乡村住区下垫面表面温度实测及影响因素分析——基于冬季红外热成像航拍实验数据

■ 程 明 CHENG Ming 周伊利 ZHOU Yili 李 琪 LI Qi 朱 丹 ZHU Dan

随着乡村振兴战略的全面推进实施，乡村人居环境受到前所未有的关注。在各类新型乡村住区的建设中，各类下垫面类型的变化给乡村热环境带来新的影响。因此，揭示乡村地区各类地表下垫面对室外热环境的影响机制，具有很重要的现实需求。通过对各类地表下垫面温度的实测，可以了解各类下垫面不同的吸热性质及其对室外热环境不同程度的影响，为今后乡村地区室外下垫面设计提供科学依据。本次实验采用热成像无人机航拍的方式，采集乡村住区各种典型下垫面的温度数据，并尝试探讨在不同工况条件下，不同材质、不同色彩对于下垫面温度的影响以及作用机制。

1 相关研究

关于室外热环境的研究成果多集中于城市地区，也较少关注不同材质下垫面的得热，而对于量大面广的乡村住区，相关研究成果较少。究其原因可能有：①乡村地区人口密度低，涉及面较小；②缺乏有效的下垫面温度测量技术以及研究方法。在现有的相关研究中，薛俊杰[1]通过对四个徽州古村落夏季室外下垫面主要气象数据的监测统计，尝试建立古村落夏季室外热舒适评价体系，并探索了不同下垫面材质对室外热环境的影响；燕海南、肖湘东等人的研究[2]则探讨了植被、水体等下垫面及建筑等造园要素，对江南园林微气候以及人体舒适度的改善作用；高波、徐龙等[3]通过测试及软件模拟的方式，研究分析了影响室外热环境的景观因素；席旭辉[4]、刘乐[5]分析研究了城市环境中居住组团内部下垫面材料、形式与室外热环境的关系，并建立起一套室外热环境评价体系，针对现有缺陷，提出针对性的改进建议；盛景四、张伟等人的研究[6]探讨了绿化及水体等下垫面对城市中文化产业园区室外热环境的影响及相应的改善策略；蒋志祥[7]通过分析不同下垫面表面温度大小及变化规律，得到水体、植被对于城市热湿环境的影响机制；劳钊明、李颖敏[8]等利用ENVI-met 定量分析了阴影及不同材质下垫面对夏季城市中室外热环境的影响；姜春宏、唐薇[9]等通过对冬季校园4 种不同下垫面平均辐射温度、标准有效温度的监测记录，探讨了不同下垫面对室外热环境的不同影响。杜京通过研究[10]重庆某既有住区下垫面周围温湿度状况，得到温度及湿度的分布规律，利用ENVImet 分析表明，通过种植绿化、提高下垫面反射率和发射率的方式，可有效改善该住区室外气温。以上研究均只测量不同下垫面上方空气的温湿度表现，并没有直接实测下垫面的表面温度，无法直观体现不同下垫面的得热情况。

事实上，乡村住区组团与城市住区组团有较大的差异：①乡村住区组团规模普遍较小，建筑密度较低；②建筑高度以2～3 层为主；③间杂分布在生产、生态用地之间，热岛效应不明显。因此，乡村住区具有区别于城市住区的独特室外热环境特征，而下垫面温度对于室外热环境有较为显著的影响，是构成乡村人居环境的客观要素。

2 研究对象与方法

2.1 实验场地

研究对象位于上海市闵行区浦江镇丰收村，地处浦江郊野公园范围内，周围水网密集，具有江南水乡的典型特征。在乡村振兴的大背景下，丰收村部分宅基地以原有容积率、限高10 m 为限制条件，经过现代化的建造方式改建、重建后形成魅客小镇滨江社区住宅组团，具有丰富的室内外空间关系，对于江南地区乡村民居的建设具有借鉴意义（图1、2）。

图1 实验组团鸟瞰

图2 组团中心庭院

魅客小镇滨江社区共有三个组团，本次实验选择位于河南岸的较大组团作为实测场地。该组团共有11 栋住宅，1～3 层，容积率为0.46，建筑密度为21%，建筑限高10 m。组团下垫面类型丰富，位置关系也较为多样，可提供较多研究维度。

2.2 实验方案

为有效观测乡村住区下垫面温度变化状况,本次冬季实验选择在2021年2 月4 日开展，在场地内部选取13 个测点（图3），采用热成像无人机作为下垫面温度观测工具。

图3 测点分布图

实测时间集中于白天时段，分别为11:00、12:30、13:00、14:00、15:00、15:50、16:30 等7 个 时 间点。热成像无人机在上述时间点前后起飞拍摄，单次滞空实测时间控制在5 min 以内，使各测点温度数据接近同步（图4）。

图4 水泥地面测点热成像航拍实测举例

2.3 数据处理

通过热成像航拍，获得13 个室外下垫面测点在7 个时间点的热成像图像和温度数据。在每个无人机滞空悬停时段内，同一个测点至少分别读取2～3 次数据并求得平均值，作为该测点在该时刻的温度，以减少偶然误差。通过箱型图分析，数据中异常点极少（图5）。

图5 各测点温度数值箱型图

3 结果与分析

本次实验选取的13 个测点包含了水泥地面、彩色石子、广场砖、浅色石板4 种硬质下垫面以及水体、草地、灌木丛、泥地4 种自然下垫面（表1）。

表1 不同类型下垫面的温度统计表

3.1 水体表面温度

场地周围水体位于实测组团北侧，测点01 所处的西北侧水面较为开阔，面积较大。

从温度数据统计来看，水面温度在测试时间段内的最高温度为11.0℃，出现在中午12:30 前后；最低温度为6.5℃，出现在16:30 前后；测试期间波幅较小，为4.5℃，体现出水体较好的热稳定性（图6）。

图6 水体测点温度

3.2 泥地表面温度

测点02、03 位于新建住宅组团的西侧泥地。从温度数据统计来看，测点02 的温度最高值为12.8℃，出现在12:30 前后；最低值为5.1℃，出现在16:30 前后；测试期间波幅为7.7℃。测点03的温度最高值为7.4℃，出现在14:00 前后；温度最低值为5.6℃，出现在16:30 前后；测试期间波幅为1.9℃。

与测点03 相比，测点02 的最高温度出现时刻较早；测点02 在13:00之前的温度值明显高于同时刻测点03 的温度值，12:30～13:00 之间温度值迅速下降，在13:00 之后与测点03 的温度值相接近（图7）。

图7 泥地各测点温度

两处泥地测点的温度表现出较大的差异，主要原因是测点03 一直受到周围建筑物和树木的遮挡，不受太阳辐射的影响，而测点02 在正午之前受太阳辐射的影响较大，并且与西侧住宅浅色墙面距离较近，同时接受浅色墙面太阳辐射的反射，因此，其温度值明显高于测点03，温度最高值早至。而午后由于太阳方位角的变化，温度值迅速下降并逐渐与测点03 相接近。

3.3 草地表面温度

草地测点共有三处，测点04 位于新建住宅组团西侧的草地上，周围较为空旷，无遮挡物的影响；测点05、06 位于新建住宅组团内部的建筑物之间，距离建筑物较近，因此，容易受到南侧建筑物的遮挡。

从温度统计数据来看，三处测点的温度最高值均出现在中午12:30前后；测点04 的温度最高值、温度平均值均明显高于测点05 和06，分别达到19.2℃、13.5℃，波幅达到11.9℃，也明显高于测点05 和06。测点05、06 的距离较近，周围环境状况也比较相似，测点05、06 在各个时刻的温度高低值、平均值均较为接近。两处测点均在正午12:30 前后出现温度最高值，分别为10.3℃、10.7℃；之后测点05、06 的温度值均开始缓慢下降，两测点温度波幅都较小，分别为4.5℃和5.4℃（图8）。

图8 草地各测点温度

测点04 与测点05、06 温度差异较大的主要原因是，测点04 所处位置较为空旷，周围无遮挡，受到太阳辐射的影响明显，吸热及散热过程均较快，导致温度波动明显，波幅较大；测点05、06 长时间处于建筑的阴影中，较少受到太阳辐射的影响，因此，周围热环境相对稳定，温度最高值、平均值及温度波幅分别为10.3 ℃～10.7 ℃、7.7 ℃～7.8 ℃、4.5℃～5.4℃，均明显低于测点04，具有较好的温度稳定性。以上反映出不同遮挡状况对于下垫面温度表现的影响。

测点05 在13:00～15:50 之 间的温度值均略低于同时刻测点06,主要原因是，随着太阳方位角的变化，测点05 西侧的高大乔木树冠在午后开始对太阳辐射形成遮挡，减少了测点05 的得热，因而导致测点05 在午后的温度低于测点06。

3.4 灌木丛温度

在景观设计中，灌木丛与草地具有较大的差异性，实验组团内部及周边的灌木丛高度在0.5 m～1.0 m 之间，灌木丛测点07 位于新建住宅组团的北侧且距离建筑较近，受到建筑物阴影的遮挡。

测点07 的温度最高值出现在12:30 前后，之后温度开始缓慢下降。原因是，该测点在12:30 前后受到太阳辐射的影响导致温度升高，之后受到建筑物的遮挡导致温度下降。测点07 的温度最高值为10.8℃，温度平均值为7.3℃，温度波幅为5.2℃（图9）。

图9 灌木丛测点温度

3.5 硬质铺装表面温度

住宅组团内部的硬质铺装测点共有6 处。测点08 为水泥地面，周围开阔不受遮挡物的影响；测点09 的材质为彩色石子，位于住区组团中部较为开阔的共享庭院空间内，不易受遮挡的影响；测点10、11-1、11-2的材质相同，均为广场砖铺地；测点11-1、11-2 位于新建住宅组团北侧的沿河步道上，距离建筑物较近，容易受到南侧建筑物的遮挡；测点10位于新建住宅组团西侧的沿河步道上，距离住宅组团较远且周围空旷无遮挡；测点12 材质为浅色石板，位于新建住宅组团北侧的单栋建筑入口处，极易受到建筑物的遮挡。

在6 个测点中，测点09 的最高温度值、平均温度值最高，分别为24.8℃、17.9℃，温度波幅也最大，为14.8℃；测点08、10 次之，其最高温度值分别达到19.8℃、18.6℃，波幅分别为10.1℃、7.8℃；相较于测点10，测点11-1 的最高温度值、平均温度值均较低，分别为12.7℃、8.4℃；在受遮挡状况下，测点11-2的最高温度值、平均温度值最低，仅为8.5℃、6.0℃。测点12 的周围环境与测点11较为类似，其最高温度值、平均温度值均较低，分别为10.0℃、7.3℃，波幅为4.2℃，明显低于测点10，温度值较为稳定（图10）。

图10 硬质铺地各测点温度

测点08、09、10 的周围环境相似，均易受到太阳辐射影响；其中，测点08、10 温度表现相似，表明水泥地面与广场砖地面具有相似的吸热性质；而测点09 的最高温度值、温度波幅均高于测点08、10，差值分别为5.0℃～6.2℃、4.7℃～7.0℃，反映出彩色石子具有较强的吸热性。

测点10、11-1、11-2 材质相同，但3 处测点的温度差异较大：测点10、11-1 温度最高值差值达到5.9℃，原因是测点10 周围较为空旷，受到太阳辐射的影响较大，因此，温度变化最为剧烈，温度最高值、波幅均为最大；测点11-2 由于受到周围环境的遮挡，其最高温度值、平均温度值、温度波幅均明显小于测点11-1,差值分别为4.2℃、2.4℃、3.1℃。测点12 位于建筑的北侧入口处，距离建筑物最近，因此，长时间处于建筑的阴影范围内，较少受到太阳辐射影响，温度最高值、温度波幅均较低。

相比之下，彩色石子吸热最快，温度波幅也最大；浅色石板吸热最慢、波幅最小。反映出不同材质下垫面的不同吸热性质对下垫面温度的影响。受到遮挡测点的温度明显低于相同材质不受遮挡测点，表明周围环境对太阳辐射的遮挡对下垫面得热情况影响显著。

4 讨论与建议

4.1 太阳辐射与下垫面温度

太阳辐射是住区下垫面最重要的热量来源，同时，下垫面容易受到周围建筑物以及高大树木的遮挡，从而减少太阳辐射。本次实验数据表明：环境遮挡对下垫面的得热情况影响显著。

草地在无遮挡的状况下（测点04），各时段温度值均高于有遮挡状况（测点05、06），最大差值出现在12:30 前后，达到8.5℃～8.9℃；最小差值出现在16:30，为1.5℃～2.0℃；与之类似，广场砖地面在无遮挡（测点10）状况下，各时段的温度值均明显高于相同材质测点（测点11-2）受遮挡状况下的温度值，最大差值出现在11:00，达到13.7℃；最小差值出现在15:50，为5.4℃。通过对同一材质不同遮挡状况下温度数据的对比分析，结果表明，受遮挡状况的下垫面得热量远小于不受遮挡状况。

为提高室外热环境的舒适程度，应积极利用周围环境因素进行被动式设计，有选择地避免或利用太阳辐射的影响，为营造绿色舒适的乡村室外热环境发挥积极作用。

4.2 地面材质及色彩与下垫面温度

本次实验共测试了水体、泥土、草地、灌木丛等4 种自然下垫面以及水泥、彩色石子、石板、广场砖等4种硬质下垫面。在4 种自然下垫面中，草地表面的温度变化最为剧烈，泥地表面的温度波幅仅次于草地，水体和灌木丛两种自然下垫面温度及其变化均较低，具有较好的温度稳定性。可见，4 种自然铺地中，草地的吸热散热均较快，比热容最小；泥土的吸热性能也较高，升温较快；水体和灌木丛的温度波幅较小，升温降温均较慢，具有较好的温度稳定性。

在4 种硬质铺地中，彩色石子地面吸热性最强，温度变化最为剧烈；水泥地面次之，也有较强的吸热性；广场砖地面温度略低于水泥地面。反映出不同材质，不同颜色对于下垫面温度的影响。

不同吸热性质的下垫面材质会对人体进行不同程度的冷热辐射，从而对人体的热舒适产生影响。根据实测数据来看，硬质下垫面温度最高值及温度波幅普遍高于自然下垫面，因此，深色表面及硬质下垫面材质会向人体辐射大量的热量。在夏热冬冷地区，冬季室外湿冷环境对人体热舒适的负面影响较为严重，硬质下垫面会辐射较多的热量，在一定程度上有助于提高室外温度，缓解室外湿冷状况；但在夏季，过多的硬质下垫面则会加剧室外环境的炎热状况，降低人体的热舒适感觉。

4.3 环境遮挡与下垫面温度

下垫面一直处于受遮挡状况时，影响其表面温度的因素为空气温度、周围环境热辐射，不同材质下垫面表面的温度较接近。

温度统计数据表明：长时间处于阴影范围内的不同材质各测点（测点03、05、07、08、10）具有较好的温度稳定性，温度波幅均较小；不同材质各测点的温度值相差并不明显。由此可见，周围环境对太阳辐射的遮挡，对于维持小范围内住区组团微气候稳定性具有显著正向作用。

在乡村住区设计中，应根据室外场地对热环境的不同需求，将被动式手法应用于室外环境设计，为改善室外热环境创造条件，积极利用周围的自然条件以及现有的建筑物，对下垫面进行有选择的遮挡，如，在住宅南侧选用落叶树种，冬季落叶时可以减少对太阳辐射的遮挡，还能在夏季对太阳辐射起到遮挡作用。

5 结语

江南水乡地处我国夏热冬冷地区，乡村住区下垫面得热状况对于室外热环境具有较强的影响，进而影响人体的热舒适感觉。研究不同下垫面具体温度表现可以辅助下垫面的设计，有助于改善室外热环境。

本次冬季实验应用了无人机红外热成像技术，对上海市闵行区一处典型乡村住区下垫面温度进行了详细探查，通过温度数据统计分析，初步明确了不同材质、不同色彩、不同遮挡状况的室外下垫面在冬季白天时段的得热情况，并得出以下结论：①太阳辐射对乡村下垫面得热影响显著，建筑物或高大树木对于太阳辐射的遮挡可以明显减少下垫面的得热。② 自然材质下垫面温度明显低于硬质下垫面，且自然材质下垫面具有较好的温度稳定性，温度波幅较小。③长时间处于阴影环境中的不同材质下垫面的温度表现相似，且温度波幅较小。在夏热冬冷地区的乡村室外空间设计中，应该有意识地利用阴影达到改善室外热环境的目的。