悬铃木行道树夏季垂直降温效应测析*

刘滨谊 彭旭路

同济大学建筑与城市规划学院景观学系 上海 200092

近年，植物对室外空间环境的小气候舒适性改善效应已被大部分人接受，植物通过自身蒸腾作用消耗周围空气中的热量达到对周围环境的降温效应[1-3]。本课题组在植物要素对小气候环境的影响研究中提出以下观点：植被要素夏季有降温增湿作用，且树冠形状对气温有较大影响[4-7]；植物密度和植被结构对于小气候适应性影响较大，植物密度越大，越有利于提高小气候适应性，植被越复杂改善小气候的效果越好[8]。在进行实测研究的过程中，现有的小气候场地实测多测试人活动高度1.5m左右的物理小气候因子，以及植物尤其是乔木遮荫带来的小气候改善效应。而小气候立体分层实测研究有利于找到植物对气候改善的空间作用规律，但植物对室外立体空间小气候垂直分层影响的实测研究较少。

中国城市建成区植被主要乔木树种约为17种，乔木胸径主要处于小径级5～25 cm，树高基本集中在5～7 m和7～9 m的区间[9]。悬铃木作为世界5大行道树之一，在中国有悠久的栽培历史[10]，悬铃木作为落叶乔木比建筑和常绿植物更能确保冬夏两季热舒适[11]，同时，适应性强，具有代表性。以悬铃木为研究对象进行有遮荫和无遮荫的垂直方向的空气温湿度对比测试，以分析以下内容：1) 测试单行悬铃木行道树林荫空间的夏季降温作用的垂直功效特征和作用机制。2) 了解植物与大气之间的湍流交换过程，以期知道植物对改善城市大气环境的相互作用。3) 观测植物的蒸腾降温效应在空间分层上对哪些高度产生影响。4) 检测垂直测试小气候因子实验方法的可行性。

1 研究内容

1.1 测试仪器

温湿度记录采用望云山多通道温湿度记录仪， 温度测量范围为-25 ℃～85 ℃，湿度测量范围为0～99.9%RH，温度测量精度为±0.5 ℃，湿度测量精度为±3% RH。同时，风速风向记录采用“自制风向风速条”进行手工记录和确认。

1.2 研究对象

根据史琰等[9]研究，中国城市建成区植物中主要乔木树种的高度区间在7～9 m范围具有普遍性；同时，为了避免建筑和机动车道路的热辐射对行道树降温实测的影响，只研究太阳、风等自然因素的影响，需考虑场地相对开阔、远离建筑30 m以上同时远离机动车道路的行道树为研究对象；再结合实验器材不锈钢伸缩杆的高度为8 m，选择同济大学四平路校区图书馆东侧的一排高度具有普适性的8 m单行悬铃木行道树为本次实测研究对象，进行同样下垫面的有遮荫和无遮荫对比实测。研究对象西侧有国旗杆，可以借此人工观测垂直参考高度的风速风向。实测场地形状长方形(长58 m，宽40 m)，西北-东南朝向，绿地中间为草坪，四周是一排悬铃木，下垫面材料为草地。场地四周悬铃木行道树为同一品种，实测的遮荫测点位置位于场地东面，该行行道树平均胸径30 cm，树高8 m，冠幅5 m，第一分枝点高3 m，第二分枝点高4 m，树冠层高度约4 m。叶面积指数根据北京林业大学提出的计算方程[12],，1株胸径30 cm的悬铃木的叶面积为：S=22.48×35-38.48=635.92(cm2)。

1.3 测试方案

1.3.1 测试布点

本次测试采用垂直布点的方式。有遮荫的测点是在场地南北向的高8 m的一排悬铃木中选择了中间的一棵，在树干附近垂直立杆，将温湿度记录仪固定在测试杆上。共设置了8个垂直温湿度测点，从下到上的高度分别是0.05 m，0.3 m，1.5 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m，高度分层分别反映了地面层、草坪冠层、人体活动区、树冠下缘、树冠内，以及树冠表面，如图1所示。

1.3.2 对比测点

场地无遮荫测点选择在有遮荫测点附近，无林荫遮蔽全日照条件位置，下垫面都有草坪，测点高度分布与有遮荫测点一致。自然气候条件中的空气温度、湿度基准数据是利用国家基准气象站上海虹桥气象站的气候数据(1.5 m高度的数据)。

1.3.3 测试时间

上海夏季典型高温日7月27日测试期间虹桥气象站气象参数如下：最高温度38 ℃，最低气温30 ℃，风向为东南风或南风，风速3～4级，平均相对湿度61%，最大湿度79%，最小相对湿度42%，大部分时间晴朗少云，测试时间为6∶30—18∶30。当天日出时间5∶08，日落时间18∶53。由于两测试点分布位置不同，同时测试杆的高度为8 m，两测试点接受到太阳照射的具体时间段有所不同。其中无遮荫测试点的所有高度完全接受太阳照射的时间范围是8∶00—16∶30，有遮荫测试点受太阳高度角影响，在6∶30—8∶00和14∶30—16∶30两个时间段树冠下缘到地面还能受到太阳照射。

图1 测点分布示意图

2 测试结果分析

2.1 有遮荫测试点垂直高度温度变化状况分析

从图2可以看出，树冠内部以及树冠表面(6、7、8 m)的温度在7∶30—14∶00一直都比冠层下方各高度的空气温度高。尤其8 m高度的树冠表面测点由于受到太阳照射，白天大部分时间段的空气温度相对于其他高度都是最高的，最高温度在12∶30达到了47.6 ℃。7 m的树冠内高度在7∶30—9∶30的时段有明显高峰，6 m树冠高度在9∶00—10∶00有温度波峰，时间出现得比7 m稍晚，说明较高处的树冠先开始蒸腾，然后高度逐渐向下发展。随着时间推移，蒸腾导致的局部高温都汇聚在树冠表面，使树冠表面的高温时间持续了7个小时，最高温度比7 m树冠内的温度要高8.2 ℃，到14∶30后树冠表面温度产生明显下降。地面以及0.3 m高度在下午14∶00后由于受到太阳照射，温度上升的主要原因是太阳辐射。在下午16∶00点所有的测点都出现了小高峰，而此时温度最低的高度是6 m，即树冠内。大部分时间在垂直高度上的温度变化都是随着高度从高到低逐渐递减。代表草坪冠层高度的0.3 m，虽然在早上7∶00—8∶30温度有轻微的波峰，高于4～6 m的温度，说明草坪虽然有蒸腾作用，但因其叶面积指数太低从而对温度影响幅度不明显。

图2 有遮荫树干中心垂直测点空气温度

从图3中可以看出，位于树冠表面8 m测点的温度在8∶30—14∶30都比无遮荫的对比测点的温度高，最高的温差达到了5.1 ℃。在同样接受太阳直射的情况下，树冠表面因为植物的蒸腾作用使树冠中的高温汇聚在树冠表面，是两测点8 m高度产生温差的主要原因。

图3 8M空气温度对比

2.2 无遮荫测试点垂直高度气温变化状况分析

从图4可以看出，在无遮荫的情况下空气温度的垂直分层规律并不是按照高度变化出现相应的变化规律，除了主要受到太阳辐射的影响外，空气流动也是影响空气温度的主要自然因素。最高点8 m处在7∶15以后就不再是温度最高的高度了，从9∶00—15∶00，8 m处的温度比1.5 m处还要低，而且在10∶00—12∶15，8 m处是场地最低温。7 m是温度变化幅度最大的高度，8∶30—10∶00都是场地最低温(有遮荫测点7 m高度的8：00—9∶30则是迅速升温)，但从12∶30—17∶00点，7 m的温度最高。垂直方向7 m和8 m的温差最大为3 ℃，是否可以假设存在水平方向的空气流动，同样高度的树冠表面层因为蒸腾作用，而把水平方向上的周围温度降低了。由于无遮荫阻拦太阳辐射，8∶30—15∶30时段地面温度都比1.5 m处高，仅在12∶30低于1.5 m处。

图4 无遮荫垂直测点空气温度

2.3 两测试点空气湿度变化状况分析

从图5可知，有遮荫测试点的空气湿度在14∶30以前基本是随着高度升高而湿度减少的变化规律。其中7m湿度明显减少的时间段为7∶30—9∶30，以及6m湿度明显减少的9∶00—10∶00和它们温度升高的时段一样，说明蒸腾作用使空气湿度迅速变化。14∶30—17∶00地面以及0.3m处的湿度降低是由于太阳照射的缘故。

图5 有遮荫树干中心垂直测点空气湿度

图6 无遮荫垂直测点空气湿度

由图6可知，无遮荫测点的空气湿度和空气温度的变化规律是呈负相关，即温度高的时段是湿度降低的时段。温度最高的7 m处在12∶30—17∶00的空气湿度也是最低的，从各高度变化幅度上看，只有地面层的湿度变化幅度大于其温度变化幅度。

2.4 两测试点各高度空气温度横向对比分析

从图7可以看出，有遮荫测点除了冠层表面高度，其余冠层内以及冠层下各高度的温度都要比同样水平高度的无遮荫测点的温度低，但是6 m和7 m高度因为蒸腾作用，有过短时的高温超过对比高度的温度，以及14∶30以后有遮荫测点的地面层以及0.3 m的草坪冠层因为受到太阳照射而温度高于对比测点。

2.5 风速风向观测分析

由于采用自制风速风向条，对风速和风向进行手工记录会对风速风向的精确性产生影响，同时由于风瞬时变化的无规律性，手工记录是以感受到风的时间进行记录，而不是按间隔规律性时间记录。场地西侧的国旗高约20 m，全天观测到的风向和气象站数据一致，以东南方向和南方为主，偶尔会有北风，起风时旗帜大部分能被吹开，估计风速为3级(4～6 m/秒)，表明这个高度的风主要受大气环流影响。场地测试点在6∶30—8∶00观测记录到的瞬时风频较少，8∶00—17∶00不定时观测到瞬时风，其中10∶00—12∶00和14∶00—16∶30两个时段的瞬时风频率较多。风向上，只能通过风速观测条预估水平方向的瞬时方向，是否存在垂直方向的局地空气流动无法准确判断。

图7 两测点各垂直高度空气温度对比图

2.6 有遮荫测点气温变化的作用机制分析

从图8中可以看到，在气温最高点，两测点各高度的气温除了树冠表面测点，其余都是有遮荫低于无遮荫。同样受到太阳照射的情况下8 m树冠表面的温度在8∶30—14∶30时段内比无遮荫对照测点还高，且在气温最高时间12∶30温差最大为5.1 ℃。这说明影响气温变化的原因除了接受太阳辐射导致温度升高外，还有植被叶片吸收太阳短波辐射，并通过蒸腾作用将根系中的水分传输至叶片气孔处，由大气湍流运动引起热量和水汽向冠层内以及冠层上方空气输运，导致植被与大气之间不断进行感热交换和潜热交换，从而影响冠层内外温度和水汽分布[13]。

图8 两测点气温最高时间各高度空气温度对比图

植物通过蒸腾作用大量地从周围环境中吸热, 可以降低周边环境空气的温度[7]。假设这个降低周边环境温度是发生蒸腾作用强烈的树冠表面的水平方向，那本次实测的结果可以实证这个假设的存在∶同样垂直方向，无遮荫测点8 m的温度比同水平位置的树冠表面温度低，也不是垂直方向的最高温度层，并且在10∶00—12∶15时段是垂直方向的最低温。

3 结论

1) 通过实测，明确了夏季悬铃木垂直方向空气温湿度日变化的时段特征，发现树冠层因为蒸腾作用引起的垂直方向以及树冠表面水平方向温湿度变化特征，垂直方向上的最高温度位于树冠表面，并且高于同样高度的无遮荫对比测点。

2) 林荫降温的主要机制还是因为林荫空间阻隔了部分太阳辐射，冠层下和冠层中空气升温速率慢，形成了温差，产生了降温的感受与舒适性改善效应。因为遮荫和蒸腾作用使垂直方向的温差加大，冠层表面和林荫下人活动层的垂直温差最高可以达到10 ℃，因为蒸腾作用对周围环境产生的降温使冠层表面水平方向的温度温差最大达到5.1 ℃。

3) 空间分布因素和日照因素引起的温湿变化是密切相关的，因空间分布位置以及接受日照的角度与时间的不同，从而影响温湿度的日变化特征。植物改善小气候的效应在垂直方向有其自身的作用机制，受蒸腾影响导致的气温变化，虽然高度受乔木高度、树冠高度的影响，但其巨大的温差有可能为产生垂直方向、水平方向的空气流动创造条件。

4) 在没有树荫的情况下，垂直方向的温湿度日变化情况不稳定，没有明显规律，温湿度日变化程度不如有树荫的变化大。垂直方向的空气温度虽然主要受太阳辐射影响，但垂直方向上的湍流热交换作用和水平方向上的来流空气热交换作用可能都会对空间中的温湿度产生影响[14]。

4 讨论

在垂直方向进行小气候因子实测研究还处于探索阶段，且受实验材料、器材的限制，采用先易后难的步骤，本次实验先选择了简单的室外空间形式和单一的植物种类。由于对照测点受实验器材限制只选择了一个，无法更准确地测试乔木蒸腾作用对周围环境多方位降温效应发生的方式、方向、比例等情况，如继续深入测试植物垂直方向的大气湍流特征，观测植物与垂直方向小气候环境相互作用的关系等需要在大气科学、空气动力学等学科知识的综合运用下设计更加深入而详细的实验方案。本实验为研究植物改善室外小气候舒适性在空间垂直分层高度的实测提供了参考。