吳志豐,王業(yè)寧,孔繁花,孫然好,陳利頂,*,占文鳳

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023

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基于熱紅外影像數(shù)據(jù)的典型居住區(qū)常見(jiàn)地表類型熱特征分析

吳志豐1,2,王業(yè)寧1,2,孔繁花3,孫然好1,陳利頂1,*,占文鳳3

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023

城市熱島伴隨城市建設(shè)產(chǎn)生，并隨城市擴(kuò)展而增強(qiáng)，已成為影響城市居民生活質(zhì)量的重要因素。估算城市表面顯熱釋放量對(duì)城市熱環(huán)境研究具有現(xiàn)實(shí)意義。選取北京市典型居住小區(qū)，通過(guò)熱紅外成像儀記錄了6種常見(jiàn)下墊面夏季一天中溫度變化情況，并反演其顯熱釋放量。結(jié)果顯示白天人工地表表面溫度顯著高于氣溫，人造草坪、瀝青和混凝土路面與氣溫最大溫差分別為18、15、11℃。自然地表由于蒸散發(fā)作用，其表面溫度與氣溫接近，僅草地與氣溫溫差稍大，最大溫差為4℃。不同地表類型表面溫度在夜間均低于氣溫，只有瀝青路面全天高于氣溫。高表面溫度形成強(qiáng)烈的顯熱釋放，人造草坪和瀝青路面一天內(nèi)顯熱釋放量最高，達(dá)2256 W/m2和1913 W/m2。太陽(yáng)輻射是人工地表迅速升溫的主要原因，限制人工地表受太陽(yáng)直射時(shí)間將對(duì)于降低顯熱排放及提高熱舒適程度將具有顯著效果。喬木和水體顯熱通量最低，只有16 W/m2和7 W/m2，增加喬木和水體面積對(duì)于緩解熱島強(qiáng)度具有很大優(yōu)勢(shì)。

城市熱島；熱紅外影像；居住區(qū)；城市表面；熱特征

“城市熱島”是城市市區(qū)氣溫高于周邊未建成區(qū)的現(xiàn)象[1]。自1818年Luke Howard在倫敦發(fā)現(xiàn)城市熱島現(xiàn)象以來(lái)[1-3]，城市熱島研究一直延續(xù)到現(xiàn)在。多年的研究和探索，讓學(xué)者對(duì)降低熱島強(qiáng)度、改善城市熱環(huán)境有了統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[4-9]，其基礎(chǔ)思想是減少顯熱釋放量，即減弱對(duì)城市大氣的加溫進(jìn)程。因此估算城市空間不同表面顯熱釋放量在城市熱島研究中具有較為重要且現(xiàn)實(shí)的意義。

城市熱島研究涉及多個(gè)學(xué)科，不同學(xué)科依據(jù)其學(xué)科特點(diǎn)對(duì)熱環(huán)境研究手段有很大差別。氣象因子的精確監(jiān)測(cè)及不同尺度氣象模型模擬是大氣科學(xué)研究熱島現(xiàn)象的主要手段。如苗世光[10-11]利用渦度相關(guān)數(shù)據(jù)及中尺度氣象模型WRF和城市冠層模型的耦合對(duì)北京市熱平衡情況進(jìn)行了分析。渦度相關(guān)方法記錄不同方向長(zhǎng)短波輻射，可以較精確地計(jì)算熱平衡各分量值，為中尺度氣象模型運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但城市地表類型復(fù)雜，混合地表類型上的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)不能反映單一地表的熱輻射特性，在區(qū)分不同地表熱輻射通量方面存在困難。

在地學(xué)領(lǐng)域，早期的城市熱島研究和大氣科學(xué)相關(guān)研究相似，通過(guò)城市市區(qū)和郊區(qū)的溫濕度及相關(guān)氣象因子對(duì)比得到市區(qū)的熱島強(qiáng)度。然而氣象監(jiān)測(cè)很難實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，也不易對(duì)城市熱島產(chǎn)生機(jī)理和能量變化進(jìn)行深入分析[12]。遙感技術(shù)的應(yīng)用使得大范圍同一時(shí)刻地表溫度的獲取成為可能，地表熱島也成為城市熱島研究的新方向。在從紅外波段反演得到的地表溫度基礎(chǔ)上，研究人員開(kāi)發(fā)了不同的模型(如LUMPS，ARM等)[13]來(lái)計(jì)算地表顯熱釋放量，并得到較高的精度。但由于遙感數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率較低，無(wú)法描述連續(xù)時(shí)間內(nèi)地表溫度和顯熱的變化特征。紅外波段數(shù)據(jù)空間分辨率相對(duì)較低，混合像元的產(chǎn)生也對(duì)具體地表類型的能量反演造成很大困難。另外，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)無(wú)法表現(xiàn)城市復(fù)雜的三維空間，往往將其幾何特征概化為由屋頂、樹(shù)冠表面和其他地被物等構(gòu)成的二維表面，對(duì)城市居民熱環(huán)境影響最為顯著的城市冠層刻畫(huà)不夠[14]。

城市人口擴(kuò)張導(dǎo)致居住區(qū)面積快速增加，高層住宅也逐漸成為緩解用地緊張的手段之一。居住區(qū)作為城市居民生活起居主要場(chǎng)所，其熱環(huán)境已成為城市熱環(huán)境研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。鑒于上述計(jì)算城市地表熱通量，尤其是顯熱通量的方法存在的問(wèn)題，本研究尋求可以對(duì)不同地表類型精確區(qū)分、可同時(shí)記錄城市三維空間不同朝向表面熱特征并可較好估算顯熱通量的方法，以期為小尺度城市熱環(huán)境研究提供一種新的思路。

熱紅外熱像儀是可以對(duì)地表進(jìn)行近距離觀測(cè)的熱紅外傳感器，其優(yōu)勢(shì)在于便于攜帶、操作方便，可獲取高時(shí)空分辨率熱紅外影像，對(duì)小尺度地物熱行為分析過(guò)程中具有很好的應(yīng)用前景。Chudnovsky[15]利用熱像儀對(duì)特拉維夫城市中不同地物的表面溫度變化進(jìn)行了分析，Hoyano[16]基于時(shí)間序列熱像儀對(duì)大阪兩棟建筑不同建筑材料的表面溫度在一天中的變化情況進(jìn)行了細(xì)致探討。本研究聯(lián)合使用熱紅外熱像儀和便攜式氣象站，采用顯熱計(jì)算方法，對(duì)北京市典型居住區(qū)內(nèi)6種典型地表進(jìn)行了24h連續(xù)觀測(cè)，得到一天中不同地表溫度的變化特征，并計(jì)算了相應(yīng)地表的顯熱釋放量。揭示了城市建設(shè)過(guò)程中人為地表對(duì)城市熱島產(chǎn)生的貢獻(xiàn)程度，并依據(jù)研究結(jié)果給出了城市建設(shè)時(shí)可用于減少顯熱釋放的建議，希望可以對(duì)降低城市熱島強(qiáng)度及改善城市熱環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)[15, 17]。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)選取

圖1 望春園小區(qū)遙感影像及平面圖Fig.1 Baidu image of Wangchunyuan residential quarter(WCY)

圖2 望春園平面圖及熱紅外熱像儀監(jiān)測(cè)位置Fig.2 Map of WCY with location of Thermal Imaging Camera

本研究選取位于北京市東北五環(huán)附近的居住小區(qū)望春園作為研究區(qū)(圖1,圖2)。望春園有13棟中高層居民樓，5棟為14層，8棟為26層，另外有售樓處、商鋪和幼兒園等3棟低層建筑。小區(qū)綠化較好，中央位置有一小型人工湖泊。小區(qū)道路主要由瀝青和砂石混凝土構(gòu)成，部分人行道鋪設(shè)透水磚。幼兒園操場(chǎng)鋪設(shè)人造草坪(Artificial turf)，由仿草葉狀合成纖維構(gòu)成。

1.2 地表類型分類

為了比較不同類型地表的溫度差異及顯熱通量，將研究區(qū)內(nèi)地表分為2大類，即人工地表和自然地表。小區(qū)供機(jī)動(dòng)車行駛道路由瀝青鋪就；步行道和圓形廣場(chǎng)主要由混凝土構(gòu)成，建筑墻面材料也是混凝土。墻面垂直地表，其與太陽(yáng)輻射夾角較小，為了分析太陽(yáng)輻射角度的影響，將墻面單獨(dú)作為一類地表進(jìn)行分析；人造草坪在研究區(qū)內(nèi)分布較少，是小區(qū)幼兒園操場(chǎng)地表鋪裝材料；自然地表主要有草地、喬木和水面，其中喬木為其冠層上表面溫度。城市內(nèi)大部分喬灌草及水體等均由人工種植和建造形成，不同于原有生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的自然地表，但不管是否為人工構(gòu)建，它們?cè)诔鞘兄袚?dān)當(dāng)著與原有自然地表類似的作用，故仍將這三類地表作為自然地表(表1)。

1.3 地表溫度及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)獲取

紅外數(shù)據(jù)獲取使用Testo 890熱紅外熱像儀。Testo890熱紅外攝影儀瞬時(shí)視場(chǎng)角為1.13mrad，測(cè)量范圍為-20℃-+100℃，測(cè)量精度為±2℃。為了對(duì)6種典型地表進(jìn)行同期觀測(cè)，選擇16號(hào)樓頂(圖2紅色五角星處)作為觀測(cè)點(diǎn)位。觀測(cè)期內(nèi)，實(shí)驗(yàn)人員手持紅外熱成像儀對(duì)地表固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)每隔30 min拍攝1次，拍攝周期為24h。拍攝時(shí)盡量保持鏡頭對(duì)地面俯角一致，以減小由于拍攝角度不同導(dǎo)致大氣路徑變化形成的誤差。本次拍攝共獲取紅外影像1600余幅。應(yīng)用IRSoft軟件對(duì)表1中各類型地表對(duì)應(yīng)像元取樣得到地表溫度。取樣盡量選取純像元，避免混合像元造成的誤差。需要指明的是，熱紅外熱像儀獲取的是地表亮溫，而非實(shí)際地表溫度。不同地物比輻射率不同，亮溫和實(shí)際溫度之間可能存在一定差距。由于比輻射率受多方面因素影響，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量較為困難，另外，經(jīng)查相關(guān)技術(shù)資料，本研究涉及地物比輻射率都較高，故將亮溫作為實(shí)際溫度使用，不做校正。

紅外影像獲取同時(shí)，還對(duì)空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)直射輻射等地表氣象參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。氣象觀測(cè)選用美國(guó)產(chǎn)HOBO U30型自動(dòng)氣象站，包括總輻射傳感器(測(cè)量范圍為0—1280W/m2，精度±10W/m2)、空氣溫濕度傳感器(測(cè)量范圍：溫度-40—+75℃，精度±0.21℃；濕度0—100%，精度±2.5%)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(風(fēng)速測(cè)量范圍0—45m/s，精度±1.1m/s，風(fēng)向測(cè)量范圍0—355°，精度5°)。其中氣溫、相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)高度為1.5m，為成年人胸部平均高度，風(fēng)速風(fēng)向及太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)高度為2m。氣象數(shù)據(jù)采集頻率為1min。

表1 城市表面類型分類

夏季太陽(yáng)高度角大，地表溫度高，大氣垂直對(duì)流強(qiáng)烈，云量多。云層對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋使到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射量降低。本研究旨在分析晴朗天氣條件下不同類型地表的溫度和顯熱放熱量，需要選擇云量及其他大氣顆粒物較少的日期開(kāi)展監(jiān)測(cè)。根據(jù)氣象站對(duì)太陽(yáng)短波輻射量的記錄，2014年8月8日—8月12日5d內(nèi)太陽(yáng)短波輻射量占最大太陽(yáng)輻射量比例分別為39.86%，43.02%，65.29%，52.66%和39.53%。不同日期太陽(yáng)短波直射輻射量差別較大，其中8月10日和8月11日到達(dá)地表太陽(yáng)短波輻射量最高，其余日期均在50%以下。達(dá)到地表太陽(yáng)短波輻射量可以反映天氣晴朗狀況及空氣清潔程度，本研究選擇8月10日—8月11日拍攝的紅外影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)分析不同類型地表溫度并進(jìn)行顯熱熱量反演(圖3)。

圖3 2014年8月8日—8月12日達(dá)到地表太陽(yáng)短波直射輻射量與最大太陽(yáng)短波輻射量比較Fig.3 Difference between the amounts of solar insolation reached land surfaces during August 8—12, 2014 with maximum amount of solar insolation

1.4 顯熱釋放量計(jì)算

顯熱釋放量與地表溫度和空氣溫度之間差異有關(guān)，溫差越大，向大氣中輸送顯熱的潛力越大。顯熱是以對(duì)流方式向大氣中釋放，空氣的流動(dòng)速度對(duì)其也具有很大影響，風(fēng)速越高，表層空氣湍流越強(qiáng)，顯熱傳輸量則越高。本研究應(yīng)用公式(1)計(jì)算顯熱釋放量[16, 18]，式中Ts為地表溫度，Ta為空氣溫度，hc為空氣湍流系數(shù)，其計(jì)算公式見(jiàn)(2):

H=hc(Ts-Ta)

(1)

(2)

公式(2)中風(fēng)速為地表以上9m處風(fēng)速，本研究風(fēng)速觀測(cè)高度為2m，為了得到要求高度處風(fēng)速，利用風(fēng)廓線指數(shù)率進(jìn)行風(fēng)速轉(zhuǎn)換[3]。

(3)

式中,uz為高度z處風(fēng)速，u1為已知高度處風(fēng)速，z和z1分別為二者對(duì)應(yīng)高度。系數(shù)α與地表粗糙度z0相關(guān)，兩者關(guān)系可表示為α=0.12z0+0.18。城市內(nèi)地表2m處地表粗糙度為0.42，因此α=0.23[3]。

2 結(jié)果分析

2.1 觀測(cè)期天氣概況

紅外影像拍攝期間，為了反映一天內(nèi)地表溫度的變化過(guò)程，選擇4:00作為開(kāi)始拍攝時(shí)間，并持續(xù)24h至次日4:00。圖4是紅外影像拍攝期間小區(qū)內(nèi)地面空氣溫度、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速狀況。這期間氣溫最低值為25℃，出現(xiàn)在8月10日6:00，最高值為33.65℃，出現(xiàn)時(shí)間為8月10日13:30。由于8月9日夜間有小雨，8月10日出之前相對(duì)濕度很大，達(dá)到92.05%，日出后隨著氣溫逐漸升高，相對(duì)濕度迅速下降，至14:00降至當(dāng)日最低(40.1%)。日間風(fēng)速相對(duì)較大，并在正午達(dá)到最高值，最大瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)2.0m/s，夜間風(fēng)速較小，大部分時(shí)間都呈現(xiàn)靜風(fēng)狀態(tài)。

圖4 紅外影像獲取期間地面空氣溫度、相對(duì)濕度及風(fēng)速Fig.4 The ambient air temperature, relative humidity and wind velocity during studied day

2.2 觀測(cè)角度對(duì)結(jié)果的影響

圖5 望春園兩棟塔樓14:00熱紅外影像 Fig.5 Thermal image of two tower buildings of WCY at 14:00 of studied day

圖6 墻面A和墻面B不同溫度頻率分布圖 Fig.6 Frequency distribution map of surface temperatures of Wall A and Wall B

為了分析不同拍攝角度和拍攝距離對(duì)紅外影像獲取產(chǎn)生的影響，選取望春園內(nèi)兩棟塔樓南向墻面進(jìn)行表面溫度比較(圖5)。墻面A和墻面B面積、朝向、建筑和涂裝材料相同，理應(yīng)應(yīng)該具有相同的表面溫度分布，但由于熱像儀架設(shè)地點(diǎn)固定，對(duì)不同位置城市表面會(huì)形成拍攝角度和距離的偏差，而這種偏差可能會(huì)增加獲取數(shù)據(jù)的誤差。選取14:00影像，確定墻面A和墻面B的范圍，提取相應(yīng)范圍內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。由于拍攝角度不同，雖然兩個(gè)墻面實(shí)際面積相同，但影像面積卻有很大差距，分別具有48040和135668個(gè)像元。對(duì)這些像元對(duì)應(yīng)溫度數(shù)據(jù)作頻率分布圖，可以看出兩個(gè)墻面的溫度出現(xiàn)頻率具有一定的相似性，都呈偏向高溫一側(cè)的分布，其中墻面A更加明顯。以1℃為間隔，分析兩個(gè)墻面的溫度分布頻率(圖6)，發(fā)現(xiàn)兩者在不同溫度區(qū)間具有較大差異，其中墻面A在34—36℃區(qū)間像元比例更高，而在其他溫度區(qū)間均是墻面B更高，差距明顯。由上可知，拍攝角度會(huì)對(duì)影像結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，這種影響的原因主要在于兩點(diǎn)：(1)地物并非朗伯體，其紅外發(fā)射具有方向性，不同的偏角接收到的紅外發(fā)射量不同，因此反演得到的溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)差距[16]；(2)拍攝距離增加導(dǎo)致紅外穿越大氣的距離增大，被大氣中顆粒，尤其是水汽吸收的概率增大，導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)不同。

圖7 研究區(qū)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可見(jiàn)光和紅外影像 Fig.7 Visible and thermal images of different monitoring sites of WCY

2.3 不同地表類型表面溫度

鑒于以上分析，本研究在對(duì)不同地表溫度進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，選取熱紅外熱像儀所在位置周圍、觀測(cè)角度和距離相似的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，盡量減小觀測(cè)帶來(lái)的誤差。得到拍攝點(diǎn)周圍4個(gè)較為典型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不同時(shí)刻影像。圖7展示了監(jiān)測(cè)期間不同點(diǎn)位的可見(jiàn)光和紅外影像?？梢钥闯霾煌乇眍愋驮诩t外影像中的分異更為明顯。人工表面均呈現(xiàn)出較高溫度，而植被和水體則溫度較低。

圖8和圖9中黑色點(diǎn)線代表不同時(shí)刻地表溫度，紅色點(diǎn)線代表空氣溫度，陰影區(qū)域表示建筑物和喬木等形成陰影對(duì)地表的遮蓋。由圖8可以看出人工地表在太陽(yáng)照射下表面溫度均明顯高于氣溫，其中人造草坪與氣溫的差距最大可達(dá)18℃，其次是瀝青和混凝土。夏季太陽(yáng)高度較大，而垂直地表與太陽(yáng)光線的夾角則較小，這使得墻面雖然也由混凝土構(gòu)成，其表面溫度卻明顯低于其他3種類型表面，與氣溫溫差最高僅為6.4℃。各種地表在太陽(yáng)直射下溫度快速升高，進(jìn)入陰影后降溫也十分明顯，其中人造草坪在17:30進(jìn)入陰影后溫度迅速下降，在半小時(shí)內(nèi)下降至于氣溫相近溫度，說(shuō)明其較強(qiáng)的顯熱釋放能力。瀝青熱容相對(duì)較大，雖然進(jìn)入陰影后溫度也在下降，但一直高于氣溫，表明瀝青表面在一天中都可以向空氣中釋放熱能。

與人工地表相比，自然地表的表面溫度明顯較低(圖9)。水體熱容大，太陽(yáng)輻射不會(huì)造成其溫度的劇烈變化，一天中其表面溫度變化范圍為24—32℃，是溫度變化最小的地表類型。水體表面蒸發(fā)還會(huì)帶走大量熱量，因此大面積的水體對(duì)周圍氣候具有很好的調(diào)節(jié)作用，但在居住區(qū)內(nèi)，水體一般都是人工建設(shè)的小型湖泊，如望春園內(nèi)的水體深度僅為1m左右，這種小面積淺水體則對(duì)氣候調(diào)節(jié)作用不明顯。喬木冠層溫度變化也較為穩(wěn)定，僅次于水體。太陽(yáng)輻射照射到喬木冠層表面，部分被反射進(jìn)入大氣，部分穿透冠層照射到冠層下地表，剩余能量用于光合作用。由于冠層的遮蓋，其下地表可保持相對(duì)低溫狀態(tài)，紅外輻射較低，另外，喬木蒸散發(fā)量大，也在一定程度上保持了較低的表面溫度。草地的表面溫度在太陽(yáng)直射輻射下高于氣溫，在12:00—13:00之間，其表面溫度高于氣溫5℃進(jìn)入陰影后逐漸則低于氣溫。草地溫度較高是因?yàn)槠渲仓贻^矮，不足以對(duì)地表進(jìn)行有效遮蓋。對(duì)望春園草地進(jìn)行觀察，尚可見(jiàn)到部分裸露土壤，這使得草地溫度升高較為快速。

圖8 研究區(qū)內(nèi)人工表面溫度和平均氣溫比較Fig.8 Difference between different artificial surface temperatures and mean ambient air temperature

圖9 研究區(qū)內(nèi)自然地表和平均氣溫比較Fig.9 Difference between different natural surface temperatures and mean ambient air temperature

上面分析看出遮陰對(duì)表面溫度影響較大，沒(méi)有太陽(yáng)輻射的繼續(xù)攝入，高溫地表開(kāi)始迅速釋熱。圖10比較了在太陽(yáng)輻射和遮陰條件下混凝土和草地兩種地表的溫度變化特征。其中混凝土(陰影)和草地(陰影)只在7:00—9:00期間接受短時(shí)間太陽(yáng)輻射，其余時(shí)間均被旁邊建筑陰影遮蓋?？梢钥闯?，與太陽(yáng)輻射條件相比，遮陰條件下，同樣的地表類型最高溫也未超過(guò)30℃，低于氣溫。這種情況下，不會(huì)產(chǎn)生由地表指向空氣的顯熱輸送。

2.4 不同地表類型顯熱釋放量

通過(guò)上述計(jì)算，可得到不同地表類型在一天內(nèi)顯熱釋放量。由圖11可以看出，湍流系數(shù)對(duì)顯熱釋放影響很大，風(fēng)速的變化造成顯熱通量變化曲線形成顯著波動(dòng)。由于人造草坪白天地表溫度最高，其顯熱釋放量在白天大部分時(shí)間也是最高的，瀝青路面和混凝土路面依次降低，但在18:00以后，人造草坪和混凝土路面因?yàn)闇囟认陆递^快，顯熱釋放量均也下降至0左右，即在夜間兩種地表向空氣中釋放熱量很小，而瀝青即使在夜間也在不斷釋放熱量。在人工地表中，混凝土墻面釋放顯熱量最小。

圖10 混凝土路面和草地在太陽(yáng)輻射及遮陰條件下溫度比較 Fig.10 Difference between surface temperatures of concrete road and grass field under full-sun and in shade conditions

圖11 不同類型地表不同時(shí)刻顯熱釋放量 Fig.11 Sensible heat fluxes of different urban surfaces of studied day

圖12 望春園北側(cè)住宅樓8月10日一天中形成陰影分布 Fig.12 Shadow distribution of the residential building at north side of WCY

由于拍攝位置固定，在對(duì)墻面取樣過(guò)程中，只選擇了南向墻面，這必然導(dǎo)致墻面溫度及顯熱釋放量出現(xiàn)偏差。不同朝向墻面接受太陽(yáng)光照射時(shí)間和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)均不相同，東向墻面主要在上午接受太陽(yáng)照射，與之相反，西向墻面主要在下午接受太陽(yáng)照射，由于午后太陽(yáng)高度角較大，西向墻面增溫速度和程度要高于東向墻面，南向墻面在一天持續(xù)接受太陽(yáng)短波照射，其顯熱釋放量相對(duì)其他墻面應(yīng)更高，由于北京位于北回歸線以北，北向墻面受太陽(yáng)直射輻射時(shí)間最短，其增溫過(guò)程主要由于對(duì)太陽(yáng)散射輻射、其他地表長(zhǎng)波輻射的吸收以及室內(nèi)人為熱透過(guò)墻面向外的散發(fā)。雖然研究區(qū)內(nèi)建筑墻面均由混凝土構(gòu)成，但其表面刷涂的不同顏色涂料對(duì)表面溫度的增減過(guò)程也產(chǎn)生了一定影響，淺色涂料對(duì)太陽(yáng)光反射率高，其表面溫度相對(duì)較小，深色涂料可以吸收更多太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致其溫度相對(duì)淺色區(qū)域高出2-3℃。另外，墻面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收及表面溫度增加也具有很大影響。圖12為望春園內(nèi)北側(cè)板塔結(jié)合居民樓，由于不是規(guī)則的長(zhǎng)方體，建筑的凸出部分對(duì)其臨近區(qū)域會(huì)有遮光效果，遮光的持續(xù)時(shí)間與樓面位置及高度相關(guān)，B位置被遮擋時(shí)間最長(zhǎng)，只在正午短暫時(shí)段可以接受太陽(yáng)照射，其余時(shí)間均處于左右兩側(cè)凸出墻體的遮擋之下，A位置雖然距離左側(cè)凸出墻體與B相同，但由于處于較高位置，更多時(shí)間內(nèi)沒(méi)有構(gòu)造物可以對(duì)其產(chǎn)生遮擋，使其吸收太陽(yáng)輻射時(shí)間更長(zhǎng)，C位置只受到左右兩側(cè)凸出墻體有限遮光作用，受太陽(yáng)照射時(shí)間最長(zhǎng)，顯熱釋放也最多。

自然地表中，只有草地有少量顯熱釋放，喬木樹(shù)冠和水體則基本無(wú)釋放量，圖11未顯示后兩種地表的顯熱量。本研究?jī)H依據(jù)紅外影像估算了不同地表的顯熱排放量，沒(méi)有計(jì)算潛熱排放。雖然喬木和水體由于表面溫度較低，顯熱排放較少，但有相當(dāng)部分能量以潛熱的形式向大氣中釋放。對(duì)于任何地表而言，顯熱和潛熱比值越低，則空氣增溫可越緩，這也是增加城市水體和喬木面積以減緩熱島強(qiáng)度的原因所在。

由圖13可以看出，按每平方米計(jì)，人工地表的累計(jì)顯熱釋放量均很可觀，人造草坪和瀝青路面最高，分別達(dá)到2256W/m2和1913W/m2，混凝土路面和墻面相對(duì)較低，各為967W/m2和646W/m2。自然地表中喬木和水體因?yàn)槠浔砻鏈囟纫恢迸c氣溫相近或者低于氣溫，全天內(nèi)向大氣中釋放的顯熱量非常小，僅為16W/m2和7W/m2，而草坪則釋放出多達(dá)496W/m2的顯熱量，與墻面接近。

圖13 不同地表觀測(cè)期間累計(jì)顯熱釋放量Fig.13 Accumulative sensible heat fluxes of different urban surfaces

3 討論與結(jié)論

北京市特定地表類型顯熱通量研究很少，選擇在其他城市進(jìn)行的研究與本研究結(jié)果進(jìn)行比較。王成剛[17]利用渦度相關(guān)方法對(duì)南京市夏季混凝土下墊面熱平衡進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示該地表顯熱通量夏季峰值平均值為110W/m2，與本研究中混凝土路面顯熱釋放峰值相近。Qin[18]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)美國(guó)城市Davis不同反照率的同一不透水面的顯熱釋放進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示顯熱釋放與反照率呈負(fù)相關(guān)，即反照率越高，由于太陽(yáng)輻射吸收量降低，導(dǎo)致顯熱釋放顯著降低。當(dāng)反照率為0.1時(shí)，不透水面顯熱釋放峰值接近300W/m2。本研究中顯熱釋放量最大的是人造草坪，顯熱釋放在12:00達(dá)到峰值(156W/m2)。兩個(gè)研究結(jié)果之間差別較大的主要原因在于風(fēng)速的不同。當(dāng)風(fēng)速在0—5m/s區(qū)間變動(dòng)時(shí)，空氣湍流系數(shù)hc對(duì)應(yīng)值為5.6—25.6，風(fēng)速的增加可以顯著增加顯熱計(jì)算值。本研究中風(fēng)速由放置于望春園小區(qū)的氣象站記錄，受周邊高層建筑和植被影響，監(jiān)測(cè)期間風(fēng)速一直較小，9m高度處風(fēng)速最大值為1.2m/s，僅約為Qin[18]中風(fēng)速的1/2，受低風(fēng)速影響，各種地表類型顯熱釋放量也相對(duì)較小。

地表吸收太陽(yáng)短波輻射后，部分能量以長(zhǎng)波輻射的形式返回大氣中。根據(jù)本研究所得地表溫度，其長(zhǎng)波輻射波長(zhǎng)在9.3—9.8μm，這個(gè)波段位于8—13μm的大氣窗口中[1]，因此對(duì)大氣的加熱并不明顯。但由于城市建筑密度大，地表長(zhǎng)波輻射會(huì)受到建筑立面的阻擋和反射，并引起建筑立面的二次升溫[19]，之后再以顯熱的形式向外釋放，是城市熱島形成的原因之一。根據(jù)地表能量平衡公式，凈輻射能量以儲(chǔ)熱、顯熱和潛熱的形式分配[18,20]，不同地表依據(jù)其熱物理屬性分配比例不同，其中儲(chǔ)熱量較小，而顯熱和潛熱的比例較大[21]。城市建設(shè)過(guò)程中，大量人工地表以混凝土和瀝青構(gòu)成，這類表面顯著特點(diǎn)為水的滲透性差，也稱不透水面。水分降落至地表后不能向下滲透，地表以下水分同樣無(wú)法通過(guò)表面進(jìn)入大氣，導(dǎo)致在熱量分配過(guò)程中，顯熱占據(jù)了絕大部分份額，而潛熱則很小[18]，造成城市空氣溫度升高。

本研究通過(guò)熱紅外熱像儀對(duì)城市中典型地表進(jìn)行24h連續(xù)觀測(cè)，得到不同時(shí)間內(nèi)地表溫度，結(jié)果顯示人工地表溫度遠(yuǎn)高于氣溫(圖8)，導(dǎo)致高強(qiáng)度的顯熱釋放，因此在城市建設(shè)過(guò)程中需要注意這些人工材料的選用和布置。人造草坪由人造高分子化合物織造而成，其特有的熱物理性質(zhì)使其可以快速吸收太陽(yáng)輻射并增溫，正午表面溫度可達(dá)52℃，雖然太陽(yáng)輻射被遮擋后溫度快速下降，但由于吸收了大量太陽(yáng)輻射，使其成為一天中向空氣中釋放顯熱最多的地表類型，達(dá)到2256W/m2。人造草坪用途廣泛，其高表面溫度特征已經(jīng)引起相關(guān)學(xué)者注意。宋丹丹[22]利用ZnO/Fe2O3等對(duì)可見(jiàn)光具有高反射率材料對(duì)常見(jiàn)人造草坪草葉纖維進(jìn)行包裹，制造出具有明顯降低表面溫度的人造草絲，降溫幅度可達(dá)15℃。瀝青和混凝土是城市建設(shè)中最常用的兩種建筑材料，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有新型材料供選用[23-24]，但由于其造價(jià)較高，使用率還很低，可以預(yù)測(cè)在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)城市建設(shè)還是以兩種材料為主。由上面結(jié)果可以看出，在無(wú)太陽(yáng)輻射情況下，這兩類地表的溫度均可保持在30℃左右。如果在路面鋪裝過(guò)程盡量將這種地表置于陰影之下，則可以大大降低其溫度并減少顯熱的釋放量。北京位于北回歸線以北，即使在夏至日，建筑物北側(cè)一定距離內(nèi)仍全天受到建筑物陰影覆蓋，這段距離約為建筑物高度的1/3。在居住區(qū)規(guī)劃過(guò)程中，合理布置建筑，形成對(duì)道路的有效遮陰，可以顯著降低地表熱輻射釋放量，降低空氣溫度并提高熱舒適度。

對(duì)于自然地表，與之前的研究結(jié)果相似，草地雖然具有一定的降溫作用，但效果不明顯[25-26]。本研究顯示，草地向大氣中的顯熱釋放量顯著高于喬木和水面，與墻面接近。這是因?yàn)椴蓊愔参镙^為低矮，無(wú)法對(duì)地面形成有效遮陰，部分地表還可以接受太陽(yáng)直射而升溫，使得草地的表面溫度相對(duì)較高。喬木冠層和水面表面溫度在觀測(cè)期內(nèi)溫度均低于空氣溫度，因此顯熱釋放不明顯，熱量應(yīng)主要以潛熱形式向外釋放[27]，在緩解熱島方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。因此，在利用增加綠地減緩熱島過(guò)程中，應(yīng)在考慮實(shí)際情況下多應(yīng)用喬木和水體。

墻面是本研究中考慮的唯一垂直表面，由于其與太陽(yáng)輻射夾角相對(duì)較小，其表面升溫過(guò)程相對(duì)于其他人工地表更加緩和。在減緩熱島強(qiáng)度的措施中，利用喬木和建筑對(duì)路面等下墊面遮陰可以限制地表對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收，這種措施對(duì)于低層建筑而言仍然有效，但對(duì)于中高層建筑作用則十分有限。這時(shí)可以通過(guò)調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)和朝向，減少太陽(yáng)直射照射面或利用建筑本身形成陰影，降低建筑表面溫度，從而降低顯熱排放量。

本研究不足之處在于只對(duì)北京市夏季晴朗天氣條件下一天內(nèi)不同地表溫度進(jìn)行了觀測(cè)，由于觀測(cè)時(shí)間較短，且熱紅外成像儀觀測(cè)范圍較小，使研究結(jié)果的代表性有限，需要在以后的研究中改進(jìn)。另外，本研究只計(jì)算了顯熱釋放量，對(duì)熱平衡公式中其他分量都沒(méi)有計(jì)算，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度只能通過(guò)與相關(guān)研究結(jié)果對(duì)比得出，無(wú)法分析熱量輸入與輸出是否閉合。熱量輸入和輸出閉合與否關(guān)系到能量平衡各分量結(jié)果準(zhǔn)確性，渦度相關(guān)方法也無(wú)法做到完全閉合，是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。此外，由于風(fēng)環(huán)境對(duì)顯熱釋放影響較大，不同風(fēng)速風(fēng)向條件下計(jì)算得到的同一地表顯熱釋放量會(huì)表現(xiàn)出明顯差異，因此在以后相關(guān)研究中應(yīng)明確近地表處風(fēng)環(huán)境狀況。

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Analysis of the thermal characteristics of selected urban surfaces in a typical residential area based on infrared thermography

WU Zhifeng1,2, WANG Yening1,2, KONG Fanhua3, SUN Ranhao1, CHEN Liding1,*, ZHAN Wenfeng3

1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China 2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3InternationalInstituteforEarthSystemScience(ESSI),NanjingUniversity,Nanjing210023,China

Urban construction usually accompanies with the generation of urban heat island (UHI), which could be further intensified with urban development. The UHI effect is one of the most crucial factors that have negative impacts on the wellbeing of urban dwellers; thus, estimating the sensible heat flux is obviously important for studying the urban thermal environment. In the present study, we utilized thermal imaging camcorder to record the surface temperature of six common urban surfaces in a typical residential quarter during one summer day and estimated the sensible heat released from these surfaces. The results showed that artificial surfaces have significantly higher surface temperature than the ambient air temperature. The maximum temperature differences between three artificial surfaces (artificial turf, asphalt pavement, and concrete pavement) and ambient air temperature reached 18C, 15C, and 11C, respectively. In contrast, natural surfaces showed similar temperature compared with the ambient air due to evaporation and transpiration. Among natural surfaces, grassland had a relatively higher surface temperature, and the maximum temperature difference between grassland and ambient air was 4C. Higher surface temperature resulted in strong release of sensible heat flux. Artificial turf and asphalt pavement released as much as 2256 W/m2and 1913 W/m2into the atmosphere during one day. Solar radiation is the main governing factor of variation of artificial surface temperatures. Relevant measures need to be taken to reduce exposure time to lower sensible heat flux and thus improve outdoor thermal comfort level. Trees and water body released only 16 W/m2and 7 W/m2and thus are beneficial for the mitigation of urban heat island.

urban heat island (UHI); thermal image; residential quarter; urban surface; thermal characteristic

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41230633，41471150)

2015- 07- 12;

2016- 03- 21

10.5846/stxb201507121471

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liding@rcees.ac.cn

吳志豐,王業(yè)寧,孔繁花,孫然好,陳利頂,占文鳳.基于熱紅外影像數(shù)據(jù)的典型居住區(qū)常見(jiàn)地表類型熱特征分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(17):5421- 5431.

Wu Z F, Wang Y N, Kong F H, Sun R H, Chen L D, Zhan W F.Analysis of the thermal characteristics of selected urban surfaces in a typical residential area based on infrared thermography.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5421- 5431.