不同铺装材质对局部热环境及人体舒适度的影响

陈家硕，荣立苹，高玉福，钱东霞，马艾冰，黄昭翰

(延边大学农学院，吉林 延吉 133002)

地表控制着水和能量的通量分配[1]，地表介质的改变使能量交换的过程发生改变，影响近地微气候[2-4]，进而影响人体舒适度[5-6]。城市绿地对改善城市生态环境及缓解热岛效应有着重要作用[7-9]，城市绿地内的地表铺装是影响绿地生态效益的重要因素之一[10-11]。由于铺装材料特性不同，各铺装材质对局部热环境的影响存在较大差异[12]。现有研究大多集中于不同绿地类型对热环境影响等方面[13-15]，缺乏不同铺装材质对热环境影响的研究。随着城市的快速发展，地表铺装的面积在城市下垫面中所占比例迅速增加，地表铺装已经成为影响城市生态环境及热岛效应的关键因素之一[16]。因此，探寻铺装对局部热环境的影响，揭示其人居环境温湿度的调节作用，对于改善生态环境、提高人体舒适度以及缓解城市热岛效应方面具有重要作用。该研究选取7处不同铺装材质的样地，通过实地监测，获取不同铺装材质样地的热环境数据，定量比较不同铺装材质样地之间的温湿度差异，从而揭示不同铺装材质对于局部热环境的影响，以便进一步探索不同铺装材质与人体舒适度的关系。

1 研究区域与试验方法

1.1 研究地概况

研究地选择在延边大学校内。延边大学位于吉林省东部的延边朝鲜族自治州延吉市，占地面积约296 hm2，建筑面积约65 hm2。校园内绿地丰富，有较大型人工水体，建筑物密度适中，有大量的硬质铺装场地，铺装材质丰富，包含了常见的各类铺装材质。延吉市位于北纬42°50′～43°23′、东经129°01′～129°48′，属于中温带半湿润气候区。夏季最高温度为37.7 ℃。

1.2 试验地设置

该试验在延边大学校内选取7处样地，每处样地为一种铺装材质，其铺装材质分别为透水砖、花岗岩、塑胶、沥青、混凝土、草地、水面。上述7种铺装材质的基本特征如表1所示。人工水体是城市常见的地表类型，既可以美化环境又有一定的降温增湿效果，该文将水面作为一种铺装材质进行统一的测量比较。选取的样地均为开阔无遮挡场地，面积大于500 m2，在每个样地中央选取80 m2(8 m×10 m)的无遮阴场地5×6布置样点(30个样点)，每2个样点之间相距2 m。

表1 不同样地铺装的基本特征Table 1 Basic characteristics of different pavement

1.3 试验内容与方法

试验时间选择为一年中天气最为炎热的夏季7月下旬至8月上旬，此时人体对温湿度的变化感知最为明显。试验选择晴朗无风的天气(风速<0.4 m/s)进行，每天自8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00开始对各试验地同步测量温湿度数据，每次测量平行进行3次，连续测量7 d。地表温度的测量使用德国德图手持式红外测温仪(Testo830-T1，精度0.1 ℃，量程-30～400 ℃，距离系数10:1)进行；空气温湿度的测量使用德国德图便携式温湿度测量仪(Testo605-H1，温度精度0.1 ℃，量程-20～50 ℃；相对湿度精度0.5%RH，量程5%～95%RH)，在每个样点距离地面1.5 m处(成年人口鼻高度)测量东南西北4个方向的温湿度数据。最终挑选3 d符合试验要求的数据进行分析，所有测量数据保留1位小数[17]。

1.4 人体舒适度评价标准

人体舒适度是从气象角度来评价人在不同条件下的舒适感，根据人体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标[18]。不同的气象条件对于人体的舒适感以及健康有着重要影响[19-20]。国内外学者提出了数十种计算人体舒适度的公式，其中，应用最多的为美国国家气象局用于夏季舒适度预报的温湿指数(Thermal humidity index，简称THI)[21]。温湿指数计算公式为：

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

式中，T为空气温度/℃；RH为相对湿度/%。THI与人体舒适度的划分标准如表2所示[22]。

表2 THI与人体舒适度Table 2 Thermal humidity index and human comfort

2 结果与分析

2.1 地表温度比较

2.1.1 地表温度日间变化分析

以3 d中同一时段的地表温度数据为基础，得到各铺装材质的平均地表温度(图1)。

由图1可知，在所测量的6个时段中，各铺装材质的地表温度均呈现单峰变化趋势，且一天中地表温度的最高值均出现在12:00时。10:00～14:00这3个时间段内平均地表温度为水面<草地<透水砖<花岗岩<塑胶<沥青<混凝土。草地、水面与透水砖的表面温度显著低于其他铺装材质。8:00～12:00这3个时间段内水面与草地的升温幅度小，而其他硬质铺装材质均升温幅度较大。这是由于随着太阳辐射强度的不断升高，混凝土、沥青等硬质铺装会迅速吸收热辐射使表面升温，而草地吸收辐射热量相对较少，水体的比热容较大，致使表面升温缓慢。在8:00～14:00这4个时间段内，除8:00、10:00时花岗岩与透水砖，10:00、12:00时沥青与混凝土外，其余任意铺装材质间的地表温度差异均达到极显著水平(P<0.01)。

2.1.2 地表温度日间均值与日振幅分析

将同一材质不同时段的地表温度加以平均，得到不同铺装材质的日间平均地表温度(图2)。日间平均地表温度为水面(26.4 ℃)<草地(27.9 ℃)<透水砖(37.9 ℃)<花岗岩(39.0 ℃)<塑胶(40.9 ℃)<混凝土(45.5 ℃)<沥青(46.4 ℃)。除沥青与混凝土之间具有显著差异(P<0.05)外，其余任意2种铺装材质之间均达到极显著差异(P<0.01)。可见，草地与水面相对于硬质铺装材质具有显著的降温效果；透水砖的地表温度要显著低于沥青与混凝土等硬质铺装材料。

日振幅为同一铺装材质在测量时间内日间温湿度的最高值与最低值之差，反应各铺装材质日间温湿度的变化幅度与变化范围[23]。地表温度日振幅为水面(8.2 ℃)<草地(12.9 ℃)<透水砖(17.8 ℃)<花岗岩(21.0 ℃)<塑胶(22.3 ℃)<沥青(26.5 ℃)<混凝土(30.3 ℃) (图2)。

日振幅主要受铺装对太阳辐射吸收的快慢情况影响，硬质铺装材质热容量小、吸放热快，且吸收辐射能力强，故导致其日振幅较大，而草地与水面则完全相反。

2.2 空气温度比较

2.2.1 空气温度日间变化分析

空气温度主要受太阳辐射影响，太阳辐射到达地面后，一部分被反射，一部分被地表吸收，地表吸收辐射后增温，地表再通过辐射、传导将热量传递给空气使其升温[24]。

由图3可知，8:00时太阳辐射较弱，因此各铺装材质之间的空气温度差异不显著(P>0.05)。随着太阳辐射增强，各铺装材质间的空气温度差异明显提升。10:00时，沥青与混凝土快速吸收辐射使气温大幅度增加。沥青、混凝土分别与透水砖、塑胶、草地、水面之间的温度存在极显著差异(P<0.01)；沥青、混凝土与花岗岩之间存在显著差异(P<0.05)。12:00时，塑胶、沥青、混凝土达到了日间最高温度。除透水砖与草地、花岗岩与塑胶的温度无显著差异(P>0.05)，沥青与混凝土存在显著差异外(P<0.05)，其余任意2种铺装材质之间均存在极显著差异(P<0.01)。14:00时，透水砖、花岗岩、草地、水面达到了最高温度。16:00至18:00这2个时间段，随着太阳辐射的减弱各铺装材质的温度均有所降低，沥青样地的空气温度明显高于其他硬质铺装材质。

高温会严重影响人类的健康，据研究，当环境温度高于28 ℃时，人体就会感到不适[25]。在大于等于28 ℃的区间内，沥青与混凝土的高温持续时间均为最长。在大于等于32 ℃的区间内，草地、水面与透水砖相比于沥青、混凝土的高温持续时间减少了6 h；相比花岗岩与塑胶减少了4 h。高温持续时间的减少对人体健康与舒适度十分有益。

2.2.2 空气温度日间均值与日振幅分析

日间平均空气温度为水面(28.7 ℃)<草地(28.8 ℃)<透水砖(28.9 ℃)<塑胶(29.3 ℃)<花岗岩(29.7 ℃)<混凝土(30.4 ℃)<沥青(30.7 ℃)(图4)。

沥青分别与透水砖、塑胶、草地、水面，混凝土分别与透水砖、草地、水面之间的温度具有极显著差异(P<0.01)，沥青与花岗岩、透水砖与花岗岩、混凝土与塑胶之间存在显著差异(P<0.05)。透水砖与花岗岩、塑胶、沥青、混凝土相比，日均降温幅度可达0.4～1.8 ℃，可见透水砖相比于其他硬质铺装材质具有显著的降温效果。而水面与草地的空气温度显著低于其他5种硬质铺装材质。

空气温度日振幅为水面(4.7 ℃)<塑胶(6.8 ℃)<透水砖(7.2 ℃)<草地(7.7 ℃)<沥青(7.8 ℃)<花岗岩(8.0 ℃)<混凝土(9.2 ℃)(图4)。水体由于比热容大，日间温度变化幅度小，因此水面的空气温度日振幅远低于其他铺装材质；混凝土热容量较小，吸放热快，因此混凝土在中午时气温很高，而早晚时温度较低，故导致混凝土空气温度日振幅值大。

2.3 相对湿度比较

2.3.1 相对湿度日间变化分析

相对湿度受多方面因素影响，其中与空气温度有着直接关系[26]。如图5所示，8:00与18:00空气温度低、相对湿度高，12:00时各铺装材质样地的相对湿度均达到了最低值。在所测量的6个时段中，草地与水面样地的相对湿度均明显高于其他铺装材质，而沥青与混凝土的相对湿度持续较低。8:00至12:00这3个时间段内，各铺装材质随着空气温度的快速升高，相对湿度随之大幅度下降，其中混凝土与沥青降幅最大，草地与水面降幅较小。12:00时，平均相对湿度为沥青<混凝土<花岗岩<塑胶<透水砖<草地<水面。沥青、混凝土分别与其他5种铺装材质之间存在极显著差异(P<0.01)。14:00至18:00这3个时间段内，铺装间相对湿度的差距减小，各铺装材质的相对湿度均上升，并且随着时间的推移，上升幅度越来越快。

2.3.2 相对湿度日间均值与日振幅分析

1) 日间平均相对湿度 沥青(42.9 ℃)<混凝土(43.0 ℃)<花岗岩(43.9 ℃)<塑胶(45.1 ℃)<透水砖(47.9 ℃)<草地(48.0 ℃)<水面(48.7 ℃) (图6)。这与空气温度排列顺序正好相反。草地与水面的相对湿度明显高于其他铺装材质，透水砖相对于花岗岩、塑胶、沥青、混凝土有显著的增湿效应(P<0.01)，日均增湿幅度可达2.8%～5.0%。除透水砖与草地与水面、花岗岩与沥青与混凝土、塑胶与花岗岩任意两者之间无显著差异(P>0.05)外，其余任意2种铺装材质之间均达到极显著差异(P<0.01)。

2) 相对湿度日振幅 塑胶(12.9 ℃)<水面(13.4 ℃)<透水砖(15.2 ℃)<草地(16.5 ℃)<花岗岩(16.6 ℃)<混凝土(22.0 ℃)=沥青(22.0 ℃) (图6)。相对湿度主要受温度的影响，温度日间变化幅度大的铺装材质，其相对湿度日间变化幅度也较大。

2.4 人体舒适度比较

图7为各铺装材质THI值比较，参照THI与人体舒适度之间的关系(表2)可以看出，各铺装材质的THI值日间变化趋势基本一致，早晚THI值较低，舒适度较高；中午THI值较高，舒适度较低。透水砖、花岗岩、草地与水面的THI最高值出现在14:00时，塑胶、沥青与混凝土的THI最高值出现在12:00时。各铺装材质THI值最低点均出现在18:00时。

日间平均THI值为：草地<水面<透水砖<塑胶<花岗岩<混凝土<沥青。草地的THI值相对于硬质铺装材质显著降低，人体舒适度最佳。水面与透水砖的THI值接近，这是由于THI值受空气温度与相对湿度的双重影响，相对湿度过大会导致THI值升高，虽然透水砖的温度高于水面，但水面的相对湿度大于透水砖，故导致透水砖与水面的THI值相近。沥青与混凝土的THI值显著高于其他铺装材质，人体舒适度最差。沥青、混凝土分别与透水砖、花岗岩、塑胶、草地、水面的THI值差异达到极显著水平(P<0.01)；其余铺装材质之间未达显著差异(P>0.05)。

3 讨论

由不同铺装材质地表温度日间均值与日振幅可以看出(图2)，二者存在一定的线性关系，日间平均地表温度高的铺装材质，其日振幅一般也较高。这是由于地表温度主要取决于对太阳辐射的吸收情况[27-29]，草地与水面吸收辐射的能力弱，且水体的比热容大，吸放热慢，故导致草地与水面的日间平均地表温度与日振幅均较小。硬质铺装材质吸收辐射能力强，热容量小，吸放热快，因而日间平均地表温度与日振幅均较大。由于各硬质铺装的材质不同，颜色与质地存在差异，热容量大小和吸收辐射能力也不同[30]，因而不同硬质铺装的日间平均地表温度与日振幅也存在较大差异。

在对各铺装材质的日间平均地表温度、空气温度、相对湿度3个指标的研究中发现，除花岗岩与塑胶外，其他各铺装材质3个指标的变化趋势完全一致。由于地表温度主要受材质表面粗糙程度及颜色的影响，表面粗糙颜色深的材质要比表面光滑浅色的材质吸收更多的太阳辐射[31]。该文样地中塑胶为红色且表面粗糙，花岗岩为灰白色且表面较为光滑，因此塑胶比花岗岩要吸收更多的太阳辐射，致使表面温度高于花岗岩。而且塑胶地面具有一定的保水及透水效果，透水路面的降温效果主要受铺装含水量影响[32]，水分越多降温效果越明显，致使塑胶样地的空气温度低于花岗岩，相对湿度高于花岗岩。

与前5个测量时段不同，18:00时水面的地表温度和空气温度要明显高于草地，草地具有最低的地表温度与空气温度。这是由于草地在白天中吸收的太阳热辐射较少、傍晚时热量散出快，而水体比热容大、吸放热慢，致使傍晚时草地空气温度与地表温度最低，这与吴菲等人[33]研究测量的结果相一致。据有关实验数据，沥青一天的热辐射量是草地的10.7倍[34]。在晚上，草地不但不向空气中释放热量，还会从空气中吸收热量。而由于沥青在白天吸收了大量的太阳辐射，在辐射强度降低后开始向空气中释放贮藏在其中的热量，使空气升温，因此在16:00至18:00这2个时间段内，沥青的地表温度与空气温度均持续高于其他6种铺装材质，相对湿度持续低于其他6种铺装材质。

透水砖与花岗岩、塑胶、沥青、混凝土相比，日间平均地表温度降温幅度可达1.1～8.5 ℃；空气温度降幅可达0.4～1.8 ℃；相对湿度增湿幅度可达2.8%～5.0%；THI值降幅可达0.2～0.9。由于透水砖具有多孔结构，可以使下层土壤中丰富的毛细水在太阳辐射作用下蒸发，可有效降低温度并增加相对湿度[35-36]，因此，透水砖相比于其他硬质铺装对热环境有显著的改善效果，使人体感知更加舒适。

4 结论

日间平均地表温度为水面<草地<透水砖<花岗岩<塑胶<混凝土<沥青；日间平均空气温度为水面<草地<透水砖<塑胶<花岗岩<混凝土<沥青；日间平均相对湿度为沥青<混凝土<花岗岩<塑胶<透水砖<草地<水面；日间平均THI值为草地<水面<透水砖<塑胶<花岗岩<混凝土<沥青。一天中不同铺装材质的地表温度最高值、空气温度最高值、相对湿度最低值主要出现在12:00时或14:00时。日间平均空气温度与日间平均相对湿度的排序完全相反；与日间平均地表温度、日间平均THI值的排序基本一致。草地与水面相对于其他铺装材质具有显著的降温增湿效果且人体舒适度最佳；与其他硬质铺装相比，选择透水砖作为硬质铺装材料会对周围环境具有显著的降温增湿效果，并显著改善人体舒适度。