广州市典型居住区绿化的降温效应研究

聂危萧+李晓晖+梁颢严



摘要:实地调查广州市某个典型居住小区的组团中心绿地的植被分布,采用热红外成像技术获取绿地的表面温度。在分析对比不同绿化类型的降温效果及日变化特征的基础上,对典型时段(12:00-14:00、18:00-20:00)的绿地表面温度进行了剖面分析。结果表明:1)不同植被类型的降温能力不同,乔灌木的总体降温作用强于草本;2)绿地的降温效应随太阳辐射的升降而起伏变化,在正午时段达到峰值;3)不同植被类型在不同时段发挥出的降温能力不同,日间乔灌木的降温效率更强,晚间草、灌木的降温效果更佳;4)建筑遮荫显著改变了绿地的温度场格局,对植被的降温效果影响作用显著。
关键词:热红外成像;微气候;居住区;绿化设计;降温效应
中图分类号:S688
文献标志码:A
文章编号:1671-2641(2016)02-0000-00
Abstract: The field surveys are conducted to investigate the greening situation and uses infrared thermography to measure the surface temperature at a typical residential quarter in Guangzhou. We compare the cooling effects of different greening methods, and carry out a profile analysis of thermal infrared images of typical hours (12:00-14:00, 18:00-20:00). The results show that 1) cooling efficiency of tree and shrub is significantly higher than grass; 2) cooling effect is stronger during the day than at night, and strongest at midday(12:00-14:00); 3)cooling capacities of trees and shrubs are stronger in the daytime, whereas grass is cooler during early evening and night time; 4)shade is found to be a significant factor influencing cooling effects of greenery.
Key words: Infrared thermography; Micro-climate; Residential quarter; Greening design; Cooling effects
城市绿地通过植被遮荫和蒸腾作用调节微气候,是减缓城市热岛效应、改善城市热环境的有效手段。近年来,随着人们对环境可持续发展的关注,在局地范围实施绿化策略已成为提升人居环境的重要途径。城市公共空间一直是城市绿化的主要阵地,但城市公园等公共绿地对于周边建成区气候条件的影响十分有限 [1-2],而居住区绿地作为城市居民使用最多的室外活动空间,能发挥出比公共绿地更为显著直接的生态效益 [3],在我国高密度开发的城市中显得尤为重要。
国内城市绿化与气候调节效应的研究多以大型城市公园为对象 [4-7],但不同尺度的绿化设计与布局原则有所差异,而目前单独针对居住区绿化的研究尚处于摸索阶段。较为典型的有李辉[8]等、李英汉[9-10]等分别对居住区的植物配置结构、绿化三维量、植物冠层格局与降温效应的关系进行的研究。这些研究都采用气象站布点进行观测,虽然能测量整块绿地的气温,但绿化斑块内部气温的差异特征却无法细化表征,观测费时费力、空间分辨率有限,对于小尺度绿化降温效应的研究应用存在局限性。利用遥感的手段进行地表温度的获取,所获得的地表温度具有二维陆面温度分布特征,可以快速同步获取大面积区域地表温度[10],但卫星遥感所获取的红外数据源空间分辨率较低,不能满足微尺度室外热环境研究的需求。热红外成像技术可以快速获取微尺度范围的整体温度场分布,用于测算绿地斑块的表面温度要比直接人工测量气温更加方便快捷,但目前在住区绿化热效应方面的应用相对较少 [12-14]。本文在对广州市某个典型居住小区的中心绿地进行实地调研的基础上,采用热成像仪获取了该绿地冠顶温度分布数据图,尝试运用红外热成像的技术手段研究居住区绿化的降温效应。
1 研究方法
1.1 研究区概况
本文以广州市南沙区某居住小区西部组团的中心绿地为研究对象。研究小区位于南沙区金蕉路与凤凰大道交界处,地处珠江入海口,气候受海洋影响较大。小区内西部组团为28-30层的高层建筑,按照绿色建筑三星标准设计建造。组团四面基本围合,仅东南方向开敞。中心绿地南北长约97 m,东西宽约41 m,面积约3 900 ㎡,除铺装小径外,基本全为绿化覆盖。
1.2 实测方法
在室外利用热红外成像仪(FLIR ThermaCAM T620)进行红外测温时,为减小误差,设置在无雨、无雾,空气湿度近75%的环境条件下进行。本次研究选定2013年9月7-8日进行持续48小时的拍摄,天气条件晴朗微风,风力为2-3级;两日的气温分别在25.6℃~34.7℃、27.1℃~34.9℃之间变化。依据环境气候条件,将红外热像仪的条件参数设定为观测当天的平均大气温度30.2℃、31℃,相对湿度74.7%、76.6%。
红外测温应选择合适的测试角度和位置,一般拍摄角度在45°以内误差较小。为了避免拍摄角度产生的成像误差,把红外测点设于住宅建筑楼顶,从楼顶向下垂直拍摄,并将距离参数设定为80 m。由于热像仪的视场不能覆盖整个研究区域,将红外摄像头固定在恒定的位置,按照图1的拍摄轨迹,转动镜头进行6次拍摄,最大的拍摄角度为30°左右。每间隔2 h获取1次图像,每次都保持相同的拍摄视场,使数据采集的测温区域一致。连续2天的实验时间共得到24组热红外图像,每组6幅图像(图2)。
1.3 样点选取
实地调研表明,研究绿地的植被类型较为丰富,草本以台湾草为主;灌木主要有红檵木、散尾葵、假连翘、金叶榕、红绒球、银边山菅兰、花叶良苇、鹤望兰、日本星花、海南洒金榕、龙船花、马尾铁、毛杜鹃、红叶朱蕉、彩叶草等15种;乔木主要有红花紫荆、香樟、白玉兰、红嘴橡胶榕、芒果、海南椰子、秋枫、黄槿、芒果、凤凰木、黄槐、细叶榕 、人面子、鸡蛋花等14种。种植方式以草坪铺地为主,视觉焦点处增添观赏性的绿化斑块。
结合随机化与差异化原则,研究样点的选取应满足以下条件:1)绿化点的种植结构、植被类型有所差异;2)选择小区配置较多的主要植被类型;3)考虑建筑遮荫,选取不同方位的样点;4)使样点尽量靠近红外测点的垂直方位,并均匀分布。共选取35个绿化点,其中草地样本8个,灌木样本12个,乔木样本15个。从24组热成像图中提取每个样点的表面温度,得到连续2天的表面温度序列。绿化点的下垫面保持基本一致,均是草坪或矮小灌木等地被植物,将辐射率设为0.98。同时,在小区内无绿色植物覆盖的铺装地面上选取一个对照点,铺装点的辐射率调整为0.95。
2 居住区绿地的降温作用分析
2.1不同植被类型的降温效果分析
根据实验数据,将不同植被类型绿化点的平均表面温度与铺装地面参考点进行对比,发现乔灌草3种绿化类型都存在不同程度的降温作用,其中乔木平均降温2.18℃、灌木降温2.53℃,草本1.65℃,乔灌的降温效率强于草本。以往的研究普遍认为乔木的降温作用比灌、草都强,但在本研究中,灌木的平均表温比乔木略低,原因可能是:1)乔木可提供遮荫减少到达地面的太阳辐射,但是红外测量的冠顶表面温度很难衡量这一部分降温效果;2)部分灌木类型的绿化点在某些时段落入乔木的阴影中;3)灌木多以密植的方式分层铺地种植,单位叶面积指数显著增大,而乔木则单株间隔种植,且树龄较小,以小乔木居多。
小区植物的降温能力如表2,其中降温能力最强的为海南洒金榕,平均降温约3.02℃;最弱的为台湾草,平均降温1.1℃。在不考虑乔木遮阳作用的情况下,植物之间的降温能力区别主要体现在蒸腾作用上。1)草本的降温能力与盖度有关,从热像图与实景图的对比明显看出厚草皮普遍比薄草皮温度更低。2)小区的灌木样本多密植铺地,单位面积绿量相差不大,降温效率的高低主要体现在品种的颜色上,如金黄色的洒金榕和黄连翘比红紫色的彩叶草和红叶朱蕉降温作用更强,浅绿的银边山菅兰比深绿色的鹤望兰降温幅度大。3)乔木的降温作用与郁闭度密切相关,郁闭度高的品种降温幅度大,如秋枫、黄槿、凤凰木表面温度最低,而海南椰子、鸡蛋花温度最高。
2.2植被降温效果的日变化分析
从整个绿地与对照点表面温度的日变化曲线(图4)来看,绿地温度随一天中太阳热辐射的升降而起伏变化,但全天都比铺装地面更低。主要呈现以下几个特点:1)白天乔、灌的表面温度比草地更低,晚上则比草地更高;2)草地的温度起伏变化最大,灌木次之,而乔木的温度日较差最小;3)白天不同植被类型的温度差异明显大于晚上,夜晚乔、灌的表面温度差别很小。
分别计算每类绿化点的降温幅度,其日变化情况如图5所示。在连续2天的任何时段内,绿地都存在降温作用,但降温幅度有所不同。白天的降温作用最为显著,夜晚相对减弱,这主要是因为植物在晚上的蒸腾作用不如白天强烈[4];而12:00-14:00左右是绿地冷源效应最为突出的时段,此时太阳辐射最为强烈,绿地的表面温度达到峰值,同时植物的蒸腾作用最强,发挥出最大的降温效果。不同植被类型的降温效应在一天中也存在差异。白天乔、灌的降温幅度明显大于草地,正午乔木的降温效果更突出,而早间和傍晚灌木更强,主要因为乔、灌类型的植物绿量较大,对太阳热辐射的吸收、反射和传导能力最强;但在晚间,太阳辐射量为零,乔木的降温作用最弱,而草地表现出更强的降温效果,一个可能的解释是植物对地面辐射的遮挡作用,乔木在晚间产生的CO2能保留住一些热量,并阻挡了一部分夜间的地面辐射;而草地上方较为开敞,遮挡物较少,地面因长波辐射损失的热量更多,因此在近地面产生更大幅度的夜间降温。
3 典型时段表面温度的剖面分析
选择一小块绿地(垂直视场),针对观测两日正午(12:00-14:00)和傍晚(18:00-20:00)两个典型时段作热场剖面分析(图6-7),其中,正午是一天中气温最高,辐射最强的时段,可最佳反映不同绿化类型的降温能力差别;傍晚是居民活动最多的时间段,可最佳反映不同绿化类型对居民使用舒适度的影响。剖面线主要经过龙船花、秋枫、台湾草、凤凰木等主要植物类型,并且穿过周边建筑形成的阴影区与无阴影区。
正午时段(12:00-14:00)乔、灌、草的降温幅度各达到5.8℃、5.86℃、3.23℃,降温作用显著。剖面上的表面温度在阴影区与无阴影区的交界面上发生突变,将整个温度场分割为一高一低2个温区,同样的植物(龙船花、秋枫)在阴影区与无阴影区的温度差异明显,而9月8日14:00由于云层遮挡,太阳辐射减弱,建筑的遮阳效果不明显,整体温度降低,且起伏变化显著减小。阴影区乔木与灌木的温度差别不大,灌木略低,但无阴影区太阳辐射强烈的情况下,乔木的表面温度明显低于灌木,降温效果更强。
傍晚时段(18:00-20:00)乔、灌、草的降温幅度分别为1.69℃、2.36℃、2.4℃。剖面表面温度变化相比正午更为平缓,18:00时灌木的温度比乔木低,但20:00时太阳辐射为零,灌、乔的温度差别不大。没有建筑阴影的影响,两处秋枫的表面温度基本一致,但两处龙船花的表面温度依然存在较大差异,可能是因为其中一处龙船花的种植面积更大,且没有被乔木遮挡。草地作为居民的主要活动空间,傍晚时段表面温度最低,比乔、灌的降温效果更强。
正午四周建筑的遮荫区与非遮荫区差异最大,而傍晚太阳辐射较弱,建筑与植被的遮阳作用几乎可以忽略。正午的剖线温度存在突变现象,而傍晚剖面上的温度呈现连续变化的趋势,表明遮荫会对绿地温度场进行分割,显著改变绿地的温度场格局。根据实景照片,将研究点的遮荫情况分为无遮荫、建筑遮荫和植被遮荫三类,可以发现温度随遮蔽度的增加呈现明显的递减趋势,遮荫情况对植被表面温度有显著的影响作用。
4 结论与建议
绿化在改善局部的热辐射状况方面的作用明显,当研究人体在树冠下或草坪附近的辐射热舒适时不应忽略植物表面温度的影响[12]。热成像技术通过热成像仪进行拍摄的方法获取绿地表面温度,可以快速定量化绿化斑块的温度分布格局,同步性强、分辨率高,将其应用于微尺度范围的绿化配置热效应研究,具有明显的优势,对于指导居住区室外环境规划设计,改善城市热环境状况具有十分重要的现实意义。
1)乔木、灌木及草本三种植被类型都存在不同程度的降温效应,乔、灌的总体降温作用明显强于草本。乔木与灌木的表面温度差别不大,正午时段乔木温度更低,早间和傍晚灌木更低。
2)绿地的降温幅度存在日变化差异,随太阳辐射的升降而起伏变化,白天比晚上更强,在12:00-14:00正午时段达到峰值。
3)不同的植被类型在不同时段发挥出的降温能力不同,日间乔、灌的降温效率更强,但在晚间,草、灌的降温效果更佳,而乔木的降温作用最弱。
4)建筑遮荫显著改变了绿地的温度场格局,对植被的降温效果影响作用显著。遮荫区灌木降温比乔木更明显,而无遮荫区乔木的降温效果更强。
乔木在日间降温、夜间保温、正午降温效果最佳,是调节小区热环境最有效的植被类型。对小区绿地进行绿化配置时,应主要增加乔木的覆盖,合理优先规划乔木的布局,重点考虑中午温度较高时居民的活动范围。小区绿化中的灌木也有较强的降温能力,可采取密植的方式提高单位叶面积指数,增强降温效果。草地在傍晚的降温效果较好,应结合居民晚间休闲的行为方式,合理创设活动空间。同时,建筑的遮阳作用对降温效果的影响显著,在绿化设计时有必要结合建筑布局及绿地微地形的设计,考虑小区的日照情况。在日照时间长的区域多配置降温能力强的乔木,而鸡蛋花、海南椰子等降温能力弱的植物尽量多配置在太阳辐射弱的区域。
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