安庆皖江公园不同下垫面类型对温湿效应的影响

杨 荣，姚华婷，范志强，葛文焱，偶 帆

(安庆师范大学 生命科学学院/皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室，安徽 安庆 246011)

近年来，经济发展迅速，城市化进程不断加快，经济飞速发展的背后，环境相应也发生了潜移默化的改变.其中，城市下垫面类型明显改变，复杂多样.高速城镇化建设有力推动着城市发展，人们逐渐将注意力转移到自然生态环境的变化上来，想要绿色可持续发展，关注城市生态刻不容缓.首先，由于下垫面在近些年来的改变，带来的热容量和热传导率也发生显著变化，由此带来的相对温湿度的变化，且人工开发程度越高的地方，差异性越大.达到一定程度，逐渐改变局部小气候，最终作用到大气环流，参与本地区气候循环，因此成为当下要求的绿色可持续发展重要因素之一.现有许多学者都对不同经济社会程度、经纬度、环境差异较大的一个城市进行了温湿度的对比检验,同时也对一个城市的一个城区、郊区也分别进行了对比和观测,可以发现一个城区的气温远远超过郊区的现象.如商茹[1]等人就研究了北京不同的城市绿地下一个垫子所带来的环境微气候的影响;王怀军[2]等中国中小河流的气候及下垫地表面与生产汇流过程之间的关系;吴思佳[3]研究了不同下垫面对温湿效应和人体舒适度的影响;罗凤敏[4]研究了乌兰布和沙漠东北部不同下垫面的小气候变化特征;王小俊等[5]研究了城市绿地空间格局对热岛效应的影响；周宏轩等[6]研究了绿量的城市热环境效应研究现状与展望；李澎利[7]研究了北京朝阳区下垫面覆盖类型变化对城市热岛的影响；王艳霞[8]等对城市绿地与城市热岛效应的关系进行了较为系统的分析.许多人都对城市热岛的形成与演变进行了考察探究，在众多的影响因素中下垫面无一例外是主要因素.

由于温度湿度不同，绿地增湿降温是多块集成的结果，应适当分析不同季节的格林尼治和湿润现象的影响机制，只有这样，才能改善自己在改善居住环境方面的作用.但是随着城市化进程的向前推进，对城市小气候的影响显然已经到达不容忽视的地步.

通过对冬春季的城市公园绿地，对多种下垫面温湿特征进行实地观测，探讨不同季节各下垫面的温湿特征及其季节变化差异，旨在探究下垫面类型在不同季节对绿地温湿效应的影响，以便给城市绿地规划提供参考依据.

1 研究区域与研究办法

1.1 研究区域概况

在安徽省安庆市皖江公园进行温湿度观察.见图1.其位于莲湖和东湖之间,总建筑用地面积34.68×104m2,原名市民公园,区域性气候类型为北亚热带干旱湿润大陆性气候.太阳能辐射物质总量466.2～495.6 kJ/cm2,气候温和，年平均温度14.4～16.5 ℃，秋季略低于春季.年均降水在1 250～1 430 mm.一年四季分明，日照时间充足，有明显的季风气候，降雨适中，较为寒冷的冬天持续时间少. 同时植物结构丰富、种类极其多样，植物的横向、竖向分布合理，生态结构稳定，具有显著的局部地区微气候调节效益，对于改善城市热环境以及提高城市宜居度具有重要的生态意义.公园基底环境均质性高，内部包含绿地、水体、建筑、道路等多种下垫面类型，试验样地选择具有可操作性.

样地1-草;地样地2-林地;样地3-建筑;样地4-水体;样地5-铺装

1.2 研究方法

试验分别于冬季和春季两个季节开始进行,冬季在三月中旬,春季在四月下旬,天气条件选择时,一律尽量选择晴朗、无风的天气,便于有效地观测其温度、湿度等特征,使其满足标准.观测主体为相对温度、湿度.按照要求，定期合理测量,每日8:00～18:00,每 2 h 分别对5种下垫面的相对温度、相对湿度等数据进行了同步测量1次.所选的下垫面均采用了网格式的布点,每种下垫面内各自挑选20个观察点,在每处进行一个建筑物的提取点时略有不同,选择了建筑物的东面、南面、西面、北面四个方向,于每处分别设置5个观察点,在离地0.5 m处测定温湿度，每一季节测定7 d.

1.3 数据处理

将各测试地所测的20个数据加以平均，得到各测试地的平均相对温度值.以同种方法测量同一类型下垫面的相对湿度值.将冬季、春季两个季节中七天不同时刻的相对温度、相对湿度值加以平均，绘制折线图，得到各季不同下垫面温湿度的变化规律.

2 结果和分析

2.1 不同下垫面在冬季和春季对温度的特征及影响

2.1.1 相对温度的日间变化特征分析

在观测时间段内，五种下垫面的气温在各季节的日间变化曲线均呈现先上升后下降的单峰型变化趋势，在午后十四点达到全天最高温度.本文所研究的冬春两个季节，其各下垫面类型的各时间段空气温度在冬末、春初均表现为林地最低、建筑最高的特点，这是因为植物树冠浓密，具有遮挡作用，并且可反射红外光，吸收一部分可见光，且植物自身的蒸腾作用不断实现内部调节，使得树冠下的空气温度处于较低的温度，最终导致林地内气温明显低于其他下垫面气温.而建筑则是因为自身散热原本就比较慢，且由于建筑自身属性：比热容大，同时室内周边长时间存在人流，或者机器运行，热量储蓄，综合各方面原因，导致其周围气温较高.

2.1.2 春季不同下垫面温度变化特征

温湿度的变化能够明显改变局部地区的小气候.春季时，各种下垫面的温度最高值出现在午后，大概为下午两点.草地与水体的温度差距很小，两种下垫面的日最高温度分别为24.9、24.8 ℃.下午14：00时，跟种下垫面温度普遍处于顶峰，草地的最高温度为24.7℃，而铺装为26.5℃，两者相差1.8 ℃.从8:00开始，降温效应逐渐增强，时间不断递推，效果愈发明显，水体和绿地的降温效果随着时间变化尤为突出，特别是在午间过后，在效果最明显后，呈现下降趋势.铺装在各时间点的平均温度比草地要高0.5～2.3 ℃，平均得出1.4 ℃.见图2.

图2 春季下垫面的空气温度日间变化特征Figure 2 Diurnal variation of air temperature on underlying surface in spring

由于处于春末，较为接近夏季，温度普遍看来都不低.建筑物自身相比与其他下垫面，具有较为明显的吸热作用，使得热空气攀升，下面空气逐渐减少，造成近地面空气密度降低，从而温度上升.综合各时间段的温度数据，草地的平均温度要比建筑物低0.9～3 ℃.

不同下垫面之间温度变化趋势都存在或多或少的差异.首先，考虑到阳光的照射，是各类下垫面吸收热量最主要的来源，因此对光的反射则是一个重要的考虑因素.具有绿色植物覆盖的区域能够吸收转化热量，同时植物不断进行蒸腾作用，消耗周围热量，使绿植覆盖区温度降低.此外，还存在其他各种影响因素，不同的下垫面之间升温速率、导温系数、以及热容量各有个的不同之处，具备差异性较高的水分平衡、能量平衡，不同的湍流作用，综合使得不同下垫面热效应具备显著的差异.

相关研究表明，对各种下垫面进行长期研究观测，不管每日最高温、平均气温或者高温连续时长，未拥有园林绿化的区域要气温始终要高于绿化区域；未绿化区域平均气温要比城市公园高2.2 ℃，每日最高气温平均要高4.1 ℃.这种利用绿色化植物来进行的降温手段，天然环保，可利用率高，适用于各个地区，并且造成对环境的危害低；与“空调式的室内降温”是不一样的，所谓“空调式的降温”是单纯的将热量进行位置的变换，从一个空间转移到另一个空间，加剧了另一个空间的热量增长问题，属于无效降温，而这种利用植物的呼吸作用、光合作用等天然方式的降温，是良性的，属于有效降温.

2.1.3 冬季不同下垫面温度变化特征

在冬天晴朗的白天,空气密度低,使得大气对短波辐射降低削弱程度,所以感觉太阳大.夜晚时,大气中水和二氧化碳少,大气对地面的逆辐射减弱,温度就会较低.在冬季，大多是呈现昼短夜长的现象，日间的很大一部分时间，水体的相对温度都是林地、草地、铺装、建筑、水体这五种下垫面中最低的，具备降低温度的作用.草地因为热量消耗散失相对比较慢等一系列特点，具备保温作用，温度就会比水体要高上一些.像林地这种植物比较密集的下垫面，因为光合作用，叶面会吸收光和热，叶面大也会降低光的反射，因反射光减少，周围的温度也会将降低，比简单的草地相对温度依旧是要低的，但是总体来看，略微比水体要高上一些.建筑物和硬质铺砖的相对温度依旧较高，人类和机器的运作中起到热量增加的效果，建筑物因为自身水泥、钢筋等材质起到保温蓄热的作用，在五种下垫面中，建筑物相对温度最高，铺装次之.见图3.

图3 冬季不同下垫面平均温度随时间的变化Figure 3 Variation of average temperature of different underlying surface with time in winter

以上结论与许多研究者探究得到的结论是基本一致的，也就是说城市公园绿地的局部小气候与下垫面类型密切相关.由城市公园为小区域类比，往大处扩展，不管是在春末还是冬季，人工建造的一系列城市建筑设施都起到保温、增温的作用，水体则是起到了降温的作用，植物在相应的季节作用各不相同，调节性很强，春季时降温，冬季时增温，有天然的“调节气候器”的功效.

2.2 不同下垫面在冬季和春季对湿度的特征及影响

2.2.1 相对湿度的日间变化特征分析

以下图标反映了各种不同下垫面类型在两个季节中的相对湿度日间变化特征.冬季的相对湿度要显著低于春季的相对湿度，并且春季的相对湿度呈现出先下降后上升的单谷型曲线，冬季则呈现出先下降后上升再略微下降的变化趋势.其中，冬季各个类型下垫面的相对湿度最低点都是在下午 14: 00前后，小范围波动，且在12: 00～14: 00之间存在较小幅度的回升趋势；春季所有类型下垫面的最低点都是在下午 14: 00.在冬天时，林地下垫面的相对湿度较低，春季则是要略高，主要原因有以下几点：首先，植物自身存在的蒸腾作用在春夏这种相对温度比较高的季节，林地的蒸腾作用会加强，土壤具备蒸发作用，自然造成其他下垫面的的相对湿度没有林地高；而在冬天时，植物蒸腾作用相对减弱，蒸发速率降低，使得蒸发量大幅度减少；并且处于冬季时，林地部分草叶掉落，植被密度降低，冠层对土壤蒸发作用的水分的保持作用减弱，导致相对湿度从而降低.

2.2.2 春季不同下垫面湿度变化特征

在一整天的湿度变化过程中，8:00～17:00时，水体的相对湿度是最高的，比林地高1.2%～3.0%，18：00比林地低1.5%.各个时间，建筑以及铺装相对湿度较低，且二者较为接近，铺装稍高于建筑.建筑的相对湿度比水体高2.2%～9.0%，平均为5.6%.在8:00时，水体比建筑高9.0%，在12:00时，小幅度降低，但依旧要比建筑高5.8%.林地的相对湿度则与草地比较相接近，仅仅高出了0.2%～1.1%.见图4.

图4 春季不同下垫面平均相对湿度随时间的变化Figure 4 Variation of average relative humidity of different underlying surface with time in sping

从早上8：00开始，水体和草地这两种下垫面造成的增湿效果就显现出愈发增强的趋势，中午过后，大概在下午14:00前后最明显，在过了这个时间段之后逐渐减弱.总体来看，草地和林地的相对湿度要稍微低于水体，而其他的下垫面则是要比水体的相对湿度明显低上一些.

因为绿化植物覆盖区对太阳辐射存在蒸发冷却和反射作用，使得造成了一个降低温度的效果，在这之中，冷却蒸发是一个主要的影响因素.处于末尾的春天，较为温暖，温度并不低，草地的降温降温增湿效应明显，其中增湿效益更为突出.草地在一天之中，各时刻的相对湿度要比建筑高6.0～9.0%，建筑的相对温度则要比草地高0.7～3.0℃.

2.2.3 冬季不同下垫面湿度变化特征

水体的相对湿度平均为2.6%，比林地要高1.5～3.7%，和春季一样，依旧是相对湿度最高的.草地和林地因为都是绿化植物覆盖的下垫面，在各时间段的相对湿度仍然是较为接近的，相差很小；铺装和建筑的相对湿度都很低，建筑是二者中更低的，要比水体的相对湿度低3.0～7.5%，平均为5.2%.见图5.

图5 冬季不同下垫面平均相对湿度随时间的变化Figure 5 Variation of average relative humidity of different underlying surface with time in winter

在林地中，存在大量树冠，有遮蔽的作用，能够降低太阳对地面的辐射量，因此有高大绿植覆盖的区域要比没有的区域太阳辐射量低4～13倍，降低了林地的温度；不仅如此，植物依旧具有增湿效果，树木消耗热量以蒸腾作用从根部吸收水分、制造养分、调节气温的同时[9]，又增加了空气湿度.公园绿地植物，在发挥增湿效益方面，效果显著，是天然的“空气增湿器”.

3 讨 论

本研究通过对城市公园绿地内的五种常见不同下垫面类型，分别在冬季和春季做的温度、湿度气候特征的实地观测，研究得到微气候在不同下垫面有明显不同的区别，在春节和冬季依旧有各自的特点，差异性显著.其中，就相对温度而言，各种下垫面的相对温度在两个季节中均表现出了建筑最高、水体最低的特点；就相对湿度而言，干好相反，各种类型下垫面在两个季节均表现出了水体最高、建筑最低的特点.此项研究结果与其他下垫面对温湿效应的讨论较为相似，加入了建筑这种下垫面进行讨论，是因为在城市改革进程中，建筑这种下垫面迅速增加，对局部微气候起到了不可忽视的作用，特此探究建筑对温湿效应的影响.结果表明，不管是降温效益，还是增湿效益都很低，甚至在春夏这种温度开始回升的季节里，对降温增湿产生了明显的负效用.为此，在以后的城市建设中，应该多注意硬质建筑的不断增设，可以考虑与园林绿植相结合，增加绿化面积，从天然的方式来改善人居环境.除此之外，城市的生态优化应从许多方面来考虑，不断完善观测条件.从定性定量的多角度去分析，考虑绿地构成与硬质建筑的比例，从相关性的角度进行有关联的看，一定能够发掘跟多有价值的信息.

安庆城城镇化进展迅速，主城区域范围也随之在不断扩张，下垫面差异性显著.人为地表不断扩张，与自然地表相比，各方面性能显著降低.当前，有一些公共建筑使用大面积的玻璃墙，产生许多危害，例如：光污染，墙体蓄热量降低.安庆市由于自身经济发展等限制，在生态绿化这方面发展较为落后，投入力度不足，其绿化方式、铺装材料以及环境设计方面存在许多不利点，应多注意保护自然土地，降低土壤粗糙度，减少地表热量.

城市下垫面影响热环境的因素有城市绿地的布局、内部构成、铺装的质地、颜色，城市建筑的布局、高度、颜色、材质、道路规划布局等.改善热环境最有效的方式是增加绿化面积，但在经济发展等多方面尚不能够支撑大面积有效绿化覆盖的安庆，这种方式相对来说比较不切实际.安庆市有许多建筑立面、屋顶等，许多闲置空余地方并没有合理绿化，可以通过立体绿化，以小范围逐渐改变，有得放失逐步扩大，不失为增加绿化面积的有效良策.