樹冠降溫效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)及關(guān)聯(lián)模型

徐　偉， 付海明

(東華大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b.國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心， 上海 201620)

提高城市綠化率已經(jīng)成為緩解城市熱島效應(yīng)、節(jié)約能源和提高人體熱舒適條件的重要策略[1].植被冠層小氣候環(huán)境是冷卻和調(diào)節(jié)空氣環(huán)境的主要因素，日間樹冠周圍溫度相比其他地方普遍低2 ℃，在有些時(shí)間甚至可以達(dá)到6 ℃[2].研究發(fā)現(xiàn)，綠化形式和面積是影響環(huán)境溫度的主要因素，不同類型植被之間存在差異，并且樹的陰影可以有效降低空氣溫度.然而，在沒有陰影的綠化地區(qū)或低矮植被地區(qū)，空氣環(huán)境溫度也會(huì)發(fā)生改變，這表明可能是植被蒸發(fā)冷卻發(fā)揮了作用[3-4].文獻(xiàn)[5]對(duì)炎熱的干旱地區(qū)的6種景觀策略進(jìn)行了研究，使用樹冠和草坪的不同組合與一個(gè)架空的遮陽網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用綠化措施的空氣溫度要明顯低于遮陽網(wǎng)的情況，且遮蔭樹和草坪組合的情況產(chǎn)生的溫度下降高達(dá)2.5 ℃.文獻(xiàn)[6]研究表明，綠化可以大大改善城市小氣候，減輕熱島效應(yīng)，降低夏季空氣溫度，隨著綠化面積和綠化率的增加，植被使周圍環(huán)境溫度的下降高達(dá)4 ℃.這種效果不僅作用于綠化地區(qū)本身，更可以影響背風(fēng)面幾千米的地區(qū).因此，增加城市環(huán)境中的植被是減輕熱島效應(yīng)的一種有效方式，并有利于城市中心大氣環(huán)境溫度的降低.文獻(xiàn)[7]用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象模擬的方法對(duì)熱島現(xiàn)象的成因和影響進(jìn)行了討論，結(jié)果表明，地表反照率和植被覆蓋率可以有效改變近地表氣候.綠化面積的增加可使空氣溫度降低約2 ℃，在某些情況下，局部空氣溫度下降可以達(dá)到4 ℃.植被影響環(huán)境溫度，不僅因?yàn)槠淇梢宰钃跞展庵鄙浜彤a(chǎn)生陰影，且植被葉片的蒸騰作用也是決定因素[8].文獻(xiàn)[9]研究了植被和城市農(nóng)業(yè)的蒸騰量對(duì)緩解城市溫度的影響，結(jié)果表明，城市環(huán)境中的樹冠可以導(dǎo)致周圍環(huán)境溫度降低0.5～4.0 ℃.文獻(xiàn)[10]利用地面激光掃描(TLS)的三維樹木冠層和遮陰數(shù)據(jù)分析植被的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)樹的冷卻效果隨樹冠大小和密度、葉的光學(xué)性能的不同而變化，樹冠體積和葉面積指數(shù)導(dǎo)致的降溫峰值可達(dá)到3 ℃，對(duì)4種林地(香樟、水杉、廣玉蘭、闊混交林)進(jìn)行對(duì)比分析可知，水杉林地降溫效果最大，其余由大到小依次是香樟、廣玉蘭、闊混交林林地.此研究結(jié)果可用于指導(dǎo)及幫助城市綠地規(guī)劃選擇最好的樹種.

綜上所述，植被綠化具有降低環(huán)境溫度、增加環(huán)境濕度的作用，是緩解城市熱島效應(yīng)的有效手段，然而關(guān)于樹冠結(jié)構(gòu)特性對(duì)環(huán)境溫度影響的定量研究較少，不利于通過城市綠化及規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法緩解城市熱島效應(yīng).因此，本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)綠色植被的葉面積指數(shù)、環(huán)境的流動(dòng)風(fēng)速及溫度與樹冠的降溫效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，旨在于探討單一品種樹冠的降溫效應(yīng)與其主要影響因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為城市的綠化及規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，以便提高城市綠化率及緩解城市熱島效應(yīng).

1　風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1　植被對(duì)環(huán)境溫度的影響

植被對(duì)環(huán)境溫度的影響主要包含3個(gè)方面：(1)遮陽降低太陽輻射得熱；(2)植物的蒸騰作用將太陽輻射轉(zhuǎn)化為潛熱來調(diào)節(jié)日光導(dǎo)致的熱增益；(3)葉片表面與空氣的對(duì)流換熱[6].本文主要研究樹冠對(duì)來流空氣的溫度影響，因此遮陽效果對(duì)試驗(yàn)影響較小，主要考慮后兩方面的影響.

本文將樹木當(dāng)做多孔介質(zhì)進(jìn)行處理，并作如下簡(jiǎn)化：將冠層部分(樹葉+樹枝)考慮為整體，即將樹枝近似為樹葉； 忽略樹干的影響.本文的試驗(yàn)樣本選取新鮮的樹枝葉，將其扎成與現(xiàn)實(shí)樹木冠層相似的形狀，且與現(xiàn)實(shí)樹冠具備相同的熱物性，保持置于風(fēng)洞中的樣本與位于行道的樹木的物理現(xiàn)象相似.由于上海地區(qū)夏季平均風(fēng)速為3.1 m/s，試驗(yàn)設(shè)備的風(fēng)速范圍設(shè)定為1～3 m/s.采用風(fēng)洞試驗(yàn)裝置與實(shí)際物理現(xiàn)象、幾何尺寸及雷諾準(zhǔn)則相似.

1.2　風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)

風(fēng)洞試驗(yàn)裝置如圖1所示.A、 B、 C為測(cè)試點(diǎn)，A-B為對(duì)比段，其間均勻分布著3個(gè)風(fēng)速測(cè)孔(如圖1中圓圈所示)，B-C為試驗(yàn)段，其長(zhǎng)度為0.7 m， D-E為填充區(qū)域，其長(zhǎng)度為0.5 m，矩形風(fēng)管橫截面尺寸為0.255 m×0.265 m.

1—變頻器； 2—風(fēng)機(jī)； 3—加熱器； 4—整流柵； 5—干濕球溫度計(jì)； 6—柵欄； 7—表盤； 8—調(diào)壓旋鈕圖1　風(fēng)洞試驗(yàn)裝置Fig.1　Experimental apparatus of wind tunnel

通過改變置于填充區(qū)域內(nèi)的試驗(yàn)樹枝的數(shù)量以及葉片數(shù)，獲得不同的葉面積指數(shù)和填充率.試驗(yàn)時(shí)，通過加熱器和調(diào)壓旋鈕輸入定常熱量獲得3種不同的空氣溫度(25、 30和35 ℃)，調(diào)節(jié)無級(jí)變頻裝置(0～50 Hz內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié))向測(cè)試段輸送速度為1～3 m/s的連續(xù)風(fēng).通過熱線風(fēng)速儀在風(fēng)速測(cè)孔處測(cè)量風(fēng)速，利用A、 B、 C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的干濕球溫度計(jì)測(cè)量溫度，并通過表盤連接計(jì)算機(jī)記錄A、 B、 C測(cè)點(diǎn)的空氣干球溫度.

2　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1　試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)所采用的樹葉均為上海地區(qū)校園常見常青樹種，在3種環(huán)境溫度(25、 30和35 ℃)條件下，分別測(cè)試了5種不同風(fēng)速(1～3 m/s)下5種葉面積指數(shù)樹冠的降溫效果.試驗(yàn)樹葉選擇葉片大小適當(dāng)?shù)拇笕~香樟樹葉，并采用其他樹種葉片(小葉香樟、白楊樹、灌木)進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，以驗(yàn)證不同樹種之間是否具有相同的規(guī)律.根據(jù)葉片尺寸的不同，引入等效直徑de，即與葉片具有相同面積的圓的直徑.將de≤5 cm的樹葉視為小葉片，如小葉香樟；5 cm10 cm的樹葉視為大葉片，如白楊樹.

2.2　數(shù)據(jù)處理

依據(jù)上述方法采用變頻風(fēng)機(jī)改變風(fēng)速，采用干濕球溫度計(jì)測(cè)量氣流經(jīng)過樹枝前后的溫度降，獲得樹枝前后溫差與葉面積指數(shù)、填充率及風(fēng)速變化關(guān)系曲線.本文定義溫度降Δt=tB-tC，為樹冠前段空氣溫度(tB)和樹冠后段空氣溫度(tC)之間的氣溫差，計(jì)算所有的實(shí)測(cè)溫度降并取其平均值.其中A-B段為無填充對(duì)比段，通過對(duì)比可明顯觀察到樹冠對(duì)空氣溫度的影響程度以及試驗(yàn)誤差.

3　結(jié)果與討論

本文旨在探究溫度下降系數(shù)(Ct)與環(huán)境溫度(t)、樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉面積指數(shù)(LLAI)和填充率(Vp))、風(fēng)速(v)之間的關(guān)系.目前，國內(nèi)外關(guān)于樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空氣溫度影響的定量研究成果比較少，本文依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的量化分析，采用文獻(xiàn)[11]提出的樹冠溫度下降模型，如式(1)所示.

Δt=Ct·t

(1)

本文在式(1)的基礎(chǔ)上考慮樹冠本身蒸騰作用對(duì)周圍環(huán)境溫度的影響，而蒸騰作用與環(huán)境溫度相關(guān)[6]，故假設(shè)溫度下降系數(shù)是關(guān)于環(huán)境溫度、樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)及風(fēng)速的函數(shù)，改變樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)及風(fēng)速進(jìn)行試驗(yàn)，研究溫度下降系數(shù)與樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)及風(fēng)速的關(guān)聯(lián).

3.1　葉面積指數(shù)和填充率之間的關(guān)系

通?？刹捎萌~面積指數(shù)和填充率來描述單一品種樹冠的結(jié)構(gòu)參數(shù).

葉面積指數(shù)又叫葉面積系數(shù)，是指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)，其是反映植物群體生長(zhǎng)狀況的一個(gè)重要指標(biāo).本文采用樹葉圖像掃描技術(shù)，測(cè)試樹葉的總表面積，采用總表面積與其沿氣流流動(dòng)方向的投影面積之比，可獲得單一品種樹冠的葉面積指數(shù).

如果將樹冠視為多孔介質(zhì)，那么可采用填充率來描述樹冠結(jié)構(gòu).填充率為樹葉的實(shí)際體積與其所占有的表觀總體積之比.試驗(yàn)采用浸水法進(jìn)行填充率測(cè)試，即將樹葉及樹枝浸入固定容積的容器內(nèi)，計(jì)算其排除的體積與容器體積之比，即可獲得某品種樹冠的填充率.

4種不同品種的樹冠填充率與其葉面積指數(shù)關(guān)系測(cè)試結(jié)果如圖2所示.

圖2　4種不同品種的樹冠填充率與葉面積指數(shù)的關(guān)系Fig.2　Relationship between filling rate and leaf area index of four kinds of tree species

由圖2可知，填充率與葉面積指數(shù)成線性正比關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)與樹冠種類相關(guān)，二者為非獨(dú)立自變量，故可采用填充率或葉面積指數(shù)來描述樹冠結(jié)構(gòu).本文采用葉面積指數(shù)研究其與樹冠溫度下降系數(shù)的相關(guān)關(guān)系.

3.2　樹冠下降溫度與其影響因素分析

由相關(guān)研究文獻(xiàn)及試驗(yàn)結(jié)果可知，樹冠溫度下降的主要影響因素為葉面積指數(shù)、風(fēng)速及環(huán)境溫度.

本文采用大葉香樟樹葉在3種不同環(huán)境溫度下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，得到樹冠溫度下降量與風(fēng)速及葉面積指數(shù)的關(guān)系圖如圖3所示.

(a) 25 ℃

(b) 30 ℃

(c) 35 ℃

由圖3可知：當(dāng)環(huán)境溫度較低為25 ℃時(shí)，溫降較小且誤差較大，無法觀察到明顯的變化規(guī)律，但還是可以看出溫降隨葉面積指數(shù)的增加而增大；當(dāng)環(huán)境溫度上升至30 ℃時(shí)，已經(jīng)可以觀察到明顯的變化規(guī)律，溫降隨葉面積指數(shù)的增加而增大，隨風(fēng)速增大而減小，誤差也相對(duì)減?。划?dāng)環(huán)境溫度為35 ℃，這種變化趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯了，試驗(yàn)誤差隨環(huán)境溫度增加而減小，在這時(shí)已在可以接受的范圍內(nèi).縱觀圖3可以看出，溫度下降系數(shù)與環(huán)境溫度和葉面積指數(shù)成正比，與風(fēng)速成反比.下面將討論Ct與這3個(gè)參數(shù)的具體關(guān)系.

由于環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)的溫降較小且誤差較大，這里主要以環(huán)境溫度為30和35 ℃作為主要討論依據(jù).由圖3可以發(fā)現(xiàn)，溫度下降系數(shù)與環(huán)境溫度、葉面積指數(shù)和風(fēng)速相關(guān)，即Ct=f(it，LLAI，iv)，其中，it為環(huán)境溫度除以基準(zhǔn)溫度(取35 ℃)，iv為試驗(yàn)風(fēng)速除以基準(zhǔn)風(fēng)速(取1 m/s)，實(shí)現(xiàn)溫度和速度的無量綱化.風(fēng)洞試驗(yàn)所得溫度變化(經(jīng)過無量綱處理)與風(fēng)速之間的關(guān)系如圖4所示.試驗(yàn)所得溫度變化(經(jīng)過無量綱處理)與葉面積指數(shù)之間的關(guān)系如圖5所示.

(a) 30 ℃

(b) 35 ℃

(a) 30 ℃

(b) 35 ℃

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)所得樹冠溫度下降系數(shù)與葉面積指數(shù)和風(fēng)速之間關(guān)系，本文提出如下表達(dá)式：

式中：a、b、c、d、e均為擬合系數(shù).

在以下分析中利用此表達(dá)式進(jìn)行擬合.

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)所得溫度變化與葉面積指數(shù)和風(fēng)速之間的關(guān)系，將所有的試驗(yàn)結(jié)果擬合得出：

(2)

所以

Δt=(-3.35×10-2+5.22×10-3×LLAI+

(3)

為了驗(yàn)證式(3)是否適用于其他樹種，本文選取其他3種樹種進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，包括葉片尺寸較小的小葉香樟、葉片尺寸偏大的白楊樹以及葉片尺寸與本試驗(yàn)葉片大小相當(dāng)?shù)墓嗄緲淙~.當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃、風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，不同樹冠的溫度下降系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系如圖6所示.當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃、葉面積指數(shù)為8.2時(shí)，不同樹冠溫度下降系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系如圖7所示.

圖6　不同樹冠的溫度下降系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系(風(fēng)速為2.5 m/s時(shí))Fig.6　The relationship between canopy temperature drop coefficient and leaf area index of different tree species(when wind speed is 2.5 m/s)

圖7　不同樹冠的溫度下降系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系(葉面積指數(shù)為8.2時(shí))Fig.7　The relationship between canopy temperature drop coefficient and wind speed of different tree species(when leaf area index is 8.2)

由圖6可知，不同樹種之間的溫度下降系數(shù)并不相同，本文提出的樹冠溫降關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值與不同樹冠的試驗(yàn)測(cè)試值存在一定偏差.其中：葉片尺寸與本試驗(yàn)相當(dāng)?shù)墓嗄緲淙~的Ct偏差較小，約為15%；葉片尺寸較小的小葉香樟相差最大，特別是葉面積指數(shù)極小的情況；葉片尺寸較大的白楊樹的Ct與本試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，約為60%，而且Ct預(yù)測(cè)與試驗(yàn)偏差隨葉面積指數(shù)的上升而增大.由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在葉面積指數(shù)較小為8.2時(shí)，灌木樹葉的Ct與本試驗(yàn)擬合結(jié)果偏差最小，約為5%，小葉香樟和白楊樹葉的Ct均與本試驗(yàn)擬合結(jié)果有較大偏差，約為50%，且這兩種葉片的偏差程度是相當(dāng)?shù)?

因此，本文試驗(yàn)結(jié)果可以適用于葉面積指數(shù)適當(dāng)?shù)南嗨瞥叽鐦淙~，其他小葉片或者大葉片的樹種可能需要進(jìn)行相關(guān)修正.產(chǎn)生偏差的原因除了葉片尺寸之外，還包括人為誤差、試驗(yàn)風(fēng)管的局限性、每次試驗(yàn)需采集新鮮葉片.

由圖7可知，不同樹冠的溫度下降系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系變化趨勢(shì)是基本一致的.本文提出的樹冠溫度下降系數(shù)關(guān)聯(lián)表達(dá)式在相近樹種間具有一定的適用性，對(duì)其進(jìn)行必要的修正可預(yù)測(cè)不同樹冠的降溫效應(yīng).

因國內(nèi)外直接研究樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)周圍環(huán)境溫度(主要是來流空氣)影響的文獻(xiàn)較少，因此無法做直接對(duì)比.本文在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，葉片所類比的樹冠和風(fēng)洞組成了一個(gè)微環(huán)境，在葉面積指數(shù)為11.81的情況下最大溫降為1.15 ℃.

4　結(jié)　語

本文采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，在3種環(huán)境溫度、5種風(fēng)速條件下，研究了5種葉面積指數(shù)的大葉香樟樹冠對(duì)周圍環(huán)境溫度的影響規(guī)律.依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擬合得出樹冠溫度下降系數(shù)與葉面積指數(shù)和風(fēng)速之間的關(guān)聯(lián)表達(dá)式.同時(shí)，對(duì)其他樹種進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與本文擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只有葉片尺寸與大葉香樟相似的灌木樹葉的樹冠溫度下降系數(shù)擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有高度的相似性，葉片尺寸較小和較大的樹種均存在較大偏差.因此，本文擬合的樹冠溫度下降系數(shù)關(guān)聯(lián)表達(dá)式可適用于葉片尺寸與大葉香樟相似的樹種，如用于其他葉片尺寸的樹種，擬合表達(dá)式需加入其他參數(shù)或進(jìn)行修正，此內(nèi)容有待進(jìn)一步研究.

本文試驗(yàn)結(jié)果存在一定的不確定性，多次重復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)每次測(cè)試結(jié)果存在一定偏差，可能是測(cè)量?jī)x器本身的精度局限性對(duì)結(jié)果造成的偏差.另外，本文試驗(yàn)僅在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，未在其他地區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，具有一定的地域局限；采取風(fēng)洞試驗(yàn)的形式，樹葉的堆積形態(tài)與實(shí)際樹冠存在一定差異；風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)管的局限性可能導(dǎo)致葉面積指數(shù)較大時(shí)與實(shí)際環(huán)境下的樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)存在較大差異.上述這些因素對(duì)本文樹冠溫降關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)結(jié)果有一定影響，有待進(jìn)一步完善.

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