騰降溫效應(yīng)在空間分層上對(duì)哪些高度產(chǎn)生影響。4) 檢測(cè)垂直測(cè)試小氣候因子實(shí)驗(yàn)方法的可行性。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 測(cè)試儀器

溫濕度記錄采用望云山多通道溫濕度記錄儀， 溫度測(cè)量范圍為-25 ℃～85 ℃，濕度測(cè)量范圍為0～99.9%RH，溫度測(cè)量精度為±0.5 ℃，濕度測(cè)量精度為±3% RH。同時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向記錄采用“自制風(fēng)向風(fēng)速條”進(jìn)行手工記錄和確認(rèn)。

1.2 研究對(duì)象

根據(jù)史琰等[9]研究，中國(guó)城市建成區(qū)植物中主要喬木樹(shù)種的高度區(qū)間在7～9 m范圍具有普遍性；同時(shí)，為了避免建筑和機(jī)動(dòng)車(chē)道路的熱輻射對(duì)行道樹(shù)降溫實(shí)測(cè)的影響，只研究太陽(yáng)、風(fēng)等自然因素的影響，需考慮場(chǎng)地相對(duì)開(kāi)闊、遠(yuǎn)離建筑30 m以上同時(shí)遠(yuǎn)離機(jī)動(dòng)車(chē)道路的行道樹(shù)為研究對(duì)象；再結(jié)合實(shí)驗(yàn)器材不銹鋼伸縮桿的高度為8 m，選擇同濟(jì)大學(xué)四平路校區(qū)圖書(shū)館東側(cè)的一排高度具有普適性的8 m單行懸鈴木行道樹(shù)為本次實(shí)測(cè)研究對(duì)象，進(jìn)行同樣下墊面的有遮蔭和無(wú)遮蔭對(duì)比實(shí)測(cè)。研究對(duì)象西側(cè)有國(guó)旗桿，可以借此人工觀測(cè)垂直參考高度的風(fēng)速風(fēng)向。實(shí)測(cè)場(chǎng)地形狀長(zhǎng)方形(長(zhǎng)58 m，寬40 m)，西北-東南朝向，綠地中間為草坪，四周是一排懸鈴木，下墊面材料為草地。場(chǎng)地四周懸鈴木行道樹(shù)為同一品種，實(shí)測(cè)的遮蔭測(cè)點(diǎn)位置位于場(chǎng)地東面，該行行道樹(shù)平均胸徑30 cm，樹(shù)高8 m，冠幅5 m，第一分枝點(diǎn)高3 m，第二分枝點(diǎn)高4 m，樹(shù)冠層高度約4 m。葉面積指數(shù)根據(jù)北京林業(yè)大學(xué)提出的計(jì)算方程[12],，1株胸徑30 cm的懸鈴木的葉面積為：S=22.48×35-38.48=635.92(cm2)。

1.3 測(cè)試方案

1.3.1 測(cè)試布點(diǎn)

本次測(cè)試采用垂直布點(diǎn)的方式。有遮蔭的測(cè)點(diǎn)是在場(chǎng)地南北向的高8 m的一排懸鈴木中選擇了中間的一棵，在樹(shù)干附近垂直立桿，將溫濕度記錄儀固定在測(cè)試桿上。共設(shè)置了8個(gè)垂直溫濕度測(cè)點(diǎn)，從下到上的高度分別是0.05 m，0.3 m，1.5 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m，高度分層分別反映了地面層、草坪冠層、人體活動(dòng)區(qū)、樹(shù)冠下緣、樹(shù)冠內(nèi)，以及樹(shù)冠表面，如圖1所示。

1.3.2 對(duì)比測(cè)點(diǎn)

場(chǎng)地?zé)o遮蔭測(cè)點(diǎn)選擇在有遮蔭測(cè)點(diǎn)附近，無(wú)林蔭遮蔽全日照條件位置，下墊面都有草坪，測(cè)點(diǎn)高度分布與有遮蔭測(cè)點(diǎn)一致。自然氣候條件中的空氣溫度、濕度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是利用國(guó)家基準(zhǔn)氣象站上海虹橋氣象站的氣候數(shù)據(jù)(1.5 m高度的數(shù)據(jù))。

1.3.3 測(cè)試時(shí)間

上海夏季典型高溫日7月27日測(cè)試期間虹橋氣象站氣象參數(shù)如下：最高溫度38 ℃，最低氣溫30 ℃，風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)或南風(fēng)，風(fēng)速3～4級(jí)，平均相對(duì)濕度61%，最大濕度79%，最小相對(duì)濕度42%，大部分時(shí)間晴朗少云，測(cè)試時(shí)間為6∶30—18∶30。當(dāng)天日出時(shí)間5∶08，日落時(shí)間18∶53。由于兩測(cè)試點(diǎn)分布位置不同，同時(shí)測(cè)試桿的高度為8 m，兩測(cè)試點(diǎn)接受到太陽(yáng)照射的具體時(shí)間段有所不同。其中無(wú)遮蔭測(cè)試點(diǎn)的所有高度完全接受太陽(yáng)照射的時(shí)間范圍是8∶00—16∶30，有遮蔭測(cè)試點(diǎn)受太陽(yáng)高度角影響，在6∶30—8∶00和14∶30—16∶30兩個(gè)時(shí)間段樹(shù)冠下緣到地面還能受到太陽(yáng)照射。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 有遮蔭測(cè)試點(diǎn)垂直高度溫度變化狀況分析

從圖2可以看出，樹(shù)冠內(nèi)部以及樹(shù)冠表面(6、7、8 m)的溫度在7∶30—14∶00一直都比冠層下方各高度的空氣溫度高。尤其8 m高度的樹(shù)冠表面測(cè)點(diǎn)由于受到太陽(yáng)照射，白天大部分時(shí)間段的空氣溫度相對(duì)于其他高度都是最高的，最高溫度在12∶30達(dá)到了47.6 ℃。7 m的樹(shù)冠內(nèi)高度在7∶30—9∶30的時(shí)段有明顯高峰，6 m樹(shù)冠高度在9∶00—10∶00有溫度波峰，時(shí)間出現(xiàn)得比7 m稍晚，說(shuō)明較高處的樹(shù)冠先開(kāi)始蒸騰，然后高度逐漸向下發(fā)展。隨著時(shí)間推移，蒸騰導(dǎo)致的局部高溫都匯聚在樹(shù)冠表面，使樹(shù)冠表面的高溫時(shí)間持續(xù)了7個(gè)小時(shí)，最高溫度比7 m樹(shù)冠內(nèi)的溫度要高8.2 ℃，到14∶30后樹(shù)冠表面溫度產(chǎn)生明顯下降。地面以及0.3 m高度在下午14∶00后由于受到太陽(yáng)照射，溫度上升的主要原因是太陽(yáng)輻射。在下午16∶00點(diǎn)所有的測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了小高峰，而此時(shí)溫度最低的高度是6 m，即樹(shù)冠內(nèi)。大部分時(shí)間在垂直高度上的溫度變化都是隨著高度從高到低逐漸遞減。代表草坪冠層高度的0.3 m，雖然在早上7∶00—8∶30溫度有輕微的波峰，高于4～6 m的溫度，說(shuō)明草坪雖然有蒸騰作用，但因其葉面積指數(shù)太低從而對(duì)溫度影響幅度不明顯。

圖2 有遮蔭樹(shù)干中心垂直測(cè)點(diǎn)空氣溫度

從圖3中可以看出，位于樹(shù)冠表面8 m測(cè)點(diǎn)的溫度在8∶30—14∶30都比無(wú)遮蔭的對(duì)比測(cè)點(diǎn)的溫度高，最高的溫差達(dá)到了5.1 ℃。在同樣接受太陽(yáng)直射的情況下，樹(shù)冠表面因?yàn)橹参锏恼趄v作用使樹(shù)冠中的高溫匯聚在樹(shù)冠表面，是兩測(cè)點(diǎn)8 m高度產(chǎn)生溫差的主要原因。

圖3 8M空氣溫度對(duì)比

2.2 無(wú)遮蔭測(cè)試點(diǎn)垂直高度氣溫變化狀況分析

從圖4可以看出，在無(wú)遮蔭的情況下空氣溫度的垂直分層規(guī)律并不是按照高度變化出現(xiàn)相應(yīng)的變化規(guī)律，除了主要受到太陽(yáng)輻射的影響外，空氣流動(dòng)也是影響空氣溫度的主要自然因素。最高點(diǎn)8 m處在7∶15以后就不再是溫度最高的高度了，從9∶00—15∶00，8 m處的溫度比1.5 m處還要低，而且在10∶00—12∶15，8 m處是場(chǎng)地最低溫。7 m是溫度變化幅度最大的高度，8∶30—10∶00都是場(chǎng)地最低溫(有遮蔭測(cè)點(diǎn)7 m高度的8：00—9∶30則是迅速升溫)，但從12∶30—17∶00點(diǎn)，7 m的溫度最高。垂直方向7 m和8 m的溫差最大為3 ℃，是否可以假設(shè)存在水平方向的空氣流動(dòng)，同樣高度的樹(shù)冠表面層因?yàn)檎趄v作用，而把水平方向上的周?chē)鷾囟冉档土?。由于無(wú)遮蔭阻攔太陽(yáng)輻射，8∶30—15∶30時(shí)段地面溫度都比1.5 m處高，僅在12∶30低于1.5 m處。

圖4 無(wú)遮蔭垂直測(cè)點(diǎn)空氣溫度

2.3 兩測(cè)試點(diǎn)空氣濕度變化狀況分析

從圖5可知，有遮蔭測(cè)試點(diǎn)的空氣濕度在14∶30以前基本是隨著高度升高而濕度減少的變化規(guī)律。其中7m濕度明顯減少的時(shí)間段為7∶30—9∶30，以及6m濕度明顯減少的9∶00—10∶00和它們溫度升高的時(shí)段一樣，說(shuō)明蒸騰作用使空氣濕度迅速變化。14∶30—17∶00地面以及0.3m處的濕度降低是由于太陽(yáng)照射的緣故。

圖5 有遮蔭樹(shù)干中心垂直測(cè)點(diǎn)空氣濕度

圖6 無(wú)遮蔭垂直測(cè)點(diǎn)空氣濕度

由圖6可知，無(wú)遮蔭測(cè)點(diǎn)的空氣濕度和空氣溫度的變化規(guī)律是呈負(fù)相關(guān)，即溫度高的時(shí)段是濕度降低的時(shí)段。溫度最高的7 m處在12∶30—17∶00的空氣濕度也是最低的，從各高度變化幅度上看，只有地面層的濕度變化幅度大于其溫度變化幅度。

2.4 兩測(cè)試點(diǎn)各高度空氣溫度橫向?qū)Ρ确治?/h3>

從圖7可以看出，有遮蔭測(cè)點(diǎn)除了冠層表面高度，其余冠層內(nèi)以及冠層下各高度的溫度都要比同樣水平高度的無(wú)遮蔭測(cè)點(diǎn)的溫度低，但是6 m和7 m高度因?yàn)檎趄v作用，有過(guò)短時(shí)的高溫超過(guò)對(duì)比高度的溫度，以及14∶30以后有遮蔭測(cè)點(diǎn)的地面層以及0.3 m的草坪冠層因?yàn)槭艿教?yáng)照射而溫度高于對(duì)比測(cè)點(diǎn)。

2.5 風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)分析

由于采用自制風(fēng)速風(fēng)向條，對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行手工記錄會(huì)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的精確性產(chǎn)生影響，同時(shí)由于風(fēng)瞬時(shí)變化的無(wú)規(guī)律性，手工記錄是以感受到風(fēng)的時(shí)間進(jìn)行記錄，而不是按間隔規(guī)律性時(shí)間記錄。場(chǎng)地西側(cè)的國(guó)旗高約20 m，全天觀測(cè)到的風(fēng)向和氣象站數(shù)據(jù)一致，以東南方向和南方為主，偶爾會(huì)有北風(fēng)，起風(fēng)時(shí)旗幟大部分能被吹開(kāi)，估計(jì)風(fēng)速為3級(jí)(4～6 m/秒)，表明這個(gè)高度的風(fēng)主要受大氣環(huán)流影響。場(chǎng)地測(cè)試點(diǎn)在6∶30—8∶00觀測(cè)記錄到的瞬時(shí)風(fēng)頻較少，8∶00—17∶00不定時(shí)觀測(cè)到瞬時(shí)風(fēng)，其中10∶00—12∶00和14∶00—16∶30兩個(gè)時(shí)段的瞬時(shí)風(fēng)頻率較多。風(fēng)向上，只能通過(guò)風(fēng)速觀測(cè)條預(yù)估水平方向的瞬時(shí)方向，是否存在垂直方向的局地空氣流動(dòng)無(wú)法準(zhǔn)確判斷。

圖7 兩測(cè)點(diǎn)各垂直高度空氣溫度對(duì)比圖

2.6 有遮蔭測(cè)點(diǎn)氣溫變化的作用機(jī)制分析

從圖8中可以看到，在氣溫最高點(diǎn)，兩測(cè)點(diǎn)各高度的氣溫除了樹(shù)冠表面測(cè)點(diǎn)，其余都是有遮蔭低于無(wú)遮蔭。同樣受到太陽(yáng)照射的情況下8 m樹(shù)冠表面的溫度在8∶30—14∶30時(shí)段內(nèi)比無(wú)遮蔭對(duì)照測(cè)點(diǎn)還高，且在氣溫最高時(shí)間12∶30溫差最大為5.1 ℃。這說(shuō)明影響氣溫變化的原因除了接受太陽(yáng)輻射導(dǎo)致溫度升高外，還有植被葉片吸收太陽(yáng)短波輻射，并通過(guò)蒸騰作用將根系中的水分傳輸至葉片氣孔處，由大氣湍流運(yùn)動(dòng)引起熱量和水汽向冠層內(nèi)以及冠層上方空氣輸運(yùn)，導(dǎo)致植被與大氣之間不斷進(jìn)行感熱交換和潛熱交換，從而影響冠層內(nèi)外溫度和水汽分布[13]。

圖8 兩測(cè)點(diǎn)氣溫最高時(shí)間各高度空氣溫度對(duì)比圖

植物通過(guò)蒸騰作用大量地從周?chē)h(huán)境中吸熱, 可以降低周邊環(huán)境空氣的溫度[7]。假設(shè)這個(gè)降低周邊環(huán)境溫度是發(fā)生蒸騰作用強(qiáng)烈的樹(shù)冠表面的水平方向，那本次實(shí)測(cè)的結(jié)果可以實(shí)證這個(gè)假設(shè)的存在∶同樣垂直方向，無(wú)遮蔭測(cè)點(diǎn)8 m的溫度比同水平位置的樹(shù)冠表面溫度低，也不是垂直方向的最高溫度層，并且在10∶00—12∶15時(shí)段是垂直方向的最低溫。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)實(shí)測(cè)，明確了夏季懸鈴木垂直方向空氣溫濕度日變化的時(shí)段特征，發(fā)現(xiàn)樹(shù)冠層因?yàn)檎趄v作用引起的垂直方向以及樹(shù)冠表面水平方向溫濕度變化特征，垂直方向上的最高溫度位于樹(shù)冠表面，并且高于同樣高度的無(wú)遮蔭對(duì)比測(cè)點(diǎn)。

2) 林蔭降溫的主要機(jī)制還是因?yàn)榱质a空間阻隔了部分太陽(yáng)輻射，冠層下和冠層中空氣升溫速率慢，形成了溫差，產(chǎn)生了降溫的感受與舒適性改善效應(yīng)。因?yàn)檎谑a和蒸騰作用使垂直方向的溫差加大，冠層表面和林蔭下人活動(dòng)層的垂直溫差最高可以達(dá)到10 ℃，因?yàn)檎趄v作用對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的降溫使冠層表面水平方向的溫度溫差最大達(dá)到5.1 ℃。

3) 空間分布因素和日照因素引起的溫濕變化是密切相關(guān)的，因空間分布位置以及接受日照的角度與時(shí)間的不同，從而影響溫濕度的日變化特征。植物改善小氣候的效應(yīng)在垂直方向有其自身的作用機(jī)制，受蒸騰影響導(dǎo)致的氣溫變化，雖然高度受喬木高度、樹(shù)冠高度的影響，但其巨大的溫差有可能為產(chǎn)生垂直方向、水平方向的空氣流動(dòng)創(chuàng)造條件。

4) 在沒(méi)有樹(shù)蔭的情況下，垂直方向的溫濕度日變化情況不穩(wěn)定，沒(méi)有明顯規(guī)律，溫濕度日變化程度不如有樹(shù)蔭的變化大。垂直方向的空氣溫度雖然主要受太陽(yáng)輻射影響，但垂直方向上的湍流熱交換作用和水平方向上的來(lái)流空氣熱交換作用可能都會(huì)對(duì)空間中的溫濕度產(chǎn)生影響[14]。

4 討論

在垂直方向進(jìn)行小氣候因子實(shí)測(cè)研究還處于探索階段，且受實(shí)驗(yàn)材料、器材的限制，采用先易后難的步驟，本次實(shí)驗(yàn)先選擇了簡(jiǎn)單的室外空間形式和單一的植物種類(lèi)。由于對(duì)照測(cè)點(diǎn)受實(shí)驗(yàn)器材限制只選擇了一個(gè)，無(wú)法更準(zhǔn)確地測(cè)試喬木蒸騰作用對(duì)周?chē)h(huán)境多方位降溫效應(yīng)發(fā)生的方式、方向、比例等情況，如繼續(xù)深入測(cè)試植物垂直方向的大氣湍流特征，觀測(cè)植物與垂直方向小氣候環(huán)境相互作用的關(guān)系等需要在大氣科學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用下設(shè)計(jì)更加深入而詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。本實(shí)驗(yàn)為研究植物改善室外小氣候舒適性在空間垂直分層高度的實(shí)測(cè)提供了參考。