ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
Comparative Study on the Thermal Environment Effect of Six Urban Underlying Surfaces
YANG Yajun, ZOU Zhendong, ZHAO Wenli, QIU Guoyu†
School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; † Corresponding author, E-mail: qiugy@pkusz.edu.cn
Abstract Surface temperature characteristics of six typical underlying surfaces, namely, asphalt pavement, cement pavement, grass, marble pavement, pavement bricks and grass-planting bricks, were observed with thermal infrared imaging technology. The diurnal and seasonal variations of surface temperature of different underlying surfaces were systematically analyzed. By means of the standard deviation (SD), the temporal and spatial microclimatic dynamic characteristics of different underlying surface temperature were revealed. The results are as following. 1) Diurnal variation of surface temperature of different underlying surfaces present unimodal pattern, diurnal variation of grass surface temperature changes greatly from season to season. Asphalt surface temperature is highest among the whole year, having a great effect on thermal environment while temperatures of grass-planting bricks and marble pavement are the lowest, having a relief effect on thermal environment, especially in summer. 2) The daily average temperature of different underlying surfaces are higher than air temperature, showing that underlying surface keeps heating the air throughout the year. 3) The underlying surface temperature is strongly affected by air temperature, relative humidity and solar radiation. Air temperature and solar radiation are positively related with surface temperature, showing that air temperature and solar radiation play a role in warming the land
surface. On the contrary, relative humidity is negatively correlated with surface temperature, turning out that relative humidity plays a role in cooling the land surface. 4) Grass-planting bricks have a more stable thermal environment than grass and marble bricks. Temperature changing characteristic of asphalt pavement best represents the spatial and temporal variation characteristics regarding the temperature of underlying surface. The results have certain reference significance for knowing thermal environment of different urban underlying surfaces, while providing scientific evidence for alleviating urban thermal environment. Key words urban underlying surfaces; thermal environment; surface temperature; seasonal variation; spatial and temporal variation
目前, 随着全球变暖和我国城市化进程的加速,城市热环境不断恶化, 高温现象频繁发生[12], 直接影响城市居民生活和身体健康[35], 并威胁城市生活环境舒适度和社会经济的可持续发展[67]。寻找有效缓解城市高温现象的方法, 是维护城市生活环境舒适度和实现城市可持续发展急需解决的问题之一。研究表明, 城市热环境的变化与城市下垫面性质有密切关系[810]。城市下垫面是城市表层能量收支的界面, 调节和控制着城市生态系统的水分收支和能量收支, 并最终影响城市热环境。因此, 开展城市下垫面的热环境效应研究对改善城市热环境具有重要意义。地表温度是城市下垫面能量平衡的核心。通过对流和辐射等方式, 能够加热地表上方空气, 影响城市热环境。近年来, 不同下垫面地表温度与城市热环境的关系备受关注, 许多学者采用遥感反演的方法, 在宏观尺度上对此进行研究[1115]。遥感反演法具有观测全面且具周期性的优势, 但依赖于遥感图像, 而遥感图像质量易受天气影响, 加上遥感技术的缺陷以及空间各向异性和地物发射率的影响,导致通过地温反演难以精确地获取不同下垫面的地表温度[16], 无法对其温度特征进行精细化研究。有学者使用地面观测数据, 对不同下垫面地表温度的变化特征进行分析[1719], 但是欠缺针对地表温度的季节变化特征研究, 缺少对不同下垫面地表温度的时空变化特征分析, 且研究对比的代表性下垫面种类较少。本文选择 6 种具有代表性的城市下垫面(草地、沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、嵌草砖地面和大理石地面)作为观测对象, 系统分析 6 种城市下垫面地表温度的日变化以及季节变化特征, 并对不同下垫面地表温度与气象因子进行偏相关分析, 同时利用下垫面温度的时间标准差、空间标准差以及时空数据标准差, 对比分析不同下垫面的热环境效应, 为城市生态环境规划建设提供具有参考
价值的科学依据。
1 观测区域
深圳市地处广东省东南沿海, 北与东莞惠州接壤, 南与香港新界相邻, 东临大亚湾, 西濒珠江口伶仃洋, 土地总面积约 1953 km2。深圳市属亚热带海洋性气候, 受南亚热带季风影响, 雨热同期, 夏长冬短, 辐射丰富。多年平均气温为 22.3°C, 最冷月(1 月)平均气温为 14.9°C, 最热月(7 月)平均气温为 28.6°C。多年平均日照时数为 2060 小时, 年太阳辐射量为 5225 MJ/M2。本次观测区域位于深圳市南山区深圳大学城校园内, 选取沥青路面、水泥路面、草地、嵌草砖地面、大理石地面和荷兰砖地面 6 种城市下垫面(图1)进行地表温度观测, 其中, 草地覆被类型为马尼拉草(Zoysia matrella)。观测区域四周较为空旷, 无高大建筑物。根据深圳气象局统计资料, 深圳市春季为 2 月 6 日至 4 月 20 日, 夏季为 4 月 21 日至 11月 2 日, 秋季为 11 月 3 日至第二年 1 月 11 日, 冬季为 1 月 12 日至 2 月 5 日[20]。因此, 本文选择2015 年 8 月、2015 年 12 月、2016 年 1 月和 2016年 3 月作为夏、秋、冬、春 4 个季节的典型气象条件来进行下垫面的地表温度观测, 每个月进行 3 次观测, 观测日均选择晴朗无云的天气条件。
2观测方法2.1热红外成像仪温度观测
利用 IR Flexcam Ti55 Thermal Imager 热红外热像仪(Fluke Corp., USA), 分别对 6种下垫面进行温度观测, 观测时尽量以垂直向下的角度进行, 观测现场如图 2 所示(以水泥地面温度观测为例)。使用同一台热红外成像仪, 在尽量短的时间内完成观测(观测完 6种下垫面的总时间控制在 5 分钟以内),每次观测的下垫面顺序均一致: 草地→荷兰砖地面→沥青路面→水泥路面→嵌草砖地面→大理石地
面。自观测日上午 08:00 至下午 17:00, 每小时对下垫面温度进行一次观测, 每次观测均采集 3 次图像数据。对采集的图像, 通过热红外成像仪自带软件(Fluke Smart View)提取不同下垫面的地表温度实测值, 利用 EXCEL 和 SPSS 软件对实测数据进行统计分析。
Ti55 型热红外成像仪的主要参数: VO×FPA 探测器规格为 320×240 像元, 1个像元点代表1个温度数据, 320×240像元表示每张热红外图像包含320×240 个表面温度数据; 视场(FOV)23°(水平)× 17°(垂直); 最小焦距为 0.15 m; 热灵敏度(NETD)≤ 0.05°C; 校准温度范围为−20~600°C; 准确度为±2°C或 2%; 观测波段为 8~14 μm, 发射率设定为 0.95。
2.2 气象数据观测
在观测区域 E栋楼顶安置 Davis Vantage Pro 2小型无线自动气象站(图 3), 用来获取观测区域气 温、风速、湿度以及太阳辐射等气象因子。观测高度为 2 m, 数据记录时间间隔为 10 min。
3结果与分析3.1不同下垫面地表温度日变化特征
深圳的四季中, 夏季温度最高, 城市下垫面对热环境的影响在夏季尤为显著。地表温度作为下垫面能量平衡的核心, 对调节城市微气候具有重要作用。根据气象观测数据, 2015 年 8 月 22 日观测区域最高气温在 35°C 以上, 故选取 2015 年 8 月 22日的观测数据来分析不同下垫面地表温度在典型夏季晴天的日变化特征(图 4)。
从温度变化形态上看, 6 种下垫面地表温度日内变化趋势与气温基本上一致, 总体上都呈现先上升后下降的变化趋势。地表温度从早上 08:00 开始上升, 由于空气温度升高以及太阳辐射增强, 地表
吸收热量而温度随之升高, 至 13:00—15:00 达到一天温度的峰值, 之后逐渐下降。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)可知, 6 种下垫面温度存在显著差异性(p>0.05), 原因是不同下垫面性质不同, 对太阳辐射的吸收和释放不同, 导致地表温度变化程度的不同。从图 4 可以看出, 下垫面地表温度在11:00—12:00 出现轻微下降的变化趋势, 这是由于该时段太阳辐射出现减弱的现象, 引起地表温度短时下降。
从下垫面温度来看, 沥青地表温度全天均显著高于其他下垫面, 其温度日均值为 53.6°C, 草地、嵌草砖和大理石地面比其他下垫面温度低, 其温度日均值分别为 42.8°C, 42.36°C 和 43.05°C。以上结果说明沥青路面对热环境的影响最大, 草地、嵌草砖和大理石地面对热环境的影响较小, 具有缓解热环境的作用。下垫面间的温度差值在一天内的不同时间段也有所不同。早上 08:00, 下垫面间的地表温度差值较小, 沥青路面温度为 38.02°C, 草地、嵌草砖和大理石地面的地表温度分别为 35.64°C, 33.75°C 和 33.26°C, 分别与沥青路面相差 2.38°C, 4.26°C 和 4.76°C。中午, 地表温度达到峰值, 差值也达到最大, 沥青路面在 13:00—15:00 的温度均值为 62.14°C, 草地、嵌草砖和大理石地面地表的温度均值分别为 46.67°C, 47.37°C 和 48.21°C, 分别与沥青路面相差 15.47°C, 14.77°C 和 13.93°C, 说明与 沥青路面相比, 草地、嵌草砖和大理石下垫面对热环境的缓解作用在中午时分最为显著。分析地表温度与空气温度的差异可知, 6 种下垫面地表温度白天均显著高于空气温度, 温度日均值比气温日均值分别高出 21.17°C (沥青)、16.64°C (荷兰砖)、15.54°C (水泥)、10.62°C (大理石)、10.37°C (草地)和 9.93°C (嵌草砖), 说明下垫面对空气温度具有加热作用。
3.2 不同下垫面地表温度季节变化特征
6 种下垫面地表温度的季节变化如图 5 所示。从温度变化形态来看, 在不同季节,6种下垫面地表温度的日变化规律基本上一致, 一般都呈现先上升后下降的单峰形态。下垫面温度在不同季节达到峰值的时间不一样, 夏季的日内峰值时间多发生在15:00, 秋季多发生在 14:00, 冬季和春季多发生在13:00, 分析其原因为日照时数和辐射强度变化所致。草地在不同季节的日变化波动较大, 分析其原因是草地的温度不仅受到太阳辐射的影响, 也受到植被蒸腾、植物气孔调节和草坪与下层土壤热交换等因素影响, 变化情况比较复杂。在春、秋季, 由于植被蒸腾降温的调节, 草地在 12:00 开始降温;在夏季, 由于太阳辐射以及气温上升速度快, 草地地表温度也持续升温, 温度高值可以达到 45°C。上午 10:00 左右, 由于蒸腾降温的调节, 草地温度开始下降。但在 13:00, 草地地表温度再次升高,
可能是由于植物的气孔关闭所致。在 15:00, 由于太阳辐射减弱, 草地温度开始下降。冬季由于草坪根系较浅, 加上降水很少, 草地总体处于缺水状态。观测结果表明, 草地蒸腾降温出现在 10:00,但 11:00 温度又开始上升, 说明冬季草坪的蒸腾降温作用不明显。
利用单因素方差分析方法, 对不同季节 6 种下垫面地表温度与空气温度的差异进行多重比较, 结果见表 1。从温度差异来看, 不同下垫面在不同季节有所不同。春季温度日均值从大到小依次为沥青>荷兰砖>水泥>草地>嵌草砖>大理石, 夏季为沥青>荷兰砖>水泥>大理石>嵌草砖>草地, 秋季为沥青>草地>荷兰砖>水泥>嵌草砖>大理石, 冬季为沥青>水泥>荷兰砖>嵌草砖>草地>大理石。影响下垫面温度差异的首要因素是下垫面的性质。沥青路面在全年均具有最高的地表温度(这一点从图 5 中也可以看出来), 是因为沥青表面颜色深, 反射率较其 他下垫面小, 在相同日照条件下可以吸收更多的太阳能, 加上沥青比热容小, 吸收相同热量升温更快。嵌草砖和大理石地面在全年均呈现相对较低的地表温度, 是因为大理石表面反射率高, 在同等太阳辐射条件下能够反射更多的太阳能, 而嵌草砖作为透水型下垫面, 受到土壤湿度的影响, 因而能够在全年呈现相对较低的温度。草地在不同季节的温度变化差异较大, 受到植被生长状况、土壤含水量等多因素影响。
下垫面间的温度差值在不同季节有所不同, 夏季最为显著, 说明草地、嵌草砖和大理石地面的降温效应在夏季最明显。在夏季, 沥青路面、水泥路面和荷兰砖地面的地表温度明显高于嵌草砖地面、大理石地面和草地, 沥青路面与草地、嵌草砖地面和大理石地面的温度差值分别为 10.56°C, 10.28°C和 9.95°C。在冬季, 下垫面间的地表温度差值较小, 沥青路面与草地、嵌草砖地面和大理石地面的
温度差值分别为 4.45°C, 3.15°C 和 4.74°C。从图 6可以直观地看到 6 种下垫面在夏、冬季节的温度差异。
根据表 1, 总体上而言, 6 种下垫面的日平均温度、日最高温度以及日较差在全年均高于空气温度, 说明下垫面在一年中均对大气具有一定的加热作用。对比 6 种下垫面地表温度与空气温度的差值可知, 沥青下垫面对大气的加热作用最强, 荷兰砖和水泥次之, 大理石、草地和嵌草砖较弱。温度差值在夏季最大, 说明下垫面对大气的增温效应在夏季最强。
考虑到用一台热红外成像仪在短时间内完成 6种下垫面的温度观测仍会造成观测时间的不同, 进而引起温度差异, 我们在观测期间做了验证实验: 2016 年 3 月 27 日 11:00, 按照温度观测顺序, 先观测草坪下垫面的温度, 等完成其他下垫面温度观测后, 返回来再次对同一草坪的温度进行观测。草坪两次温度观测时间相差 8 分钟, 两次热红外图像获得的草坪平均温度差值是 0.05°C, 这个差异能够满足研究需要。
3.3 不同下垫面地表温度与气象因子的相关关系
地表温度差异除受下垫面性质影响外, 还受环境气象因子影响。考虑到各气象因子之间存在相关性, 对地表温度与各气象因子做偏相关分析, 结果见表 2。气温、太阳辐射以及空气相对湿度对地表温度的影响均极为显著(p<0.01)。其中, 太阳辐射和气温与地表温度之间呈正相关关系, 对地表升温起促进作用。从表 2 中偏相关系数可知, 气温对地表温度的影响比太阳辐射大。空气相对湿度与地表温度之间呈负相关关系, 对地表升温起抑制作用。这可能是由于较高的水汽含量在白天会削弱到达地面的太阳辐射, 不利于下垫面的地表温度升高[8]。风速与 6种下垫面的地表温度之间不具有显著相关性, 可能是由于观测区域风速较小, 也没有规律,且观测区域多为硬质下垫面, 因而对下垫面温度的影响较小。
3.4 不同下垫面热环境时空变化特征
采用黄良美等[18]的数据处理方法, 对下垫面地表温度的时间标准差、空间标准差及时空数据标准
[18,21]差 进行计算,定量分析不同下垫面在时间系列、空间系列及时空综合系列的热环境变化特征。时间标准差反映下垫面温度变化的稳定性, 标准差小则表明该下垫面稳定, 全天变化小。6 种下垫面地表温度在不同季节的时间标准差如图 7 所示。可以看出, 6种下垫面的稳定性在不同季节有所不同。与其他下垫面相比, 草地温度在 4 个季节的时间标准差较大, 说明其日变化波动较大, 下垫面稳定性差。水泥地表温度的时间标准差较小, 说明其温度日变化波动小, 下垫面稳定性好。其中, 水泥和嵌草砖地表温度在 4 个季节的时间标准差均比较接近, 说明水泥和嵌草砖下垫面在全年的稳定性较为一致。温度变化的波动性会影响热环境稳定性。由前面的分析可知, 嵌草砖地面与草地在夏季都具有 良好的降温效果, 但是嵌草砖地面的稳定性比草地更好。值得注意的是, 沥青与水泥这两种硬质下垫面具有相似的热吸收和耗散特性, 但沥青在不同季
节的温度变化不稳定, 其原因可能是: 1) 沥青路面反射率比水泥路面小, 在同等的日照条件下吸收的太阳能更多, 加上沥青比热小于水泥, 导致沥青地表的日最高温度和日较差高于水泥地表; 2) 在观测区域, 沥青路面的机动车交通流量大, 受到人为热量排放的影响显著大于水泥路面。空间标准差反映下垫面与观测区域总体热环境的接近程度, 标准差小则说明与总体热环境情况较为接近。图 8 为下垫面温度在不同季节的空间标准差。从总体上看, 不同下垫面的空间标准差具有显著差异。沥青和荷兰砖下垫面温度的空间标准差在 4 个季节均较高, 说明其温度变化特征在不同季节均较大程度地偏离观测区域总体景观环境温度。由于地表温度受下垫面性质以及环境气象因子影响较大, 不同季节与观测区域总体热环境接近的下垫面也不一样。在春、夏两季, 嵌草砖和草地下垫面温度的空间标准差较小, 与总体景观环境温度最接近, 这是因为在春、夏两季观测区域进入多雨时节, 嵌草砖和草地均属于透水型下垫面, 容易受到土壤湿度的影响, 温度特性较为一致。
图 9是不同下垫面温度的时空标准差, 标准差小则表明该下垫面可以作为观测区域景观热环境的代表性下垫面。6种下垫面在不同季节的时空标准差不同。与其他下垫面相比, 沥青路面在春、夏、秋季的时空标准差均较低, 总体而言, 沥青路面的温度特征最能够反映观测区域景观热环境的变化特征。分析城市中心下垫面与自然景观下垫面的性质差异可知, 城市中心下垫面多为硬质不透水下垫面, 且由于建筑物密度大, 反射面复杂, 因此相对于其他自然下垫面, 城市中心下垫面的反射 率较低[22],与本文分析得到的热环境代表性下垫面之间具有合理的重叠性。热环境代表性下垫面能够在一定程度上反映城市景观用地, 对于进一步研究城市区域热环境具有一定的现实意义。
4 结论
本研究选取城市中典型的 6 种下垫面类型(草地、沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、嵌草砖地面、大理石地面)作为观测对象, 利用热红外成像技术对其地表温度进行观测, 系统分析了不同下垫面的温度变化特征, 对比研究了不同下垫面的热环境效应, 主要结论如下。
1) 6种下垫面地表温度日变化与气温变化基本上一致, 总体上呈先增加后减小的变化趋势。沥青地表温度在全年均较高, 对热环境的影响较大; 嵌草砖和大理石地表温度全年均较低, 对热环境具有较好的缓解作用, 这种缓解作用在夏季最明显。草地在夏季也具有较好的降温作用, 但不同季节的温度日变化波动性较大。
2) 不同下垫面的日平均温度、日最高温度以及日较差全年高于气温, 说明下垫面在一年之中对大气具有一定的加热作用。其中, 沥青下垫面对大气的加热作用最强, 荷兰砖与水泥下垫面次之, 草地、嵌草砖和大理石下垫面最弱。
3) 气温、空气相对湿度以及太阳辐射等气象因子与下垫面温度之间具有显著相关性。气温和太阳辐射均起到促进下垫面增温的作用, 且气温对下垫面温度的影响大于太阳辐射。空气相对湿度与下垫面温度呈负相关关系, 对下垫面增温起抑制作用。风速对下垫面温度没有显著影响。
4) 嵌草砖地面的热环境稳定性比草地和大理石地面好, 沥青路面最能代表观测区域下垫面景观热环境的变化特征。 致谢 研究工作得到北京大学深圳研究生院环境与能源学院王蓓、鄢春华和肖晓丹同学的帮助, 在此表示衷心的感谢。
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