拉薩地區(qū)夏季喬木形態(tài)指標(biāo)對室外熱環(huán)境影響的實驗研究

孫辰

（西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院，四川成都 610000）

1 研究背景

在城市化進程中產(chǎn)生的熱島效應(yīng)的條件下使得綠化對室外熱環(huán)境的影響研究至關(guān)重要，“城市熱島”最早由Howard[1]在1918年提出。在夏季，熱島效應(yīng)會引起城市中心溫度變高，降低室外舒適度[2]。拉薩地區(qū)有著太陽輻射強烈晝夜溫差大的氣候特點，年日照時數(shù)在3000h以上[3]。冬季寒冷決定了人們對室外熱環(huán)境獨特的客觀需求，基于拉薩處于高海拔地區(qū)獨特的氣候條件背景下，拉薩地區(qū)居民有著獨特的生活習(xí)慣和生活方式，當(dāng)?shù)鼐用裼兄伹f舞的習(xí)俗，白天室外活動量大。最后拉薩地區(qū)存在這喬木種植策略不合理的情況。在拉薩高海拔地區(qū)氣候條件背景下，將其他南方地區(qū)喬木綠化種植策略應(yīng)用于拉薩地區(qū)種植是不可行的，需進一步研究其喬木植物的生物特性。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

樹木實現(xiàn)環(huán)境微氣候的調(diào)節(jié)作用主要為以下3個途徑：①喬木冠層對于太陽輻射的遮擋。②喬木冠層產(chǎn)生的蒸騰作用有著對空氣加濕的作用。③喬木冠層對于空氣流動有著遮擋效果。

林波榮[4]采用數(shù)值模擬和實地測量的方法，研究了不同綠化形式對室外熱環(huán)境的影響。Parker[5]利用實地測量的方法，得出了葉面積指數(shù)與折光率呈線性關(guān)系，強調(diào)了喬木的葉面積指數(shù)在影響建筑室外熱環(huán)境時的關(guān)鍵性作用。Shinzato[6]通過實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樹木最高可降低城市空氣溫度4℃和地表溫度20℃。合理的樹木種植方式可以提升室外活動行人的熱舒適條件。王琪[7]通過對西安地區(qū)常見的喬木進行實測與微氣候分析，提出了適合西安當(dāng)?shù)氐膯棠痉N植策略。通過以往的研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于綠化對室外熱環(huán)境及熱舒適研究的開展，在我國的夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、寒冷地區(qū)等城市已有研究成果和針對特定氣候區(qū)的設(shè)計策略，然而，在寒冷地區(qū)的高海拔城市，此方面的研究較少。對于室外熱環(huán)境舒適度的研究需要針對特定城市和特定氣候展開探討，以此制定的改善措施和設(shè)計指導(dǎo)才更加科學(xué)有效，因此這對于完善特殊氣候區(qū)綠化對室外熱環(huán)境及熱舒適的影響研究成果具有現(xiàn)實意義。

3 研究地點與實驗方法

本文實驗以測試?yán)_地區(qū)常見城市綠化喬木的物理形態(tài)指標(biāo)及其對熱環(huán)境的影響為主，即喬木葉面積指數(shù)、冠幅、樹高對風(fēng)速、溫濕度及太陽輻射量影響的測試。實驗地點選定為為羅布林卡公園的喬木進行測試。通過控制變量法分析不同喬木物理形態(tài)指標(biāo)之間對周圍熱環(huán)境影響差異的大小。

3.1 實驗地點概況

羅布林卡公園位于西藏拉薩西郊，始建于18世紀(jì)40年代，羅布林卡公園遠(yuǎn)離城市中心，受城市熱島效應(yīng)與環(huán)境污染的干擾較小，該公園內(nèi)存在大量拉薩地區(qū)常用綠化喬木樹種，是理想的試驗基地，如圖1所示。

圖1 測試地點羅布林卡

3.2 測試對象選取

根據(jù)實驗要求，被選樹種為拉薩市常見的城市綠化樹種，同時要求每個測試樹種為不同樹形、未被修剪、樹齡較長、冠形完整的成年喬木。為避免與其他喬木在測試中產(chǎn)生交叉影響，選取的測試喬木為在周圍無遮擋情況下的單株喬木。考察拉薩市栽種最為廣泛的綠化喬木，決定選擇左旋柳、垂柳、榆樹這三種喬木作為實驗對象。選取的喬木測量具體喬木形態(tài)指標(biāo)，如表1所示。

表1 喬木形態(tài)指標(biāo)

3.3 測試儀器及測點布置介紹

在羅布林卡附近選定好要測量的喬木，確定位置，做好實驗前的準(zhǔn)備工作。

對選定的喬木進行測點布置，每株喬木布置2個測點。距離地面處水平1.5m布置2個測點，測點1和測點2分別位于樹蔭中心區(qū)域以及樹蔭外。溫濕度自計儀、風(fēng)速儀器、黑球溫度計每15min記錄一次數(shù)據(jù)，地面溫度和喬木形成的陰影面積和形狀每1h記錄一次。選用的儀器為RR002溫濕度自記儀、TSI9545A風(fēng)速儀、TBQ-2太陽輻射儀、手持便攜式溫度槍，以上儀器均15min記錄一次。

4 喬木物理形態(tài)指標(biāo)對比分析

4.1 喬木樹干高度對比影響分析

從理論上講，在無遮擋的條件下，不考慮風(fēng)向變化，近地面高處的風(fēng)速要大于低處，這是由于受到地表摩擦的作用，接近地表的風(fēng)速隨著離地面距離的減小而降低。高桿喬木分枝較高，對風(fēng)速阻礙作用小，低桿喬木分枝較低，對風(fēng)速阻礙較大，一般情況下高桿喬木下的風(fēng)速要大于低桿喬木，將3號喬木垂柳樹高10m與1號喬木左旋柳樹高6.12m風(fēng)速對比分析，可以看出高桿垂柳風(fēng)速在全天候的條件下要大于低稈垂柳風(fēng)速，以測試的風(fēng)速為例，最大風(fēng)速出現(xiàn)在16:00，此時高桿的垂柳風(fēng)速大于低稈的左旋柳風(fēng)速127%，可以看出兩組數(shù)據(jù)中，均是高桿的喬木基本在全天候的微氣候下1.5m高度出風(fēng)速要大于低稈的喬木，由于1.5m高度處正好屬于人體活動范圍的高度，因喬木高度引起的風(fēng)速變化，對人體熱舒適帶來的影響是十分重要的。

4.2 葉面積指數(shù)LAI對比分析

我們知道，近地面的空氣溫度不是完全直接來自太陽輻射，部分是來自地面熱輻射，不同地表對溫度的影響也不同，所以為了控制下墊面的變量，實驗在對比喬木LAI對太陽輻射的影響時兩天選取了相同的下墊面分別是草坪和硬質(zhì)鋪面，所以只需比較實際測量的溫度即可。喬木有良好的遮陽降溫作用，對相同高度、相似冠形的喬木來說，LAI值大的喬木枝葉茂密，對太陽輻射有一定的遮擋，庇蔭效果好，故對其冠層周圍溫度的影響要大于值小的喬木。而無遮擋的空地溫度則相對較高。對比4號榆樹LAI值為2.88和5號LAI值1.76的榆樹，各測點溫、濕度數(shù)據(jù)，從溫度變化中可以看出，一天中溫度最高的時刻出現(xiàn)在15:00，最高空氣溫度因太陽輻射的影響達到了32.31℃，此時LAI值2.88的喬木樹下1.5m處空氣溫度為23.18℃，空氣溫度降幅為27.64%，LAI值為1.76的喬木樹下1.5m處空氣溫度為26.13℃，空氣溫度降幅為19.12%。

從濕度變化可以看出，在空氣溫度最高的15:00時，空氣濕度為34%，此時LAI值2.88的喬木樹下1.5m處空氣濕度為59%，濕度增幅為42%，LAI值2.88的喬木樹下1.5m處空氣濕度為46%，濕度增幅為26%。

從溫濕度的變化中可以看出，在其他條件近似的情況下，LAI值越大，喬木下方透過的太陽輻射越少導(dǎo)致溫度降低越明顯，同時喬木下方的空氣濕度與喬木LAI值的大小有著密切聯(lián)系，LAI值越大，受植物蒸騰作用的影響，喬木空氣濕度增幅越明顯。

4.3 喬木冠幅大小對空氣濕度的影響

在其他喬木樹高、LAI值大小條件近似的情況下，喬木的冠幅越大，表明喬木所生長的葉片越多，受蒸騰作用的影響，喬木下方的濕度增幅應(yīng)該是越大的，此處對比3號喬木垂柳和2號喬木左旋柳，兩者的喬木冠幅分別為10.69m和6.9m，在冠幅大小對空氣濕度影響的比對當(dāng)中，可以看出在空氣濕度的變化中，空氣濕度受冠幅大小的影響較小，空氣濕度主要受葉面積指數(shù)大小的影響，受冠幅大小的影響稍弱，冠幅大小更多影響的是喬木下方形成的溫濕度場的穩(wěn)定性。具體測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同喬木的空氣濕度對比 單位：%

4.4 樹冠形狀對熱環(huán)境的影響

不同冠形的投影面積不同，分析測試對象的樹冠陰影面積隨，比較最大遮陽面積，測量數(shù)據(jù)及利用面積計算公式得到結(jié)果，如表3所示。

表3 不同喬木冠幅大小下陰影面積對比

由于早晨和傍晚太陽高度角較小，樹冠投影長，故陰影面積較大正午的太陽高度角最大，樹冠投影基本趨于正投影，故陰影面積較小。由表3可以看出，被測對象中左旋柳的投影面積較大，其最熱時投影面積為253m2、接下來依次是垂柳，其投影面積峰值為251m2。陰影面積能夠反映某類樹種的遮陽效果，覆蓋面積越大，影響的范圍就越大。對于高桿喬木垂柳和左旋柳來說，其樹冠遮陽面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低桿榆樹，所以高桿喬木對室外熱環(huán)境的累積影響要強于低桿喬木。

5 結(jié)語

本文從實測的角度調(diào)研了拉薩當(dāng)?shù)爻Ｓ镁G化喬木對室外熱環(huán)境的微氣候參數(shù)影響，通過分析實測數(shù)據(jù)得出了以下結(jié)論。

（1）影響室外熱環(huán)境微氣候參數(shù)最大的喬木物理形態(tài)指標(biāo)為葉面積指數(shù)，LAI值越大，在夏季對于拉薩地區(qū)的降溫增濕效果越明顯，結(jié)合拉薩當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件這點是極為重要的考量指標(biāo)。

（2）在拉薩地區(qū)喬木冠幅對與室外熱環(huán)境下空氣溫濕度的影響變化不大，其更為重要的作用是保證喬木下方微氣候參數(shù)的穩(wěn)定性。

（3）喬木的高度對風(fēng)速的影響呈正相關(guān)的趨勢，更高的喬木在夏季可以提升喬木下行人休息時的風(fēng)速情況，從而提升舒適度。

（4）拉薩地區(qū)本土喬木在夏季對熱環(huán)境改善作用的表現(xiàn)要高于普通喬木。

在拉薩地區(qū)的喬木種植當(dāng)中，應(yīng)選取葉面積指數(shù)LAI值較大，同時樹高更高的喬木樹種，同時在條件允許的情況下選取拉薩地區(qū)本土的樹種在夏季更能提升建筑室外熱環(huán)境的微氣候參數(shù)，從而提升舒適度。