贛州某高校典型區(qū)域下墊面溫濕度監(jiān)測(cè)研究★

曾 穎 溫小軍 李能琛 顧 義 皮佳媛

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 概述

當(dāng)前城鎮(zhèn)化建設(shè)推動(dòng)著城市快速發(fā)展，人們更加關(guān)注由此帶來(lái)的自然氣候的變化。其中，由于城市下墊面的改變，不同下墊面的物理特性使得城市空氣的溫度與濕度都有一定的差異性，不同下墊面對(duì)局地氣象要素的影響顯著，對(duì)區(qū)域氣候及其變化具有重要作用[1]。一方面，不同類(lèi)型下墊面的溫濕度是影響舒適性的重要因素，在很大程度上影響著居民的人居環(huán)境及生產(chǎn)生活，微氣候變化已然成為影響城市可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)不容小覷的因素。另一方面，在研究下墊面改變與氣候變化的相應(yīng)關(guān)系中，很多學(xué)者對(duì)不同緯度、類(lèi)型的城市做了城、郊?xì)鉁貙?duì)比觀測(cè)，都發(fā)現(xiàn)城區(qū)氣溫高于郊區(qū)的熱島現(xiàn)象[2]。許多學(xué)者對(duì)城市熱島的演變與成因進(jìn)行了分析[3-6]，這些分析中下墊面均為主要因素。我國(guó)在城市熱島的研究方面近年來(lái)取得了許多成果，研究主要采用了近年的氣象資料的溫度數(shù)據(jù)、實(shí)地觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)的方法。

本文以江西理工大學(xué)紅旗校區(qū)作為典型舊城區(qū)研究對(duì)象，選擇石質(zhì)鋪裝、瀝青、透水磚、草地、水面等5種主要活動(dòng)區(qū)域類(lèi)型，從定量的角度分析了溫濕度變化規(guī)律，探討了不同下墊面溫濕度的動(dòng)態(tài)變化對(duì)城市的熱環(huán)境帶來(lái)的影響。

2 研究對(duì)象與研究方法

2.1 研究對(duì)象

本研究試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在江西省贛州市江西理工大學(xué)紅旗大道校區(qū)內(nèi)(北緯25°51′、東經(jīng)114°56′)。贛州市地處中亞熱帶南緣屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有冬夏季風(fēng)盛行、春夏降水集中、四季分明、氣候溫和、熱量豐富、雨量充沛、酷暑和嚴(yán)寒流時(shí)間短、無(wú)霜期長(zhǎng)等氣候特征。主要測(cè)試區(qū)為校園內(nèi)主要公共活動(dòng)空間。

2.2 研究方法

2.2.1 測(cè)點(diǎn)選擇與監(jiān)測(cè)方法

本研究以江西理工大學(xué)紅旗校區(qū)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，選擇其中具有典型意義的石質(zhì)鋪裝、瀝青路面、透水磚鋪裝、草地及水面等5種下墊面進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)期當(dāng)天的背景天氣為：最高溫34 ℃，最低溫25 ℃，西南風(fēng)2級(jí)，多云；全天測(cè)定并取平均值，時(shí)間為6：00～22：00，以移動(dòng)路線觀測(cè)法每1 h分別對(duì)各下墊面的溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)定(兩個(gè)相距最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間超過(guò)20 min)。采用TES1365溫濕度計(jì)同時(shí)對(duì)溫度、濕度雙讀值(%RH及℃)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對(duì)不同活動(dòng)區(qū)域及其不同下墊面距離地面0 m，1.2 m高度溫濕度進(jìn)行觀測(cè)與對(duì)比分析。

表1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)情況表

2.2.2 舒適性計(jì)算及評(píng)價(jià)方法

將各下墊面在各樣地的測(cè)值作為該類(lèi)型下墊面的溫濕值進(jìn)行日間變化特征和季變化特征分析。選用反映人體舒適情況的濕熱指數(shù)(Thermal Humidity Index，THI)[7]作為樣地人體舒適度衡量指標(biāo)，結(jié)合溫度與濕度數(shù)據(jù)，直觀反映舒適性。計(jì)算公式為:

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)。

式中：T——空氣溫度,℃；

RH——相對(duì)濕度,%。

將公式稍作變化可得：

THI=RH(0.55T-7.975)+0.45T+7.975。

說(shuō)明當(dāng)溫度大于14.5 ℃時(shí)，濕熱指數(shù)隨溫度與濕度的升高而升高；當(dāng)溫度小于14.5 ℃時(shí)，濕熱指數(shù)隨溫度與濕度的升高而降低，在本次實(shí)驗(yàn)中，溫度均處于14.5 ℃以上，溫度與濕度的升高會(huì)導(dǎo)致濕熱指數(shù)升高，舒適度降低。舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，濕熱指數(shù)值越高，說(shuō)明越不舒適，反之濕熱指數(shù)越低，舒適度越高。

表2 濕熱指數(shù)與人體舒適度對(duì)照表

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同類(lèi)型下墊面溫濕度變化特征

1)不同下墊面濕度變化情況。

石質(zhì)鋪裝、瀝青、透水磚、草地、水面5種下墊面類(lèi)型的空氣濕度日變化特征都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)，濕度排序?yàn)樗?草地>瀝青>透水磚>石質(zhì)鋪裝。在14：00前后達(dá)到最小值，各下墊面的平均濕度為55.39%。石質(zhì)鋪裝和水面的濕度分別達(dá)到最低值、最高值，分別為49.36%，59.30%。透水性較好的透水磚的濕度處于平均值57.03%。草地的濕度變化比較明顯，在14：00前后達(dá)到最低值，后迅速上升，處于較高的水平。

2)不同下墊面溫度變化情況。

石質(zhì)鋪裝、瀝青、透水磚、草地、水面5種下墊面類(lèi)型的空氣溫度日變化特征均呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)(如圖2所示)，排序?yàn)槭|(zhì)鋪裝>草地>水面>瀝青>透水磚。各下墊面的最低溫度相近，均出現(xiàn)在6：00太陽(yáng)尚未出現(xiàn)的時(shí)候，在14：00前后達(dá)到最大值，且不同材質(zhì)的下墊面之間差異明顯，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，各種類(lèi)型下墊面的溫度下降，又趨于一致。一天之中，石質(zhì)鋪裝和草地的空氣溫度最高，分別為41.26 ℃和41.55 ℃。由于在太陽(yáng)輻射導(dǎo)致植物部分氣孔關(guān)閉，蒸騰作用減弱，草地的空氣溫度升高，而在16：00之后，太陽(yáng)輻射減弱，草地的降溫作用又體現(xiàn)出來(lái)。可見(jiàn)草地對(duì)空氣的降溫作用存在一定局限性。水面的空氣溫度變化最為平緩且峰值在16：00左右出現(xiàn)，為38.17 ℃，說(shuō)明水對(duì)空氣溫度變化有緩和作用。瀝青作用下的溫度變化最為劇烈，呈現(xiàn)忽高忽低的變化趨勢(shì)，與石質(zhì)鋪裝等不透水性地面相比，瀝青的顏色更深，因此陽(yáng)光作用下溫度變化更明顯。

3.2 不同監(jiān)測(cè)高度下墊面溫濕度變化特征

1)不同監(jiān)測(cè)高度下墊面濕度變化情況。

以一天中各個(gè)時(shí)刻不同下墊面類(lèi)型下不同高度的濕度的平均值作為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別測(cè)量了貼近下墊面的地表濕度和距離下墊面1.2 m處的濕度(見(jiàn)圖3)。總體上趨勢(shì)是地表濕度大于1.2 m處的濕度。透水性好的下墊面如水面、草地、透水磚比透水性差的下墊面的濕度更高。其中水面表面與1.2 m處的濕度差值最大，石質(zhì)鋪裝情況比較特殊，1.2 m處的濕度比地表濕度更高。

2)不同監(jiān)測(cè)高度下墊面溫度變化情況。

數(shù)據(jù)顯示地表溫度一般高于1.2 m處的溫度，水面則相反(見(jiàn)圖4)。不同下墊面之間的地表溫度差異較大，1.2 m處的溫度相差較小，草地、石質(zhì)鋪裝對(duì)空氣溫度的加熱作用明顯。水面有降低空氣溫度的作用。瀝青、透水磚在不同高度上的空氣溫度相近。不同下墊面類(lèi)型對(duì)環(huán)境的溫度影響較大。

3.3 不同遮蔽條件下墊面溫濕度變化特征

1)不同遮蔽條件下墊面濕度變化情況。

數(shù)據(jù)顯示有遮蔽條件的空氣濕度一般高于無(wú)遮蔽條件的空氣濕度，但作用并不明顯，平均提高濕度1.75%。有無(wú)遮擋對(duì)濕度的影響強(qiáng)度排序?yàn)闉r青>草地>石質(zhì)鋪裝>水面>草地(見(jiàn)圖5)。

2)不同遮蔽條件下墊面溫度變化情況。

數(shù)據(jù)顯示有遮擋條件的空氣溫度普遍低于無(wú)遮擋條件的空氣溫度(見(jiàn)圖6)，平均降低1.12 ℃，對(duì)草地、瀝青的作用尤其明顯，分別達(dá)到了1.56 ℃和1.70 ℃。有無(wú)遮擋對(duì)溫度的影響強(qiáng)度排序?yàn)闉r青>草地>石質(zhì)鋪裝>透水磚。即遮擋對(duì)瀝青的降溫效果最為明顯，主要是由于瀝青深色的顏色對(duì)光線吸收強(qiáng)度導(dǎo)致的。

4 不同下墊面舒適度分析

各類(lèi)型下墊面的濕熱指數(shù)變化趨勢(shì)基本與溫度變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，見(jiàn)圖7。其中草地、水面濕熱指數(shù)最高，透水磚的濕熱指數(shù)最低。濕熱指數(shù)最高以及濕熱指數(shù)波動(dòng)最大的皆為水面。說(shuō)明在高溫下，濕度高雖然一方面為更多水汽蒸發(fā)帶走熱量產(chǎn)生條件，但另一方面，溫度與濕度若不能達(dá)到較好的平衡，高濕度的環(huán)境反而會(huì)使人產(chǎn)生不適。根據(jù)濕熱指數(shù)與人體舒適度對(duì)照表，舒適度的排序由好到壞為透水磚>瀝青>石質(zhì)鋪裝>水面>草地。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)校園內(nèi)5種下墊面類(lèi)型在不同高度、有無(wú)遮擋條件下對(duì)微氣候特征因子的實(shí)地觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)下墊面類(lèi)型對(duì)于溫濕度均有顯著影響，且各不同類(lèi)型下墊面存在顯著差異性；溫度與濕度的變化趨勢(shì)成反比，濕度高會(huì)使水分蒸發(fā)帶走熱量，起到降低溫度的效果；各下墊面類(lèi)型的空氣溫度表現(xiàn)為透水磚最低、石質(zhì)鋪裝最高的特點(diǎn)，濕度表現(xiàn)為水面最高，石質(zhì)鋪裝最低的特點(diǎn)；深色的下墊面受到太陽(yáng)輻射的影響導(dǎo)致的溫度波動(dòng)更明顯；透水性好的下墊面濕度更高，空氣溫度的變化趨勢(shì)更緩和；草地對(duì)下墊面溫濕度的影響作用受環(huán)境溫度的影響，高溫會(huì)導(dǎo)致植物蒸騰作用減弱，降低草地增濕作用以及降溫作用；濕度在降溫作用中并不在主導(dǎo)地位，影響溫度變化的因素除了濕度增加帶走熱量，主要原因在于地面吸收了太陽(yáng)輻射后產(chǎn)生的地面輻射；在高溫條件下，高濕度的下墊面如水面的濕熱指數(shù)更高，舒適度更低。

在實(shí)際的規(guī)劃建設(shè)中，為改善溫濕度環(huán)境，緩和溫度變化，最有效的方法是切斷太陽(yáng)輻射到地面的路徑，即考慮遮陽(yáng)，通過(guò)植樹(shù)或布置遮陽(yáng)設(shè)施，減少太陽(yáng)輻射，同時(shí)也減少了地面輻射；其次，適當(dāng)設(shè)置水體，在濱水岸邊種植綠化提供遮蔽，不建議大面積設(shè)置裸露水體，水增加空氣濕度，在高溫情況下反而容易增加濕熱指數(shù)，使人產(chǎn)生不適感；減少不必要的硬質(zhì)、深色鋪地的布置，避免使用比熱容較低的下墊面，以防止溫度波動(dòng)明顯使人產(chǎn)生不適；在太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的地區(qū)，要考慮到太陽(yáng)輻射對(duì)植物蒸騰作用的影響，在草地上種植樹(shù)木、灌木起到遮陽(yáng)降溫作用，保證植物蒸騰作用能正常進(jìn)行。