鄉村住區下墊面表面溫度實測及影響因素分析
——基于冬季紅外熱成像航拍實驗數據

■ 程 明 CHENG Ming 周伊利 ZHOU Yili 李 琪 LI Qi 朱 丹 ZHU Dan

隨著鄉村振興戰略的全面推進實施，鄉村人居環境受到前所未有的關注。在各類新型鄉村住區的建設中，各類下墊面類型的變化給鄉村熱環境帶來新的影響。因此，揭示鄉村地區各類地表下墊面對室外熱環境的影響機制，具有很重要的現實需求。通過對各類地表下墊面溫度的實測，可以了解各類下墊面不同的吸熱性質及其對室外熱環境不同程度的影響，為今后鄉村地區室外下墊面設計提供科學依據。本次實驗采用熱成像無人機航拍的方式，采集鄉村住區各種典型下墊面的溫度數據，并嘗試探討在不同工況條件下，不同材質、不同色彩對于下墊面溫度的影響以及作用機制。

1 相關研究

關于室外熱環境的研究成果多集中于城市地區，也較少關注不同材質下墊面的得熱，而對于量大面廣的鄉村住區，相關研究成果較少。究其原因可能有：①鄉村地區人口密度低，涉及面較小；②缺乏有效的下墊面溫度測量技術以及研究方法。在現有的相關研究中，薛俊杰[1]通過對四個徽州古村落夏季室外下墊面主要氣象數據的監測統計，嘗試建立古村落夏季室外熱舒適評價體系，并探索了不同下墊面材質對室外熱環境的影響；燕海南、肖湘東等人的研究[2]則探討了植被、水體等下墊面及建筑等造園要素，對江南園林微氣候以及人體舒適度的改善作用；高波、徐龍等[3]通過測試及軟件模擬的方式，研究分析了影響室外熱環境的景觀因素；席旭輝[4]、劉樂[5]分析研究了城市環境中居住組團內部下墊面材料、形式與室外熱環境的關系，并建立起一套室外熱環境評價體系，針對現有缺陷，提出針對性的改進建議；盛景四、張偉等人的研究[6]探討了綠化及水體等下墊面對城市中文化產業園區室外熱環境的影響及相應的改善策略；蔣志祥[7]通過分析不同下墊面表面溫度大小及變化規律，得到水體、植被對于城市熱濕環境的影響機制；勞釗明、李穎敏[8]等利用ENVI-met 定量分析了陰影及不同材質下墊面對夏季城市中室外熱環境的影響；姜春宏、唐薇[9]等通過對冬季校園4 種不同下墊面平均輻射溫度、標準有效溫度的監測記錄，探討了不同下墊面對室外熱環境的不同影響。杜京通過研究[10]重慶某既有住區下墊面周圍溫濕度狀況，得到溫度及濕度的分布規律，利用ENVImet 分析表明，通過種植綠化、提高下墊面反射率和發射率的方式，可有效改善該住區室外氣溫。以上研究均只測量不同下墊面上方空氣的溫濕度表現，并沒有直接實測下墊面的表面溫度，無法直觀體現不同下墊面的得熱情況。

事實上，鄉村住區組團與城市住區組團有較大的差異：①鄉村住區組團規模普遍較小，建筑密度較低；②建筑高度以2～3 層為主；③間雜分布在生產、生態用地之間，熱島效應不明顯。因此，鄉村住區具有區別于城市住區的獨特室外熱環境特征，而下墊面溫度對于室外熱環境有較為顯著的影響，是構成鄉村人居環境的客觀要素。

2 研究對象與方法

2.1 實驗場地

研究對象位于上海市閔行區浦江鎮豐收村，地處浦江郊野公園范圍內，周圍水網密集，具有江南水鄉的典型特征。在鄉村振興的大背景下，豐收村部分宅基地以原有容積率、限高10 m 為限制條件，經過現代化的建造方式改建、重建后形成魅客小鎮濱江社區住宅組團，具有豐富的室內外空間關系，對于江南地區鄉村民居的建設具有借鑒意義（圖1、2）。

圖1 實驗組團鳥瞰

圖2 組團中心庭院

魅客小鎮濱江社區共有三個組團，本次實驗選擇位于河南岸的較大組團作為實測場地。該組團共有11 棟住宅，1～3 層，容積率為0.46，建筑密度為21%，建筑限高10 m。組團下墊面類型豐富，位置關系也較為多樣，可提供較多研究維度。

2.2 實驗方案

為有效觀測鄉村住區下墊面溫度變化狀況,本次冬季實驗選擇在2021年2 月4 日開展，在場地內部選取13 個測點（圖3），采用熱成像無人機作為下墊面溫度觀測工具。

圖3 測點分布圖

實測時間集中于白天時段，分別為11:00、12:30、13:00、14:00、15:00、15:50、16:30 等7 個 時 間點。熱成像無人機在上述時間點前后起飛拍攝，單次滯空實測時間控制在5 min 以內，使各測點溫度數據接近同步（圖4）。

圖4 水泥地面測點熱成像航拍實測舉例

2.3 數據處理

通過熱成像航拍，獲得13 個室外下墊面測點在7 個時間點的熱成像圖像和溫度數據。在每個無人機滯空懸停時段內，同一個測點至少分別讀取2～3 次數據并求得平均值，作為該測點在該時刻的溫度，以減少偶然誤差。通過箱型圖分析，數據中異常點極少（圖5）。

圖5 各測點溫度數值箱型圖

3 結果與分析

本次實驗選取的13 個測點包含了水泥地面、彩色石子、廣場磚、淺色石板4 種硬質下墊面以及水體、草地、灌木叢、泥地4 種自然下墊面（表1）。

表1 不同類型下墊面的溫度統計表

3.1 水體表面溫度

場地周圍水體位于實測組團北側，測點01 所處的西北側水面較為開闊，面積較大。

從溫度數據統計來看，水面溫度在測試時間段內的最高溫度為11.0℃，出現在中午12:30 前后；最低溫度為6.5℃，出現在16:30 前后；測試期間波幅較小，為4.5℃，體現出水體較好的熱穩定性（圖6）。

圖6 水體測點溫度

3.2 泥地表面溫度

測點02、03 位于新建住宅組團的西側泥地。從溫度數據統計來看，測點02 的溫度最高值為12.8℃，出現在12:30 前后；最低值為5.1℃，出現在16:30 前后；測試期間波幅為7.7℃。測點03的溫度最高值為7.4℃，出現在14:00 前后；溫度最低值為5.6℃，出現在16:30 前后；測試期間波幅為1.9℃。

與測點03 相比，測點02 的最高溫度出現時刻較早；測點02 在13:00之前的溫度值明顯高于同時刻測點03 的溫度值，12:30～13:00 之間溫度值迅速下降，在13:00 之后與測點03 的溫度值相接近（圖7）。

圖7 泥地各測點溫度

兩處泥地測點的溫度表現出較大的差異，主要原因是測點03 一直受到周圍建筑物和樹木的遮擋，不受太陽輻射的影響，而測點02 在正午之前受太陽輻射的影響較大，并且與西側住宅淺色墻面距離較近，同時接受淺色墻面太陽輻射的反射，因此，其溫度值明顯高于測點03，溫度最高值早至。而午后由于太陽方位角的變化，溫度值迅速下降并逐漸與測點03 相接近。

3.3 草地表面溫度

草地測點共有三處，測點04 位于新建住宅組團西側的草地上，周圍較為空曠，無遮擋物的影響；測點05、06 位于新建住宅組團內部的建筑物之間，距離建筑物較近，因此，容易受到南側建筑物的遮擋。

從溫度統計數據來看，三處測點的溫度最高值均出現在中午12:30前后；測點04 的溫度最高值、溫度平均值均明顯高于測點05 和06，分別達到19.2℃、13.5℃，波幅達到11.9℃，也明顯高于測點05 和06。測點05、06 的距離較近，周圍環境狀況也比較相似，測點05、06 在各個時刻的溫度高低值、平均值均較為接近。兩處測點均在正午12:30 前后出現溫度最高值，分別為10.3℃、10.7℃；之后測點05、06 的溫度值均開始緩慢下降，兩測點溫度波幅都較小，分別為4.5℃和5.4℃（圖8）。

圖8 草地各測點溫度

測點04 與測點05、06 溫度差異較大的主要原因是，測點04 所處位置較為空曠，周圍無遮擋，受到太陽輻射的影響明顯，吸熱及散熱過程均較快，導致溫度波動明顯，波幅較大；測點05、06 長時間處于建筑的陰影中，較少受到太陽輻射的影響，因此，周圍熱環境相對穩定，溫度最高值、平均值及溫度波幅分別為10.3 ℃～10.7 ℃、7.7 ℃～7.8 ℃、4.5℃～5.4℃，均明顯低于測點04，具有較好的溫度穩定性。以上反映出不同遮擋狀況對于下墊面溫度表現的影響。

測點05 在13:00～15:50 之 間的溫度值均略低于同時刻測點06,主要原因是，隨著太陽方位角的變化，測點05 西側的高大喬木樹冠在午后開始對太陽輻射形成遮擋，減少了測點05 的得熱，因而導致測點05 在午后的溫度低于測點06。

3.4 灌木叢溫度

在景觀設計中，灌木叢與草地具有較大的差異性，實驗組團內部及周邊的灌木叢高度在0.5 m～1.0 m 之間，灌木叢測點07 位于新建住宅組團的北側且距離建筑較近，受到建筑物陰影的遮擋。

測點07 的溫度最高值出現在12:30 前后，之后溫度開始緩慢下降。原因是，該測點在12:30 前后受到太陽輻射的影響導致溫度升高，之后受到建筑物的遮擋導致溫度下降。測點07 的溫度最高值為10.8℃，溫度平均值為7.3℃，溫度波幅為5.2℃（圖9）。

圖9 灌木叢測點溫度

3.5 硬質鋪裝表面溫度

住宅組團內部的硬質鋪裝測點共有6 處。測點08 為水泥地面，周圍開闊不受遮擋物的影響；測點09 的材質為彩色石子，位于住區組團中部較為開闊的共享庭院空間內，不易受遮擋的影響；測點10、11-1、11-2的材質相同，均為廣場磚鋪地；測點11-1、11-2 位于新建住宅組團北側的沿河步道上，距離建筑物較近，容易受到南側建筑物的遮擋；測點10位于新建住宅組團西側的沿河步道上，距離住宅組團較遠且周圍空曠無遮擋；測點12 材質為淺色石板，位于新建住宅組團北側的單棟建筑入口處，極易受到建筑物的遮擋。

在6 個測點中，測點09 的最高溫度值、平均溫度值最高，分別為24.8℃、17.9℃，溫度波幅也最大，為14.8℃；測點08、10 次之，其最高溫度值分別達到19.8℃、18.6℃，波幅分別為10.1℃、7.8℃；相較于測點10，測點11-1 的最高溫度值、平均溫度值均較低，分別為12.7℃、8.4℃；在受遮擋狀況下，測點11-2的最高溫度值、平均溫度值最低，僅為8.5℃、6.0℃。測點12 的周圍環境與測點11較為類似，其最高溫度值、平均溫度值均較低，分別為10.0℃、7.3℃，波幅為4.2℃，明顯低于測點10，溫度值較為穩定（圖10）。

圖10 硬質鋪地各測點溫度

測點08、09、10 的周圍環境相似，均易受到太陽輻射影響；其中，測點08、10 溫度表現相似，表明水泥地面與廣場磚地面具有相似的吸熱性質；而測點09 的最高溫度值、溫度波幅均高于測點08、10，差值分別為5.0℃～6.2℃、4.7℃～7.0℃，反映出彩色石子具有較強的吸熱性。

測點10、11-1、11-2 材質相同，但3 處測點的溫度差異較大：測點10、11-1 溫度最高值差值達到5.9℃，原因是測點10 周圍較為空曠，受到太陽輻射的影響較大，因此，溫度變化最為劇烈，溫度最高值、波幅均為最大；測點11-2 由于受到周圍環境的遮擋，其最高溫度值、平均溫度值、溫度波幅均明顯小于測點11-1,差值分別為4.2℃、2.4℃、3.1℃。測點12 位于建筑的北側入口處，距離建筑物最近，因此，長時間處于建筑的陰影范圍內，較少受到太陽輻射影響，溫度最高值、溫度波幅均較低。

相比之下，彩色石子吸熱最快，溫度波幅也最大；淺色石板吸熱最慢、波幅最小。反映出不同材質下墊面的不同吸熱性質對下墊面溫度的影響。受到遮擋測點的溫度明顯低于相同材質不受遮擋測點，表明周圍環境對太陽輻射的遮擋對下墊面得熱情況影響顯著。

4 討論與建議

4.1 太陽輻射與下墊面溫度

太陽輻射是住區下墊面最重要的熱量來源，同時，下墊面容易受到周圍建筑物以及高大樹木的遮擋，從而減少太陽輻射。本次實驗數據表明：環境遮擋對下墊面的得熱情況影響顯著。

草地在無遮擋的狀況下（測點04），各時段溫度值均高于有遮擋狀況（測點05、06），最大差值出現在12:30 前后，達到8.5℃～8.9℃；最小差值出現在16:30，為1.5℃～2.0℃；與之類似，廣場磚地面在無遮擋（測點10）狀況下，各時段的溫度值均明顯高于相同材質測點（測點11-2）受遮擋狀況下的溫度值，最大差值出現在11:00，達到13.7℃；最小差值出現在15:50，為5.4℃。通過對同一材質不同遮擋狀況下溫度數據的對比分析，結果表明，受遮擋狀況的下墊面得熱量遠小于不受遮擋狀況。

為提高室外熱環境的舒適程度，應積極利用周圍環境因素進行被動式設計，有選擇地避免或利用太陽輻射的影響，為營造綠色舒適的鄉村室外熱環境發揮積極作用。

4.2 地面材質及色彩與下墊面溫度

本次實驗共測試了水體、泥土、草地、灌木叢等4 種自然下墊面以及水泥、彩色石子、石板、廣場磚等4種硬質下墊面。在4 種自然下墊面中，草地表面的溫度變化最為劇烈，泥地表面的溫度波幅僅次于草地，水體和灌木叢兩種自然下墊面溫度及其變化均較低，具有較好的溫度穩定性。可見，4 種自然鋪地中，草地的吸熱散熱均較快，比熱容最小；泥土的吸熱性能也較高，升溫較快；水體和灌木叢的溫度波幅較小，升溫降溫均較慢，具有較好的溫度穩定性。

在4 種硬質鋪地中，彩色石子地面吸熱性最強，溫度變化最為劇烈；水泥地面次之，也有較強的吸熱性；廣場磚地面溫度略低于水泥地面。反映出不同材質，不同顏色對于下墊面溫度的影響。

不同吸熱性質的下墊面材質會對人體進行不同程度的冷熱輻射，從而對人體的熱舒適產生影響。根據實測數據來看，硬質下墊面溫度最高值及溫度波幅普遍高于自然下墊面，因此，深色表面及硬質下墊面材質會向人體輻射大量的熱量。在夏熱冬冷地區，冬季室外濕冷環境對人體熱舒適的負面影響較為嚴重，硬質下墊面會輻射較多的熱量，在一定程度上有助于提高室外溫度，緩解室外濕冷狀況；但在夏季，過多的硬質下墊面則會加劇室外環境的炎熱狀況，降低人體的熱舒適感覺。

4.3 環境遮擋與下墊面溫度

下墊面一直處于受遮擋狀況時，影響其表面溫度的因素為空氣溫度、周圍環境熱輻射，不同材質下墊面表面的溫度較接近。

溫度統計數據表明：長時間處于陰影范圍內的不同材質各測點（測點03、05、07、08、10）具有較好的溫度穩定性，溫度波幅均較小；不同材質各測點的溫度值相差并不明顯。由此可見，周圍環境對太陽輻射的遮擋，對于維持小范圍內住區組團微氣候穩定性具有顯著正向作用。

在鄉村住區設計中，應根據室外場地對熱環境的不同需求，將被動式手法應用于室外環境設計，為改善室外熱環境創造條件，積極利用周圍的自然條件以及現有的建筑物，對下墊面進行有選擇的遮擋，如，在住宅南側選用落葉樹種，冬季落葉時可以減少對太陽輻射的遮擋，還能在夏季對太陽輻射起到遮擋作用。

5 結語

江南水鄉地處我國夏熱冬冷地區，鄉村住區下墊面得熱狀況對于室外熱環境具有較強的影響，進而影響人體的熱舒適感覺。研究不同下墊面具體溫度表現可以輔助下墊面的設計，有助于改善室外熱環境。

本次冬季實驗應用了無人機紅外熱成像技術，對上海市閔行區一處典型鄉村住區下墊面溫度進行了詳細探查，通過溫度數據統計分析，初步明確了不同材質、不同色彩、不同遮擋狀況的室外下墊面在冬季白天時段的得熱情況，并得出以下結論：①太陽輻射對鄉村下墊面得熱影響顯著，建筑物或高大樹木對于太陽輻射的遮擋可以明顯減少下墊面的得熱。② 自然材質下墊面溫度明顯低于硬質下墊面，且自然材質下墊面具有較好的溫度穩定性，溫度波幅較小。③長時間處于陰影環境中的不同材質下墊面的溫度表現相似，且溫度波幅較小。在夏熱冬冷地區的鄉村室外空間設計中，應該有意識地利用陰影達到改善室外熱環境的目的。