孫永康， 劉寒曉， 張 艷， 史常青， 趙廷寧

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院， 北京 100083)

熱效應(yīng)即熱島效應(yīng)，是一種城市內(nèi)部氣溫比周邊郊區(qū)氣溫相對較高的現(xiàn)象。城市熱島效應(yīng)可以導(dǎo)致城區(qū)氣壓較低，出現(xiàn)氣流的輻合，導(dǎo)致污染物滯留，北京等地區(qū)出現(xiàn)的重度PM2.5污染就和城市熱島效應(yīng)有很大的關(guān)系。根據(jù)Bass等[1]研究，熱效應(yīng)的發(fā)生是由于屋頂和人行道這樣的黑暗面吸收了更多的太陽輻射，并以長波或熱的形式輻射出去引起的。城市土地利用或覆蓋類型的變化會改變地表溫度的空間分布[2]。不同的城市下墊面地物類型其地表溫度差異明顯，下墊面性質(zhì)的不同，對熱效應(yīng)有重要的影響[3]。Oke[4]曾通過調(diào)查半徑為2 km的各街道下墊面所占面積的百分比來研究溫哥華城市的顯熱通量，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致熱效應(yīng)的重要因素之一是城區(qū)內(nèi)各種不透水面積所占比例。有學(xué)者利用遙感技術(shù)反演區(qū)域狀況發(fā)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)下墊面不同，熱效應(yīng)程度不同[5-7]。還有學(xué)者利用下墊面溫度的測量結(jié)合氣象因子(氣溫、濕度、反照率)的觀測，發(fā)現(xiàn)了不同下墊面類型對熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)率不同[8-11]。

隨著城鎮(zhèn)化速度加快，城市交通工具數(shù)量迅速增加，與此同時(shí)地面停車場數(shù)量也不斷增加[12]，已經(jīng)成為城市主要下墊面之一。地面停車場作為城市重要的下墊面，其鋪裝材料的不同可能對地表溫度變化、地面輻射產(chǎn)生諸多影響，從而影響環(huán)境變化，所以地面停車場鋪裝材料對熱效應(yīng)的影響不容忽視。目前對地面停車場生態(tài)改善的研究主要集中在綠化模式和布局規(guī)劃方面[13]，對鋪裝材料的研究甚少。地面停車場的鋪裝材料有很多種，大致分為瀝青、透水性瀝青、水泥、花磚、碎石、混凝土、植草格等[14]。各種材料在地面停車場鋪裝上均有使用，但是鋪裝材料對地面停車場的熱效應(yīng)影響程度的大小，哪種材料便于鋪裝且經(jīng)濟(jì)節(jié)約，這些問題都亟待解決。本研究以地面停車場的瀝青、混凝土地磚、水泥、植草格4種鋪裝材料為研究對象，以地表溫度作為衡量鋪裝材料對停車場熱效應(yīng)影響程度的指標(biāo)，根據(jù)連續(xù)觀測12個(gè)月的數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)研究分析了4種鋪裝材料地表溫度的變化特征及其與氣象因子的相關(guān)性，為今后地面停車場鋪裝選材提供了可靠的熱效應(yīng)參考依據(jù)。通過建立多元線性回歸模型，可為氣象服務(wù)提供數(shù)據(jù)理論支持[15]。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地位于北京市清華大學(xué)清華美院地面停車場，地理坐標(biāo)為39°59′54.00″N，116°19′47.73″E，屬溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，盛行西北風(fēng)，夏季高溫多雨，盛行東南風(fēng)。年均氣溫12.5 ℃，1月平均氣溫-4.4 ℃，極端最低氣溫為-21.7 ℃，7月平均氣溫為25.8 ℃，最高氣溫為41.6 ℃，年平均降水量628.9 mm，主要集中在夏季的6—8月，降水量為465.1 mm,占全年降水的70%；冬季的12至翌年2月降水量最少，僅占1%。

遵循距離近、面積大、無遮擋的原則選取了4種不同鋪裝材料(瀝青、混凝土地磚、水泥、植草格)為研究對象，其中瀝青地面采用不透水瀝青；混凝土地磚地面采用灰色不透水混凝土地面磚；水泥地面采用硅酸鹽水泥砂漿；植草格地面所用地磚為灰色不透水混凝土地面磚，其植草面積占總面積的44.2%。

2 研究方法

2.1 觀測方法

實(shí)驗(yàn)觀測時(shí)段為2012年6月至2013年5月，日觀測時(shí)間為07:00—17:00，觀測間隔為30 min。測量要素有地表溫度、反射輻射、散射輻射、直接輻射、氣溫、濕度。具體方法為使用FLIRI 7手持紅外熱像儀對4種鋪裝材料地表進(jìn)行垂直拍照，拍照高度為1 m，獲取拍照面積1 m2內(nèi)鋪裝材料的最高、最低和平均溫度。在監(jiān)測的同時(shí)，使用TBQ-2L輻射表獲取地面反射輻射和散射輻射，使用TBS-2LR型太陽直接輻射表測取太陽直接輻射。使用Vantage Pro 2全自動氣象站(高度1.5 m)測取氣溫和濕度。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，繪制全年月平均和全年日平均溫度變化圖。采用SPSS 17.0，以全年地表溫度和氣象因子數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，運(yùn)用多元線性回歸法，對各鋪裝材料地表溫度及氣溫、太陽直接輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各鋪裝材料地表溫度隨氣象因子變化的多元線性回歸模型。數(shù)據(jù)分析的時(shí)間段劃分為夏半年(5—10月)和冬半年(11月—翌年4月)。

3 結(jié)果與分析

3.1 4種鋪裝材料地表溫度對比分析

對12個(gè)月的地表溫度與氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對全年月平均溫度、全年日平均溫度作對比分析(圖1)。

3.1.1 全年月平均溫度 由圖1a可知，4種鋪裝材料地表溫度年變化特征與氣溫一致，均呈單峰型特征，地表溫度和氣溫的全年最高溫度均出現(xiàn)在6月，最低溫度出現(xiàn)在12月，說明地表溫度和氣溫具有一定的相關(guān)性，二者相互影響。瀝青、混凝土地磚、水泥、植草格4種鋪裝材料地表溫度由高到低的次序?yàn)椋簽r青>混凝土地磚>水泥>植草格，分別比氣溫高9.0，9.6，7.5，6.1 ℃(表1)，說明4種鋪裝材料地表溫度明顯高于氣溫。依據(jù)熱力學(xué)第二定律，具有較高溫度的地表通過熱交換作用會將熱量傳遞給大氣，說明地面對氣溫有加熱作用[8]。

3.1.2 全年日平均溫度 由圖1b可知，4種鋪裝材料地表溫度均呈單峰型變化特征，與氣溫變化趨勢一致。在13:45這一時(shí)間，地表溫度和氣溫到達(dá)最高點(diǎn)。從夏半年(圖1c)來看，4種鋪裝材料地表溫度由高到低的次序?yàn)椋簽r青>混凝土地磚>水泥>植草格，分別比氣溫高13.9，11.7，9.7，6.8 ℃(表1)，說明夏半年地表對氣溫的加熱作用顯著，氣溫受地表溫度的影響較大。從冬半年(圖1d)來看，氣溫基本穩(wěn)定，9:15之后地表溫度逐漸高于氣溫。瀝青、混凝土地磚、水泥、植草格4種鋪裝材料地表溫度與氣溫相比，分別比氣溫高4.1，3.7，5.4，5.5 ℃(表1)，說明冬半年地表對氣溫的加熱作用大大降低，相對于夏半年，地表對氣溫只有微弱的加熱作用，瀝青和混凝土地磚地表溫度甚至低于氣溫。

因此鋪裝材料地表溫度全年或夏半年的比較能較好地反映4種鋪裝材料對停車場熱效應(yīng)貢獻(xiàn)程度的大小，4種鋪裝材料地表溫度由高到低的次序?yàn)闉r青>混凝土地磚>水泥>植草格。

圖1 4種鋪裝材料地表溫度與氣溫全年月平均、全年日平均、夏半年日平均、冬半年日平均溫度變化

表14種鋪裝材料地表溫度和地面停車場的氣溫 ℃

項(xiàng) 目 瀝青混凝土地磚水泥植草格氣溫全年日平均溫度22.821.421.319.913.8夏半年日平均溫度38.836.634.631.724.9冬半年日平均溫度6.76.38.08.12.6全年最高溫度57.956.054.247.140.0夏半年最高溫度57.956.054.247.140.0冬半年最高溫度44.843.240.339.722.0

3.2 4種鋪裝材料地表溫度與氣象因子相關(guān)性分析

對全年各月獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得到冬半年、夏半年、及全年總體不同鋪裝材料地表溫度與各項(xiàng)氣象因子的相關(guān)性結(jié)果如表2所示。

3.2.1 與氣溫的相關(guān)性 由表2可知，從全年水平看，4種鋪裝材料地表溫度與氣溫呈極顯著相關(guān)。各鋪裝材料地表溫度與氣溫的相關(guān)系數(shù)由大到小分別為：水泥0.957>混凝土地磚0.937>植草格0.929>瀝青0.915。各鋪裝材料夏半年與氣溫的相關(guān)性顯著高于冬半年，說明在夏半年能較好地反映4種鋪裝材料地表溫度與氣溫的相關(guān)性，夏半年地表溫度與氣溫的相關(guān)性排序?yàn)椋核?混凝土地磚>植草格>瀝青。

表2 不同鋪裝材料地表溫度與各項(xiàng)氣候指標(biāo)的相關(guān)性分析

3.2.2 與直接輻射的相關(guān)性 由表2可知，從全年水平看，4種鋪裝材料地表溫度與直接輻射的相關(guān)性低于地表溫度與氣溫相關(guān)性的顯著程度，其相關(guān)系數(shù)由大到小分別為：瀝青0.599>植草格0.572 >混凝土地磚0.544>水泥0.490。夏半年的相關(guān)性最高，呈極顯著相關(guān)，全年相關(guān)性次之，呈顯著相關(guān)，冬半年相關(guān)性最弱，說明4種鋪裝材料地表溫度夏半年的數(shù)據(jù)能較好地反映與直接輻射的相關(guān)性，夏半年排序?yàn)闉r青>植草格>混凝土地磚>水泥。

3.3 4種鋪裝材料地表溫度與氣象因子的線性回歸模型

運(yùn)用全年所取得數(shù)據(jù)，對各鋪裝材料地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(表3)，得到各鋪裝材料地表溫度隨氣象因子變化的回歸模型，通過R2和P值可以看出模型中各項(xiàng)數(shù)據(jù)擬合程度較高，所有的方程均通過了置信度為0.99的F檢驗(yàn)。根據(jù)夏半年和冬半年相關(guān)性指數(shù)差異，建立模型時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臍庀笠蜃?，夏半年選擇的相關(guān)因子為氣溫(Ta)和直接輻射(Qr)；冬半年為氣溫；全年為氣溫和直接輻射。

表3 不同鋪裝材料地表溫度變化模型

模型較好地反映了4種鋪裝材料地表溫度與氣象因子相關(guān)性分析中說明的地表溫度與氣溫、直接輻射的關(guān)系。從全年看，水泥地表溫度與氣溫的相關(guān)性最顯著，表明在相同條件下水泥地表溫度隨著氣溫的改變而變化的程度最明顯。從夏半年看，混凝土地磚地表溫度與氣溫相關(guān)性最高，冬半年瀝青地表溫度與氣溫相關(guān)性最高，說明輻射對地表溫度的變化有間接影響。植草格地表溫度與氣溫的相關(guān)性明顯低于其他3種材料，在相同條件下氣溫每升高1 ℃，植草格會比混凝土地磚少升高0.63 ℃，說明植物的水分蒸發(fā)和蒸騰對地表起到一定的降溫作用[16]。

從全年和夏半年看，瀝青地表溫度與太陽直接輻射的相關(guān)性明顯高于其他3種鋪裝材料，所以在強(qiáng)太陽輻射地區(qū)不建議地面停車場使用瀝青材料進(jìn)行鋪裝。冬半年直接輻射和地表溫度相關(guān)性不顯著，所以在低溫條件下氣溫是與地表溫度最具相關(guān)性的因素。

4 討 論

地表與大氣存在熱交換作用，這種熱交換作用分為兩種，一種是潛熱通量，即地表與大氣間水分的熱交換，另一種是顯熱通量，即地表與大氣間通過湍流形式的熱交換，兩種熱交換都受太陽輻射、氣溫、風(fēng)速、濕度等氣象要素的影響[17]。地面停車場下墊面組成復(fù)雜，包括混凝土、瀝青、磚、花崗巖、草坪磚等各種不同的鋪裝材料[18]，各鋪裝材料地表溫度與材料的比熱容有關(guān)，即單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能[19]，相關(guān)系數(shù)反映了各鋪裝材料地表吸熱能力的不同。但各鋪裝材料成分復(fù)雜，屬于混合物，其比熱容已不能準(zhǔn)確算出，各鋪裝材料主要成分的比熱容值的比較已不能代表各鋪裝材料地表溫度的比較，且各鋪裝材料物理性質(zhì)和鋪裝工藝的差異會導(dǎo)致鋪裝材料的比熱變化和其與氣溫、太陽直接輻射等氣象要素的相關(guān)性程度不同，從而影響地表與大氣的熱交換作用，進(jìn)而對地面停車場的熱效應(yīng)產(chǎn)生不同的影響。

地面通過吸收太陽輻射增溫，由于鋪裝材料物理性質(zhì)的影響，每種鋪裝材料地面增溫程度不同；當(dāng)?shù)乇頊囟雀哂跉鉁貢r(shí)，通過熱交換作用，地表的熱量傳遞給大氣，對大氣起到加熱作用，反之起冷卻作用[8]，由于各鋪裝材料增溫程度不同，對大氣的加熱、冷卻作用效果不一。研究發(fā)現(xiàn)4種鋪裝材料地表全年月均溫度和全年日均溫度都高于氣溫，說明地表對氣溫有加熱作用，其中瀝青最強(qiáng)，混凝土地磚、水泥次之，植草格最弱。通過相關(guān)性分析得出，氣溫與直接輻射是影響地表溫度的重要因素，地表溫度與兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系；不同鋪裝材料與兩因素的相關(guān)性系數(shù)大小不同，反應(yīng)了鋪裝材料的物理性質(zhì)差異，正是這種差異導(dǎo)致了不同鋪裝材料對地面停車場熱效應(yīng)貢獻(xiàn)程度的不同。

實(shí)驗(yàn)通過手持紅外熱像儀測定地表溫度，改變了通過地溫表測定地表溫度的傳統(tǒng)測定方式，測定數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，且可以通過紅外照片分析各點(diǎn)溫度及平均溫度，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定有效。

5 結(jié) 論

(1)4種鋪裝材料對地面停車場熱效應(yīng)的影響由大到小為：瀝青>混凝土地磚>水泥>植草格，不透水性鋪裝材料——瀝青、混凝土地磚、水泥的熱效應(yīng)大于透水性鋪裝材料——植草格。因此，在選擇地面停車場鋪裝材料時(shí)，建議首選透水性鋪裝材料，若選擇不透水性材料，宜多使用水泥，減少瀝青使用。

(2)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示，從全年看，氣溫與地表溫度呈極顯著相關(guān)，相關(guān)性程度由高到低為：水泥>混凝土地磚>植草格>瀝青；直接輻射與地溫呈顯著相關(guān)，夏半年直接輻射的相關(guān)度較高，相關(guān)性影響程度由高到低為瀝青>植草格>混凝土地磚>水泥。因此，在氣溫高、輻射強(qiáng)的地區(qū)盡量不要選擇水泥和瀝青。

(3)建立了4種鋪裝材料地表溫度與氣溫、直接輻射的多元線性回歸模型，模型顯示，水泥、混凝土地磚和瀝青隨著氣溫變化的變化程度較高，而植草格由于植物的水分蒸發(fā)和蒸騰作用隨著氣溫的變化程度較低。

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