北京市區(qū)車輛熱排放及其對(duì)小氣候的影響

王業(yè)寧,孫然好,陳利頂

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

北京市區(qū)車輛熱排放及其對(duì)小氣候的影響

王業(yè)寧1,2,孫然好1,*,陳利頂1

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

快速城市化導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)不斷加劇,超大城市的車輛排熱是影響城市熱環(huán)境的重要因素之一。以北京五環(huán)區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū),通過交通指數(shù)、交通密度、道路長(zhǎng)度等指標(biāo)計(jì)算了交通道路排熱強(qiáng)度,辨識(shí)出北京市區(qū)街道尺度上車輛排熱的時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律；選擇典型位點(diǎn)對(duì)小氣候特征進(jìn)行流動(dòng)與連續(xù)監(jiān)測(cè),構(gòu)建空間與時(shí)間序列上車輛排熱與小氣候特征的定量關(guān)系。結(jié)果表明,交通排熱強(qiáng)度呈現(xiàn)輻射狀空間分布,市區(qū)平均排熱強(qiáng)度為8.6—10.8 W/m2,三環(huán)內(nèi)地區(qū)達(dá)32.2—53.9 W/m2,白天平均排熱強(qiáng)度約為夜間的2—10倍,且早晚高峰期排熱強(qiáng)度最大,非工作日的排熱空間特征同工作日并無明顯差異；主要道路的溫差同08:00時(shí)的交通排熱相關(guān)性最顯著,溫差增幅為0.91 ℃/10 W/m2；車輛排熱與道路草地監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫差有顯著正相關(guān)關(guān)系,溫差增幅約為0.15 ℃/10 W/m2,且排熱對(duì)其溫差有約10—20分鐘的滯后效應(yīng)。車輛排熱的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究有助于科學(xué)規(guī)劃城市道路和景觀,改善城市熱環(huán)境。

交通指數(shù)；交通密度；車輛排熱強(qiáng)度；溫差

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化進(jìn)程的加速,人類活動(dòng)不斷釋放的熱量改變了城市大氣的熱量平衡,加劇了城市熱島的惡化[1- 2]。人為熱主要源于人類新陳代謝、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)及居民生活的能源消耗。人為熱排放使得北京市區(qū)溫度白天增加0.5 ℃,夜晚增加1.0—3.0 ℃[3],引入準(zhǔn)確的人為熱可模擬出更真實(shí)的熱環(huán)境[1,4- 6]。近年來大多數(shù)城市的機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加,所造成的道路擁堵等問題凸顯,Fujimoto[7- 8]等發(fā)現(xiàn)車流高處其地表溫度通常高1.5—3 ℃,在等待信號(hào)燈時(shí)可比附近高約4 ℃,陳哲超[9]車輛單體研究表明空調(diào)開啟的增溫幅度為0.36—0.62 ℃,道路熱排放已成為熱島效應(yīng)形成與維持的重要因素,且大部分集中在街谷[10]，其占總?cè)藶闊嵘踔烈殉^建筑物比重[11- 12]。不同地區(qū)的發(fā)展差異導(dǎo)致車輛排熱差異較大,歐美、日本等研究較多,已構(gòu)建較為完善的數(shù)據(jù)庫如BTS[13],而國內(nèi)的研究較晚仍無數(shù)據(jù)庫可用,如占俊杰和丹利[14]、王志銘和王雪梅[15]僅得出廣州全年排熱量為1.7—2.0×1017J。目前國內(nèi)熱環(huán)境研究中通常將樹木、車輛等因素簡(jiǎn)化或忽略處理,導(dǎo)致街谷尺度的熱環(huán)境評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)精度低,不利于進(jìn)一步探尋城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和熱島控制指標(biāo)。Fujimoto[7- 8]、陳哲超[9]等僅僅對(duì)車輛排熱做了定性研究,俞溪[16]定量分析并未見顯著相關(guān)結(jié)論。本文引入交通指數(shù)這一即時(shí)指標(biāo)以簡(jiǎn)便準(zhǔn)確計(jì)算北京市區(qū)的車輛排熱,并結(jié)合主要道路的小氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),探討交通排熱與溫度的定量關(guān)系,以期為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)路段及其監(jiān)測(cè)位點(diǎn)分布圖Fig.1 Experimental road and location of the observation sites

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

北京位于115.7°—117.4°E,39.4°—41.6°N,地形西北高,東南低,平均海拔為43.5 m。氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候,降水分配很不均勻,全年降水的80%集中在夏季。太陽輻射量全年平均為(112—136)×4.184 kJ/cm2,年均日照時(shí)數(shù)為2000—2800 h[17]。

北京市機(jī)動(dòng)車保有量近年增加非?？?。從1950年的1757輛增至1997年的100萬輛, 2003年翻一番,2012年底達(dá)520萬輛,成為全球汽車保有量最多的城市之一。2012年城區(qū)道路總里程為6271 km,其中快速路263 km,主干道865 km。2012年市區(qū)路網(wǎng)在工作日平均交通指數(shù)為5.2,比2011年增加8.3%[18]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)北京路網(wǎng)規(guī)劃方案將高速公路、快速路及主干道作為主要道路,次干道與支路不予考慮,為使數(shù)據(jù)具代表性,通過百度地圖對(duì)周日與周一不同時(shí)刻的交通預(yù)測(cè)圖進(jìn)行提取,從2:00開始每隔3h采集1次,交通指數(shù)按暢通、緩行、擁擠、嚴(yán)重?fù)矶碌确謩e取I=2、4、6、8四級(jí)。交通密度K是某時(shí)單一車道上車輛的密集程度(輛/km),道路長(zhǎng)度L取其主要道路在各自所轄區(qū)域內(nèi)的總長(zhǎng)度。利用ArcGIS 10.0進(jìn)行數(shù)字化,得到工作日與非工作日不同路況下交通指數(shù)與長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

2014年10月份用手持式氣象站Kestrel 3000及3401筆式溫濕度計(jì)等對(duì)主要環(huán)路的小氣候特征進(jìn)行流動(dòng)監(jiān)測(cè),所選典型位點(diǎn)處于公交車站附近(圖1)；同時(shí)選取北三環(huán)馬甸立交橋北段根據(jù)景觀類型設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),于2015年4月24—25日用WatchDog B102紐扣式溫濕度儀連續(xù)監(jiān)測(cè),點(diǎn)#1為公園內(nèi)植被下作背景值,點(diǎn)#2和#3分別在路西、東側(cè),路旁均為植被區(qū),簡(jiǎn)記為GW(路西植被點(diǎn)Grass_West)、GE(路東植被點(diǎn)Grass_East),點(diǎn)#4旁為商業(yè)建筑區(qū),記為BU(商業(yè)建筑點(diǎn)Building),儀器均置于離地面高度約1.5m處,同期在7:30—8:30、10:30—11:30、13:30—14:30、17:30—18:30四個(gè)時(shí)間段內(nèi)每隔10 min采集其交通密度,分析車輛排熱與空氣溫濕度的關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)處理

不同車型不同燃料其排熱量不同。通過文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果[19]對(duì)實(shí)際道路觀測(cè)到的車輛進(jìn)行處理,按小型車的油耗量為標(biāo)準(zhǔn),得出小型車∶中型車∶大型車=1∶1.5∶4.6的轉(zhuǎn)換系數(shù),對(duì)觀測(cè)結(jié)果歸一化處理為標(biāo)準(zhǔn)車型的交通密度值。

2.3 車輛排熱計(jì)算公式

假設(shè)交通排熱沒有明顯的季節(jié)變化,根據(jù)Grimmond[20]并引入交通指數(shù)計(jì)算車輛排熱強(qiáng)度。

Qi=QV(s)×Vi/Ai

(1)

QV(s)=d×FE×ρ×NHC/365/24/3600

(2)

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 市區(qū)不同時(shí)刻的車輛排熱強(qiáng)度

圖2 北京市區(qū)車輛排熱強(qiáng)度特征Fig.2 The characteristic of vehicle heat intensity in Beijing

北京市區(qū)交通道路的排熱強(qiáng)度呈輻射狀分布。根據(jù)公式得出市區(qū)周一平均排熱強(qiáng)度為8.6W/m2,08:00—17:00時(shí)的平均強(qiáng)度為11.9—15.4W/m2,最高強(qiáng)度達(dá)100.6—133.2W/m2,20:00—05:00時(shí)平均強(qiáng)度為1.0—8.3W/m2,最高強(qiáng)度9.8—78.6W/m2。從以上結(jié)果可以看出,周一8:00時(shí)轄區(qū)排熱強(qiáng)度多為高值,且越靠近市中心的區(qū)域排熱越大,此時(shí)為通勤、通學(xué)高峰期,車輛向市中心集中；晚高峰時(shí)段其排熱強(qiáng)度在格局上呈相似特征。夜間23:00—5:00行車通暢為自由流狀態(tài),車輛排熱基本一致且較低,大多地區(qū)為0.9—4.4W/m2,高值區(qū)為3.8—8.3W/m2。全天三環(huán)以內(nèi)的排熱最多,但中心個(gè)別區(qū)域如故宮、北海地區(qū)因多為胡同車流量小而排熱較低,主城區(qū)集中的道路排熱將更強(qiáng)化其熱島效應(yīng)。三間房地區(qū)排熱值最高,其次是德勝街道、建國門等商業(yè)區(qū),排熱強(qiáng)度通?？蛇_(dá)28.0—37.0W/m2左右。周日的排熱空間特征同周一并無明顯差異,排熱強(qiáng)度上明顯高于周一,最高強(qiáng)度達(dá)周一的2—10倍。

3.2 車輛排熱與小氣候特征的空間相關(guān)關(guān)系

對(duì)環(huán)路各點(diǎn)的小氣候特征與不同時(shí)刻的車輛排熱強(qiáng)度用SPSS16.0進(jìn)行相關(guān)性分析。本文首先對(duì)02:00—23:00時(shí)的排熱與實(shí)測(cè)氣溫差作Spearman線性相關(guān),得出08:00、11:00、17:00、20:00時(shí)的排熱與溫差有顯著相關(guān)性(表1),14:00時(shí)有極顯著相關(guān)性,其中08:00時(shí)的決定系數(shù)R2最大,為0.154,表明08:00時(shí)的排熱強(qiáng)度對(duì)氣溫影響最明顯,其對(duì)應(yīng)的一次線性方程為ΔT=0.0909Q+1.8122,即排熱強(qiáng)度增加10 W/m2,其溫差可增加約0.91 ℃；其次是08:00—14:00時(shí)的平均排熱強(qiáng)度,R2為0.150。同時(shí)對(duì)其相對(duì)濕度差、風(fēng)速等與排熱強(qiáng)度作相關(guān)分析,得出之間并沒有顯著線性相關(guān)性(P>0.05),側(cè)面反映出車輛排熱多為顯熱而非潛熱,則下文在時(shí)間序列上僅對(duì)溫差因素進(jìn)行剖析。

表 1 不同時(shí)刻交通排熱與其溫差的線性關(guān)系

*表示差異顯著;**表示差異極顯著

3.3 車輛排熱與小氣候特征時(shí)間序列上的相關(guān)關(guān)系

3.3.1 定性分析

首先將各點(diǎn)空氣溫度與公園背景值相比得出相應(yīng)的氣溫差值,因25日風(fēng)速較大不利于探究車輛排熱對(duì)熱環(huán)境的影響,故取24日7:00—19:00時(shí)分析各點(diǎn)排熱與其溫差的關(guān)系。

由圖3知早上西側(cè)路段進(jìn)京車輛開始增加,在約10:00時(shí)后GW點(diǎn)溫差高于GE點(diǎn)；14:00時(shí)路西側(cè)車流量減少,其溫差開始降低；17:00—19:00時(shí)路東側(cè)車輛排熱強(qiáng)度增加,GE點(diǎn)溫差高于GW點(diǎn),車輛排熱強(qiáng)度與溫差呈相同趨勢(shì)變化。GW點(diǎn)的排熱強(qiáng)度在08:30時(shí)左右急劇增加,而其溫差在08:50時(shí)有明顯升高,有一定的滯后效應(yīng)；而11:00時(shí)和14:00時(shí)GW點(diǎn)比GE點(diǎn)處高68.6—105.7 W/m2,其溫差相應(yīng)地高1.2—2.4 ℃,18:00時(shí)GE點(diǎn)排熱比GW點(diǎn)處高50.5—55.2 W/m2,其溫差相應(yīng)高0.9—1.3 ℃。

圖3 各點(diǎn)交通排熱強(qiáng)度與其溫差在7:00—19:00內(nèi)的變化Fig.3 The vehicle heat intensity and temperature difference of each site during 7:00—19:00

GE點(diǎn)與BU點(diǎn)處于同一縱線上,但BU點(diǎn)位于輔路,車輛排熱強(qiáng)度變化整體上無明顯差異,白天BU點(diǎn)溫差高于GE點(diǎn)約0.5 ℃,與其排熱關(guān)系不明顯。8:00時(shí)BU點(diǎn)處排熱強(qiáng)度急劇增加,其與GE點(diǎn)的溫差減??；17:00時(shí)BU點(diǎn)的排熱強(qiáng)度比GE點(diǎn)高約46.7 W/m2,溫差相應(yīng)地高約0.4 ℃,與08:00時(shí)不一致,說明建筑物附近的排熱與其溫差關(guān)系不明確。

總體上,車輛排熱有助于道路各點(diǎn)溫差的增加,早晚高峰時(shí)段其車輛排熱強(qiáng)度較高,各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫差有明顯變化,而排熱強(qiáng)度較低時(shí)其溫差波動(dòng)較大,可能與空氣擾動(dòng)有關(guān)。

3.3.2 定量關(guān)系

為進(jìn)一步研究排熱對(duì)其溫差的影響對(duì)各點(diǎn)的車輛排熱與溫差值作相關(guān)性分析(圖4),可知兩者線性關(guān)系有空間異質(zhì)性。GW點(diǎn)位于道路中段,車輛排熱相對(duì)較穩(wěn)定,其線性正相關(guān)性達(dá)顯著水平(P=0.016),回歸方程為ΔT=0.0153Q+0.1456 (R2=0.156),即排熱強(qiáng)度Q增加10 W/m2,其溫差可增加約0.15 ℃；GE點(diǎn)處呈近似顯著相關(guān)(P=0.06),其對(duì)應(yīng)的方程為ΔT=0.0128Q+0.7742(R2=0.237),即排熱強(qiáng)度Q增加10 W/m2,溫差增加0.13 ℃。

圖4 各點(diǎn)交通排熱強(qiáng)度與其溫差的關(guān)系圖Fig.4 The linear relationship between vehicle heat intensity and temperature difference of each site

對(duì)各點(diǎn)延遲的車輛排熱與其對(duì)應(yīng)的溫差進(jìn)行相關(guān)分析(表2),發(fā)現(xiàn)GW點(diǎn)延遲0、10、20、30 min時(shí)均有顯著相關(guān)性,其中延遲10 min時(shí)R2最大,表明車輛排熱對(duì)其溫差有明顯的滯后效應(yīng),其對(duì)應(yīng)的一次線性方程為ΔT=0.0145Q+0.2849 (R2=0.173),即車輛排熱增強(qiáng)10 W/m2,溫差將增加0.15 ℃,同0 min時(shí)溫差增幅持平；GE點(diǎn)則沒有顯著相關(guān)性(P>0.05),表明該點(diǎn)排熱對(duì)其延遲的溫差沒有明顯影響；BU點(diǎn)未有顯著相關(guān)性,可能受建筑物的影響。

表2 各點(diǎn)道路車輛延遲排熱與其溫差的關(guān)系

4 討論

(1)本文計(jì)算交通排熱在方法上與現(xiàn)有研究[3]有一定區(qū)別,文獻(xiàn)中平均排熱值11.34 W/m2與本文結(jié)果無明顯差異,而市中心高峰期的最大排熱值104.3 W/m2小于本文的125.7—166.5 W/m2,其原因在于本文引入交通指數(shù)并將車輛排熱平均至所在轄區(qū)內(nèi),該法減輕工作量且易于推廣至其他研究區(qū),而文獻(xiàn)中將交通排熱按建筑物密度進(jìn)行分配,未考慮真實(shí)的車流量變化。本文的結(jié)果比Anne[19]在新加坡不同功能區(qū)儀器監(jiān)測(cè)的結(jié)論較高,且同車輛密集程度及研究區(qū)面積[2,11]有關(guān)。此外,沒有考慮風(fēng)速可使計(jì)算結(jié)果偏大,而車輛排熱的影響范圍尚需開展研究。

(2)車輛排熱強(qiáng)度與局地溫度有線性關(guān)系，且與空間位置有關(guān)。Fujimoto[7- 8]等、董韶偉[23]研究發(fā)現(xiàn)車流量高處地表溫度和氣溫均有明顯增強(qiáng)趨勢(shì),且幅度同本文空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相近,因流動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上不一致,在08:00時(shí)的排熱強(qiáng)度對(duì)溫差影響最大,且溫差增幅為0.91 ℃ 10 W-1m-2；固定監(jiān)測(cè)與俞溪[16]的結(jié)論有所差別,后者分析得出兩者無顯著相關(guān)性,但有明顯的增溫趨勢(shì)。本文對(duì)各點(diǎn)分別分析發(fā)現(xiàn)GW點(diǎn)有顯著的正相關(guān)性,且該位點(diǎn)排熱對(duì)其溫差有10—20 min的滯后效應(yīng)；GE點(diǎn)有較弱的相關(guān)性,而BU點(diǎn)車流狀態(tài)變化較快且受附近建筑物的影響,其間沒有明顯的線性關(guān)系,也側(cè)面反映出車輛排熱的復(fù)雜性,其機(jī)理研究值得探討。

(3)結(jié)果誤差來源：①采集交通密度間隔時(shí)間較長(zhǎng),無法反映連續(xù)車流狀態(tài)；②計(jì)算交通密度時(shí),對(duì)車型統(tǒng)計(jì)受人為主觀影響,且同車身顏色、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、司機(jī)等關(guān)聯(lián),簡(jiǎn)單的分類可增大誤差；③各點(diǎn)的溫差影響因素多,車體熱輻射及空氣擾動(dòng)對(duì)其也有影響。驗(yàn)證車輛排熱量是難點(diǎn),因?yàn)槠洳⑽淳窒抻诩俣▍^(qū)域內(nèi),另外受外界如周邊建筑排熱的干擾,需要進(jìn)行小尺度的微觀研究。本文因人力等限制未全面考察不同道路的車輛排熱,另外流動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法訂正至同一時(shí)刻,且建筑排熱等因素未考慮；連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)限制了滯后時(shí)間的精度,但可為以后的研究提供參考。

5 結(jié)論

本文引入交通指數(shù)這一即時(shí)指標(biāo)對(duì)北京車輛排熱的空間特征研究有較大的改善,提高了精度且無須進(jìn)行大規(guī)模車流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)主要道路小氣候特征的流動(dòng)和連續(xù)監(jiān)測(cè),探討了車輛排熱、各點(diǎn)與背景值溫差的定量關(guān)系,主要結(jié)論如下：

(1)北京市區(qū)車輛排熱在空間上呈輻射狀分布,且最中心的城區(qū)和五環(huán)較低,三環(huán)地區(qū)最高；白天排熱強(qiáng)度為夜間的2—10倍,凌晨時(shí)最低；非工作日排熱的空間特征同工作日無明顯差異,而在時(shí)間演變上其高值在14:00時(shí)即出現(xiàn)而非工作日的晚高峰,同人們生活出行的習(xí)慣相關(guān)聯(lián)。

(2)不同時(shí)刻的車輛排熱對(duì)環(huán)路流動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)其溫差的相關(guān)程度不同,且在08:00時(shí)對(duì)氣溫影響最明顯(R2=0.154)；而排熱對(duì)相對(duì)濕度、風(fēng)速等沒有顯著相關(guān)性(P>0.05)。

(3)固定位點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明車輛排熱強(qiáng)度與其溫差有顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.156),且排熱對(duì)其溫差有約10—20min的滯后效應(yīng)。而GE點(diǎn)與BU點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)期間受建筑物等因素影響未見顯著相關(guān)性。

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The impact of vehicle emissions on microclimate in Beijing metropolis

WANG Yening1,2, SUN Ranhao1,*, CHEN Liding1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The urban heat island effect is worsening with the rapid urbanization of Beijing. Vehicle heat emissions are regarded as one of the most significant factors affecting the urban thermal environment. The intensity and scale of the impact of vehicle heat should not be ignored given the sharp increase in car ownership in recent years. Taking the region inside Beijing 5thring road as the study area, this paper proposes a feasible method to calculate vehicle heat intensity through the data of transportation index, traffic density, road length, etc. The microclimate data were collected through field sampling at several typical sites. These temperature and humidity data were used to explore the quantitative relationship with vehicle heat intensity in the Beijing metropolis. The results show that vehicle heat intensity distributes in radial pattern in Beijing. The mean heat intensity ranges from 8.6 to 10.8 W/m2and reaches 32.2—53.9 W/m2inside the 3th ring road. The average vehicle heat intensity at daytime is 2—10 times the intensity at nighttime. The maximum value of vehicle heat appears in the mornings and evenings. Interestingly, the spatial pattern of vehicle heat has no significant difference between weekends and weekdays. The vehicle heat intensity at 8:00 a.m. shows a significant correlation with its temperature difference on main roads. The temperature amplification reaches 0.91 ℃/10 W/m2at 8:00 a.m. At some points, we observe a significantly positive correlation between vehicle heat intensity and its temperature difference. We also notice a lag effect (10—20 min) of vehicle heat on temperature amplification. This study could provide useful information for the scientific planning of roads and urban landscapes.

transportation index; traffic density; vehicle heat intensity; temperature difference

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471150, 41230633)

2015- 09- 11;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201509111878

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

王業(yè)寧,孫然好,陳利頂.北京市區(qū)車輛熱排放及其對(duì)小氣候的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(3):953- 959.

Wang Y N, Sun R H, Chen L D.The impact of vehicle emissions on microclimate in Beijing metropolis.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):953- 959.