懸鈴木行道樹夏季垂直降溫效應測析*

劉濱誼 彭旭路

同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系 上海 200092

近年，植物對室外空間環境的小氣候舒適性改善效應已被大部分人接受，植物通過自身蒸騰作用消耗周圍空氣中的熱量達到對周圍環境的降溫效應[1-3]。本課題組在植物要素對小氣候環境的影響研究中提出以下觀點：植被要素夏季有降溫增濕作用，且樹冠形狀對氣溫有較大影響[4-7]；植物密度和植被結構對于小氣候適應性影響較大，植物密度越大，越有利于提高小氣候適應性，植被越復雜改善小氣候的效果越好[8]。在進行實測研究的過程中，現有的小氣候場地實測多測試人活動高度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的小氣候改善效應。而小氣候立體分層實測研究有利于找到植物對氣候改善的空間作用規律，但植物對室外立體空間小氣候垂直分層影響的實測研究較少。

中國城市建成區植被主要喬木樹種約為17種，喬木胸徑主要處于小徑級5～25 cm，樹高基本集中在5～7 m和7～9 m的區間[9]。懸鈴木作為世界5大行道樹之一，在中國有悠久的栽培歷史[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，適應性強，具有代表性。以懸鈴木為研究對象進行有遮蔭和無遮蔭的垂直方向的空氣溫濕度對比測試，以分析以下內容：1) 測試單行懸鈴木行道樹林蔭空間的夏季降溫作用的垂直功效特征和作用機制。2) 了解植物與大氣之間的湍流交換過程，以期知道植物對改善城市大氣環境的相互作用。3) 觀測植物的蒸騰降溫效應在空間分層上對哪些高度產生影響。4) 檢測垂直測試小氣候因子實驗方法的可行性。

1 研究內容

1.1 測試儀器

溫濕度記錄采用望云山多通道溫濕度記錄儀， 溫度測量范圍為-25 ℃～85 ℃，濕度測量范圍為0～99.9%RH，溫度測量精度為±0.5 ℃，濕度測量精度為±3% RH。同時，風速風向記錄采用“自制風向風速條”進行手工記錄和確認。

1.2 研究對象

根據史琰等[9]研究，中國城市建成區植物中主要喬木樹種的高度區間在7～9 m范圍具有普遍性；同時，為了避免建筑和機動車道路的熱輻射對行道樹降溫實測的影響，只研究太陽、風等自然因素的影響，需考慮場地相對開闊、遠離建筑30 m以上同時遠離機動車道路的行道樹為研究對象；再結合實驗器材不銹鋼伸縮桿的高度為8 m，選擇同濟大學四平路校區圖書館東側的一排高度具有普適性的8 m單行懸鈴木行道樹為本次實測研究對象，進行同樣下墊面的有遮蔭和無遮蔭對比實測。研究對象西側有國旗桿，可以借此人工觀測垂直參考高度的風速風向。實測場地形狀長方形(長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。場地四周懸鈴木行道樹為同一品種，實測的遮蔭測點位置位于場地東面，該行行道樹平均胸徑30 cm，樹高8 m，冠幅5 m，第一分枝點高3 m，第二分枝點高4 m，樹冠層高度約4 m。葉面積指數根據北京林業大學提出的計算方程[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 測試方案

1.3.1 測試布點

本次測試采用垂直布點的方式。有遮蔭的測點是在場地南北向的高8 m的一排懸鈴木中選擇了中間的一棵，在樹干附近垂直立桿，將溫濕度記錄儀固定在測試桿上。共設置了8個垂直溫濕度測點，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、人體活動區、樹冠下緣、樹冠內，以及樹冠表面，如圖1所示。

1.3.2 對比測點

場地無遮蔭測點選擇在有遮蔭測點附近，無林蔭遮蔽全日照條件位置，下墊面都有草坪，測點高度分布與有遮蔭測點一致。自然氣候條件中的空氣溫度、濕度基準數據是利用國家基準氣象站上海虹橋氣象站的氣候數據(1.5 m高度的數據)。

1.3.3 測試時間

上海夏季典型高溫日7月27日測試期間虹橋氣象站氣象參數如下：最高溫度38 ℃，最低氣溫30 ℃，風向為東南風或南風，風速3～4級，平均相對濕度61%，最大濕度79%，最小相對濕度42%，大部分時間晴朗少云，測試時間為6∶30—18∶30。當天日出時間5∶08，日落時間18∶53。由于兩測試點分布位置不同，同時測試桿的高度為8 m，兩測試點接受到太陽照射的具體時間段有所不同。其中無遮蔭測試點的所有高度完全接受太陽照射的時間范圍是8∶00—16∶30，有遮蔭測試點受太陽高度角影響，在6∶30—8∶00和14∶30—16∶30兩個時間段樹冠下緣到地面還能受到太陽照射。

圖1 測點分布示意圖

2 測試結果分析

2.1 有遮蔭測試點垂直高度溫度變化狀況分析

從圖2可以看出，樹冠內部以及樹冠表面(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高度的樹冠表面測點由于受到太陽照射，白天大部分時間段的空氣溫度相對于其他高度都是最高的，最高溫度在12∶30達到了47.6 ℃。7 m的樹冠內高度在7∶30—9∶30的時段有明顯高峰，6 m樹冠高度在9∶00—10∶00有溫度波峰，時間出現得比7 m稍晚，說明較高處的樹冠先開始蒸騰，然后高度逐漸向下發展。隨著時間推移，蒸騰導致的局部高溫都匯聚在樹冠表面，使樹冠表面的高溫時間持續了7個小時，最高溫度比7 m樹冠內的溫度要高8.2 ℃，到14∶30后樹冠表面溫度產生明顯下降。地面以及0.3 m高度在下午14∶00后由于受到太陽照射，溫度上升的主要原因是太陽輻射。在下午16∶00點所有的測點都出現了小高峰，而此時溫度最低的高度是6 m，即樹冠內。大部分時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，說明草坪雖然有蒸騰作用，但因其葉面積指數太低從而對溫度影響幅度不明顯。

圖2 有遮蔭樹干中心垂直測點空氣溫度

從圖3中可以看出，位于樹冠表面8 m測點的溫度在8∶30—14∶30都比無遮蔭的對比測點的溫度高，最高的溫差達到了5.1 ℃。在同樣接受太陽直射的情況下，樹冠表面因為植物的蒸騰作用使樹冠中的高溫匯聚在樹冠表面，是兩測點8 m高度產生溫差的主要原因。

圖3 8M空氣溫度對比

2.2 無遮蔭測試點垂直高度氣溫變化狀況分析

從圖4可以看出，在無遮蔭的情況下空氣溫度的垂直分層規律并不是按照高度變化出現相應的變化規律，除了主要受到太陽輻射的影響外，空氣流動也是影響空氣溫度的主要自然因素。最高點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都是場地最低溫(有遮蔭測點7 m高度的8：00—9∶30則是迅速升溫)，但從12∶30—17∶00點，7 m的溫度最高。垂直方向7 m和8 m的溫差最大為3 ℃，是否可以假設存在水平方向的空氣流動，同樣高度的樹冠表面層因為蒸騰作用，而把水平方向上的周圍溫度降低了。由于無遮蔭阻攔太陽輻射，8∶30—15∶30時段地面溫度都比1.5 m處高，僅在12∶30低于1.5 m處。

圖4 無遮蔭垂直測點空氣溫度

2.3 兩測試點空氣濕度變化狀況分析

從圖5可知，有遮蔭測試點的空氣濕度在14∶30以前基本是隨著高度升高而濕度減少的變化規律。其中7m濕度明顯減少的時間段為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段一樣，說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照射的緣故。

圖5 有遮蔭樹干中心垂直測點空氣濕度

圖6 無遮蔭垂直測點空氣濕度

由圖6可知，無遮蔭測點的空氣濕度和空氣溫度的變化規律是呈負相關，即溫度高的時段是濕度降低的時段。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 兩測試點各高度空氣溫度橫向對比分析

從圖7可以看出，有遮蔭測點除了冠層表面高度，其余冠層內以及冠層下各高度的溫度都要比同樣水平高度的無遮蔭測點的溫度低，但是6 m和7 m高度因為蒸騰作用，有過短時的高溫超過對比高度的溫度，以及14∶30以后有遮蔭測點的地面層以及0.3 m的草坪冠層因為受到太陽照射而溫度高于對比測點。

2.5 風速風向觀測分析

由于采用自制風速風向條，對風速和風向進行手工記錄會對風速風向的精確性產生影響，同時由于風瞬時變化的無規律性，手工記錄是以感受到風的時間進行記錄，而不是按間隔規律性時間記錄。場地西側的國旗高約20 m，全天觀測到的風向和氣象站數據一致，以東南方向和南方為主，偶爾會有北風，起風時旗幟大部分能被吹開，估計風速為3級(4～6 m/秒)，表明這個高度的風主要受大氣環流影響。場地測試點在6∶30—8∶00觀測記錄到的瞬時風頻較少，8∶00—17∶00不定時觀測到瞬時風，其中10∶00—12∶00和14∶00—16∶30兩個時段的瞬時風頻率較多。風向上，只能通過風速觀測條預估水平方向的瞬時方向，是否存在垂直方向的局地空氣流動無法準確判斷。

圖7 兩測點各垂直高度空氣溫度對比圖

2.6 有遮蔭測點氣溫變化的作用機制分析

從圖8中可以看到，在氣溫最高點，兩測點各高度的氣溫除了樹冠表面測點，其余都是有遮蔭低于無遮蔭。同樣受到太陽照射的情況下8 m樹冠表面的溫度在8∶30—14∶30時段內比無遮蔭對照測點還高，且在氣溫最高時間12∶30溫差最大為5.1 ℃。這說明影響氣溫變化的原因除了接受太陽輻射導致溫度升高外，還有植被葉片吸收太陽短波輻射，并通過蒸騰作用將根系中的水分傳輸至葉片氣孔處，由大氣湍流運動引起熱量和水汽向冠層內以及冠層上方空氣輸運，導致植被與大氣之間不斷進行感熱交換和潛熱交換，從而影響冠層內外溫度和水汽分布[13]。

圖8 兩測點氣溫最高時間各高度空氣溫度對比圖

植物通過蒸騰作用大量地從周圍環境中吸熱, 可以降低周邊環境空氣的溫度[7]。假設這個降低周邊環境溫度是發生蒸騰作用強烈的樹冠表面的水平方向，那本次實測的結果可以實證這個假設的存在∶同樣垂直方向，無遮蔭測點8 m的溫度比同水平位置的樹冠表面溫度低，也不是垂直方向的最高溫度層，并且在10∶00—12∶15時段是垂直方向的最低溫。

3 結論

1) 通過實測，明確了夏季懸鈴木垂直方向空氣溫濕度日變化的時段特征，發現樹冠層因為蒸騰作用引起的垂直方向以及樹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冠表面，并且高于同樣高度的無遮蔭對比測點。

2) 林蔭降溫的主要機制還是因為林蔭空間阻隔了部分太陽輻射，冠層下和冠層中空氣升溫速率慢，形成了溫差，產生了降溫的感受與舒適性改善效應。因為遮蔭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層的垂直溫差最高可以達到10 ℃，因為蒸騰作用對周圍環境產生的降溫使冠層表面水平方向的溫度溫差最大達到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的，因空間分布位置以及接受日照的角度與時間的不同，從而影響溫濕度的日變化特征。植物改善小氣候的效應在垂直方向有其自身的作用機制，受蒸騰影響導致的氣溫變化，雖然高度受喬木高度、樹冠高度的影響，但其巨大的溫差有可能為產生垂直方向、水平方向的空氣流動創造條件。

4) 在沒有樹蔭的情況下，垂直方向的溫濕度日變化情況不穩定，沒有明顯規律，溫濕度日變化程度不如有樹蔭的變化大。垂直方向的空氣溫度雖然主要受太陽輻射影響，但垂直方向上的湍流熱交換作用和水平方向上的來流空氣熱交換作用可能都會對空間中的溫濕度產生影響[14]。

4 討論

在垂直方向進行小氣候因子實測研究還處于探索階段，且受實驗材料、器材的限制，采用先易后難的步驟，本次實驗先選擇了簡單的室外空間形式和單一的植物種類。由于對照測點受實驗器材限制只選擇了一個，無法更準確地測試喬木蒸騰作用對周圍環境多方位降溫效應發生的方式、方向、比例等情況，如繼續深入測試植物垂直方向的大氣湍流特征，觀測植物與垂直方向小氣候環境相互作用的關系等需要在大氣科學、空氣動力學等學科知識的綜合運用下設計更加深入而詳細的實驗方案。本實驗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測提供了參考。