城市單株喬木三維冷島效應(yīng)特征及其蒸散貢獻(xiàn)研究

文海燕 鄢春華 高輝輝 陳摯 黃婉彬 邱國玉

北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院, 深圳 518005;

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 中國的城市化已進(jìn)入中期階段, 截至 2019 年底, 中國常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá) 60.6%, 超大城市及新一線城市超過 80%, 其中深圳市的城鎮(zhèn)化率已達(dá) 100%[1]。建筑材料(混凝土、瀝青等)構(gòu)成的城市下墊面比自然下墊面(植被、水、土壤)反照率更小、熱容性更大、蒸散發(fā)更小[2–3], 加上汽車等交通工具及空調(diào)使用量的增加導(dǎo)致城市逐漸升溫[4–5], 造成顯著的城市“熱島效應(yīng)”。城市熱島效應(yīng)是影響人居環(huán)境、身體健康、可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)演變、生物物候等的重要城市環(huán)境問題[6–8]。

城市植被通過蒸騰作用直接消耗太陽輻射, 改變能量平衡, 同時阻隔長短波輻射及表面反射, 有效地降低環(huán)境溫度[9–10]。目前, 關(guān)于植被產(chǎn)生的冷島效應(yīng)研究主要針對城市綠地(如城市/森林公園[11–16]和行道樹[17–20]等), 且通常利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行二維研究[16,21], 而對城市內(nèi)部小區(qū)域(如單株樹木)冷島效應(yīng)的研究較少[22]。同時, 以往學(xué)者對冷島效應(yīng)的影響因素研究較多, 包括公園規(guī)模[23–25]、植物配置[14,26]和形態(tài)指數(shù)[12,16,27]等; 也有部分學(xué)者利用計算機(jī)模擬建立模型來預(yù)測冷島效應(yīng)[17,20]; 還有研究對冷島擴(kuò)散距離及其影響因素進(jìn)行定性和定量分析[27–28]。這些研究往往基于二維尺度, 能在一定程度上反映冷島的特征。三維尺度能更精確地描述冷島效應(yīng)的立體分布特征, 但從三維尺度探究冷島效應(yīng)的研究目前還沒有。

本研究基于能對三維立體進(jìn)行蒸散發(fā)觀測與估算的唯一方法——熱紅外遙感+三溫模型, 對城市單株喬木小葉榕的蒸散發(fā)和溫度進(jìn)行精細(xì)的觀測,研究蒸散發(fā)與冷島效應(yīng)強(qiáng)度的空間分布特征, 揭示二者之間的定量關(guān)系, 為城市熱環(huán)境的有效調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗與方法

1.1 觀測實驗

如圖 1 所示, 本文實驗區(qū)域位于中國廣東省深圳市南山區(qū)西麗大學(xué)城北京大學(xué)深圳研究生院校園(簡稱“北大園區(qū)”)內(nèi)。

圖1 研究區(qū)域與研究對象Fig. 1 Study area and study object

研究對象為城市微尺度內(nèi)的單株喬木小葉榕(Ficus microcarpa), 樹高約為 11 m, 胸徑約為 44 cm, 樹冠表面積約為 46 m2。小葉榕是亞熱帶地區(qū)典型的四季常綠喬木, 也是南方的主要樹種。

采用地面觀測的方法對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集, 包括空氣溫度(Ta)、葉片表面溫度(Ts)、樹冠凈輻射(Rn)和液流密度(Tr)等。采用溫濕度傳感器(CS215,Campbell, 美國)、熱紅外成像儀(IR Flexcam Ti55FT Thermal Imager, Fluke Corp., 美國)、凈輻射儀CNR4(Kipp& Zonen, 荷蘭)和 SF-G 型熱擴(kuò)散式樹干液流測定裝置進(jìn)行觀測。實驗設(shè)計為 24 小時觀測,每 2 小時一次, 從早上 6:30 至次日凌晨 4:30, 觀測期為2019 年 8 月20 日至 2019 年 8 月 24 日。

假定小葉榕為一個平行六面體, 根據(jù)小葉榕長勢走向確定觀測面, 其中 ST 為小葉榕頂部平面, SF為前部側(cè)面, SL 為左部側(cè)面, SBa 為后部側(cè)面, SR 為右部側(cè)面, SBo 為底部平面。如圖 2 所示, 共選擇 6個觀測點, 0～5 分別對應(yīng)觀測面 ST, SF, SL, SBa, SR和 SBo。

圖2 實驗觀測面及觀測點位置Fig. 2 Location map of experimental observation surface and observation point

1.2 三溫模型

三溫模型通過表面溫度、參考表面溫度和氣溫3 個核心溫度參數(shù)來估算蒸散發(fā)速率, 是城市植被蒸散發(fā)估算的重要方法[29–31], 因操作方便、計算簡便且精確, 已應(yīng)用于多種蒸散發(fā)場景[32–34]。在計算植被蒸散發(fā)時, 三溫模型以地表能量平衡方程(式(1))為基礎(chǔ), 引入?yún)⒖贾脖?干燥、無蒸騰的植被)的概念, 可以避免空氣動力學(xué)阻抗等參數(shù)的復(fù)雜計算和誤差, 簡化蒸散發(fā)的計算過程, 提高蒸散發(fā)計算的精度。

其中,Rn為凈輻射(W/m2),H為顯熱通量(W/m2), LE為潛熱通量(W/m2),G為地表熱通量(W/m2)。本文研究區(qū)域處于植被覆蓋區(qū), 土壤熱通量較小可以忽略, 故式(1)可以改寫為

顯熱通量Hc表示為

其中,ρa(bǔ)ir是空氣密度, 為 1.29 kg/m3;Cp為空氣定壓比熱(J/(kg·°C));Tc為植被表面溫度(°C);Ta為氣溫(°C);rah為空氣動力學(xué)阻抗(s/m)。

在觀測植被附近, 引入綠色紙片作為參考葉片,由于參考葉片和觀測植被處于相同的環(huán)境中, 且不會對觀測區(qū)的氣溫、濕度、風(fēng)速或其他氣象條件產(chǎn)生明顯的影響, 因此, 假設(shè)該參考葉片的空氣動力學(xué)阻抗和氣溫與周圍觀測植被近似相等(rah=ra,cp,Ta=Ta,cp)。參考葉片不會發(fā)生蒸騰作用, 故蒸騰速率為0, 根據(jù)式(2)和(3)可得

植被表面溫度由熱紅外成像儀測得并取平均值。

1.3 冷島效應(yīng)強(qiáng)度

本研究中冷島效應(yīng)強(qiáng)度表征為小葉榕葉片表面溫度與附近約 1.5 m 處氣溫之差:

其中, UCI為小葉榕的冷島效應(yīng)強(qiáng)度(°C),Tsurface為小葉榕的表面溫度(°C),Tair為小葉榕葉片附近1.5 m處的空氣溫度(°C)。

為了詳細(xì)地描述小葉榕產(chǎn)生的冷島效應(yīng)強(qiáng)度,本文選取6個典型觀測面, 對小葉榕不同部位的冷島效應(yīng)進(jìn)行分析, 如頂部(SF)的冷島效應(yīng)強(qiáng)度為

UCISF為小葉榕頂部的冷島效應(yīng)強(qiáng)度(°C),TSF_surface為小葉榕頂部的葉片表面溫度(°C),TSF_air為小葉榕頂部葉片附近的空氣溫度(°C)。

2 結(jié)果與討論

為了探討城市區(qū)域內(nèi)微尺度下的城市喬木產(chǎn)生的冷島效應(yīng)及其蒸散發(fā)貢獻(xiàn)機(jī)制, 首先分析溫度表征的冷島效應(yīng)強(qiáng)度特征和小葉榕的蒸散發(fā)特征, 然后對兩者進(jìn)行對比分析, 從蒸散發(fā)的角度對冷島效應(yīng)的形成機(jī)理進(jìn)行探討。

2.1 三溫模型的驗證

Yan 等[34]和 Qiu 等[35]將三溫模型從二維推廣為三維, 并應(yīng)用于蒸散發(fā)的計算。本文采用三維三溫模型, 對全天的蒸散發(fā)進(jìn)行樹干液流法驗證, 結(jié)果如圖 3 所示?？梢钥闯? 皮爾森相關(guān)系數(shù)為 0.83,RMSE=0.07 mm/h,R2=0.68, 擬合方程為y=1.02x–0.04。由此可見, 三溫模型估算的蒸散發(fā)率與樹干液流所測蒸散發(fā)率之間有較強(qiáng)的相關(guān)性, 且斜率接近 1, 表明三維三溫模型能夠應(yīng)用于城市微尺度下的喬木蒸散發(fā)估算。

圖3 24 小時三溫模型與樹干液流法觀測的小葉榕蒸騰速率回歸分析Fig. 3 Regression analysis of transpiration rate of Ficus microphylla by 24-h three-temperature model and trunk fluid flow method

2.2 冷島效應(yīng)特征

本文對小葉榕 6 個觀測面的表面溫度及其附近一定距離處的氣溫進(jìn)行觀測, 各部位的冷島效應(yīng)強(qiáng)度如圖 4 所示。

圖4 小葉榕不同部位的冷島效應(yīng)強(qiáng)度特征Fig. 4 Characteristics of cool island effect in different parts of Ficus microphylla

可以看出, 日間小葉榕的各個部位均有明顯的冷島效應(yīng), 與以往的大尺度研究結(jié)果(如以色列特拉維夫覆蓋草地的城市公園白天比建筑密集區(qū)更涼爽[14])一致。由此說明, 白天樹木具有降溫效應(yīng)已是普遍共識, 且樹木的不同部位均具有冷島效應(yīng),城市中樹木和草坪具有互補(bǔ)效應(yīng)[36], 本文研究區(qū)的下墊面為草坪, 故在一定程度上加強(qiáng)了冷島效應(yīng)。

此外, 各部位冷島強(qiáng)度絕對值基本上在 3.0°C以上, 不同部位的最大冷島強(qiáng)度有所不同, 頂部最強(qiáng)冷島效應(yīng)為?3.57°C (2019 年 8 月 22 日 14:30 左右), 前部最強(qiáng)能達(dá)到?5.19°C (2020 年 8 月 20 日8:30 左右), 左部為?3.37°C (2019 年 8 月 22 日 12:30左右), 后部為?3.26°C (2019 年 8 月 24 日 12:30 左右), 右部為?2.97°C (2019 年 8 月 22 日 10:30 左右),底部為?4.17°C (2019 年 8 月 20 日 10:30 左右)。頂部、前部、左部、后部、右部和底部的平均冷島效應(yīng)強(qiáng)度分別為?1.19°C, ?0.96°C, ?0.77°C, ?0.57°C,?0.53°C 和?0.62°C。整體上, 頂部和前部的冷島效應(yīng)更明顯, 持續(xù)時間更長, 前部比其他部位更早達(dá)到峰值。這是因為, 太陽的東升西落使得頂部與前部更早地接受高強(qiáng)度日照, 且時間更長, 為蒸散發(fā)提供了更多的能量。

從圖 4 還可以看出, 從凌晨到清晨(00:30—06:30), 個別部位出現(xiàn)微弱的熱島效應(yīng), 即小葉榕葉片表面溫度高于其附近氣溫, 最強(qiáng)能到達(dá) 1.16°C(2019 年 8 月 20 日 00:30 左右, 后部)。日落后無太陽能輸入, 蒸散發(fā)作用慢慢減弱, 而小葉榕能一直維持低溫, 說明城市喬木的降溫效果持續(xù)時間長。

一般來說, 葉片的儲熱能力差[10], 通過再輻射和對流換熱(顯熱)及蒸騰潛熱來保持自身低溫[37],因此日落后小葉榕冷島效應(yīng)一直持續(xù)的原因有待進(jìn)一步探究。

2.3 蒸散發(fā)分布特征

吸收太陽輻射是植被的重要能力[10], 且主要用于蒸散發(fā)。本文對小葉榕 6 個部位蒸散發(fā)速率的分布特征進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖 5 所示。

從圖 5(a)可以看出, 頂部蒸散發(fā)顯著高于其他部位, 12:30 左右達(dá)到峰值(4.86 mm/h), 平均蒸散發(fā)速率為 0.42 mm/h, 這是因為頂部接收的太陽短波輻射最多, 有效接收面積最大; 底部由于上部冠層的遮擋作用, 幾乎沒有蒸散發(fā)產(chǎn)生, 平均蒸散發(fā)速率為–0.06 mm/h; 其他四個觀測面為平行六面體的4 個側(cè)面, 均有一定的蒸散發(fā)產(chǎn)生, 但規(guī)律有所不同, 其中前部與右部規(guī)律一致, 左部與后部規(guī)律一致。前部與右部位于東邊(太陽升起的方位), 較早地接收太陽照射, 因而蒸散發(fā)量回升較早, 約在早上 7:00 開始上升, 上午 10:30 左右達(dá)到峰值(前部為1.08 mm/h, 右部為 0.60 mm/h), 平均蒸散發(fā)速率為0.11 和 0.10 mm/h。左部與后部位于西邊, 即太陽下落的方位, 較晚地接收太陽照射, 故蒸散發(fā)量上升較晚, 從上午約 10:30 開始上升, 12:30 左右達(dá)到峰值(左部為 0.76 mm/h, 后部為 0.29 mm/h), 隨后開始降低, 平均蒸散發(fā)速率為 0.06 和 0.02 mm/h。前部與右部受建筑物遮擋更少, 周圍空間更廣闊, 接收的太陽輻射有效面積更大, 因而蒸散發(fā)峰值更高。左部與后部離建筑物和周圍樹木更近, 受遮擋影響大(尤其后部), 太陽輻射有效接收面積小, 因而蒸散發(fā)量峰值比前部和右部小。

圖5 小葉榕不同部位的蒸散發(fā)分布特征Fig. 5 Distribution characteristics of evapotranspiration in different parts of Ficus microphylla

從圖 5(b)可以看出, 整體而言, 夜間的蒸騰量微弱(不超過 0.05 mm/h)。頂部與底部的蒸騰正好相反, 頂部蒸騰為負(fù), 說明結(jié)露作用強(qiáng)于蒸騰作用,底部蒸騰為正, 說明蒸騰作用在底部更強(qiáng)。前部與右部變化規(guī)律一致, 波動小, 蒸騰基本上為負(fù), 說明結(jié)露作用比蒸騰作用強(qiáng)。左部與后部變化規(guī)律基本上一致, 波動較大, 蒸騰基本上為正, 說明蒸騰作用比結(jié)露作用更強(qiáng)。

2.4 冷島效應(yīng)的蒸散貢獻(xiàn)機(jī)制分析

圖 6 顯示小葉榕的冷島效應(yīng)強(qiáng)度與蒸散發(fā)速率的關(guān)系, 采用皮爾森相關(guān)系數(shù)進(jìn)行評估?？梢钥闯?冷島效應(yīng)強(qiáng)度與蒸散發(fā)速率有較強(qiáng)的相關(guān)性, 相關(guān)系數(shù)為?0.70, 說明植被的蒸散發(fā)越強(qiáng), 冷島效應(yīng)越顯著, 并且蒸散發(fā)速率每增加 1 mm/h, 可以降溫3.56°C。

圖6 小葉榕整樹冷島效應(yīng)與蒸散發(fā)的相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Correlation between cool island effect and evapotranspiration of the whole tree

表 1 顯示蒸散發(fā)對各部位冷島效應(yīng)的貢獻(xiàn), 可以看出, 小葉榕不同部位的冷島效應(yīng)不完全與蒸散發(fā)密切相關(guān), 頂部相關(guān)性最顯著, 表現(xiàn)為蒸散發(fā)越大, 冷島強(qiáng)度越大。

表1 各部位蒸散發(fā)對各部位冷島效應(yīng)的貢獻(xiàn)Table 1 Contribution of evapotranspiration to cool island effect of different parts

具體來說, 頂部的蒸散發(fā)與冷島效應(yīng)相關(guān)性最高, 這是因為頂部太陽照射面積和強(qiáng)度相較其他部位更強(qiáng); 底部呈現(xiàn)顯著相反的關(guān)系, 說明底部的冷島效應(yīng)主要是由遮蔭及其他因素造成。其他部位產(chǎn)生的冷島效應(yīng)與該部位產(chǎn)生的蒸散發(fā)有一定程度的相關(guān)性, 但比頂部和底部弱, 說明還有其他影響顯著的因素存在(比如, 從空氣中吸收的顯熱)。

表 2 顯示不同部位蒸散發(fā)對整樹冷島效應(yīng)的貢獻(xiàn), 可以看出, 不同部位產(chǎn)生的蒸散發(fā)對整樹冷島效應(yīng)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有所不同。頂部、前部和右部的蒸散發(fā)與整樹的冷島效應(yīng)相關(guān)性較為明顯, 相關(guān)系數(shù)絕對值大于 0.60, 且頂部的相關(guān)性(?0.62)低于前部(–0.68), 說明頂部還存在其他重要的影響因素, 也可能是由于分析采用的權(quán)重法減弱了頂部的重要性, 增強(qiáng)了前部的重要性; 左部的蒸散發(fā)與整樹的冷島效應(yīng)相關(guān)性較弱; 后部和底部產(chǎn)生的蒸散發(fā)對整樹冷島效應(yīng)的貢獻(xiàn)最弱, 甚至相反。由于每個部位的環(huán)境及光照條件不同, 使得蒸散發(fā)強(qiáng)度有所差異, 或存在其他因素(如風(fēng)速、顯熱通量和遮擋條件等)的影響, 有待進(jìn)一步探究。

表2 不同部位蒸散發(fā)對整樹冷島效應(yīng)的貢獻(xiàn)Table 2 Contribution of evapotranspiration from different parts to cool island effect of whole tree

3 結(jié)論

本研究采用三溫模型對蒸散發(fā)進(jìn)行測算, 并結(jié)合觀測所得的冷島效應(yīng)特征進(jìn)行分析, 探究城市中微環(huán)境尺度下喬木產(chǎn)生的局部冷島效應(yīng)特征及其蒸散發(fā)貢獻(xiàn)機(jī)制, 得到如下結(jié)論。

1) 小葉榕各部位的冷島強(qiáng)度絕對值基本上在3.0°C 以上, 其中頂部與前部的冷島效應(yīng)更明顯, 持續(xù)時間更長, 頂部最強(qiáng)冷島效應(yīng)為?3.57°C, 前部最強(qiáng)能達(dá)到?5.19°C。這是因為頂部與前部接受高強(qiáng)度日照的時間更長, 獲取的太陽能更充足。

2) 小葉榕各部位的蒸散發(fā)隨太陽的東升西落而不同。日間, 東邊(前部和右部)的葉片蒸散發(fā)率先升高, 正午頂部蒸散發(fā)達(dá)到最強(qiáng); 西邊(左部和后部)的葉片蒸散發(fā)較晚達(dá)到峰值; 夜間, 各部位的蒸騰量非常微弱, 不超過 0.05 mm/h。

3) 城市喬木整體的冷島效應(yīng)強(qiáng)度與其蒸散發(fā)正相關(guān), 皮爾森相關(guān)系數(shù)為 0.70, 顯著性低于 0.01,蒸散發(fā)每升高 1 mm/h, 整樹可降低 3.56°C。頂部的蒸散發(fā)對所在部位的冷島效應(yīng)貢獻(xiàn)最明顯, 頂部、前部和右部的蒸散發(fā)對整樹的冷島效應(yīng)貢獻(xiàn)最大,各部位蒸散發(fā)對整樹冷島效應(yīng)貢獻(xiàn)順序為前部>頂部>右部>左部>后部>底部, 即東側(cè)與頂部>側(cè)邊>底部。

致謝 研究得到鄒振東博士的悉心指導(dǎo), 博士研究生秦龍君、王蓓、毛鵬和于凌云以及碩士研究生郝夢宇、劉錦慧、林倩云、曾惠、殷卓君、吳思頡、劉暢、余雷雨、羅婕純一、吳海輪、周琳、熊博文和丁俊杰參與本次實驗觀測, 在此表示衷心的感謝。