下垫面因子指标对城市中心热环境影响的研究

城市下垫面表面由不同性质的材质组成，下垫面因子包括植被覆盖率、反照率和不透水面面积比等指标。下垫面特征变化能够直观反映城市格局及土地利用特征，大量基于遥感的分析证实了城市下垫面材质同地表温度的显著关系。

1）植被覆盖率

植被绿化一直被作为改善城市环境的重要手段，公园及大面积森林绿地会在很大程度上改善城市热岛效应。行道树的遮阳作用也能极大改善夏季街道热舒适度。植被影响温度的过程是综合性的，也是一个复杂的过程，随植被类型、气象条件及时间而变化。但在一定条件下，城市中公园的温度有可能比周围建成区温度还要高。许多研究得到关于树木对热环境作用的共识：树木遮挡太阳短波辐射，同时也干扰地面、建筑表面和天空长波辐射。模拟三种植被覆盖率条件下全天1.5m高度处空气温度变化，在相同建成区条件下，建筑周边场地植被覆盖率为18%、35%和53%。树种统一选择10m高茂密树冠，叶面积密度LAD＞2.0^[14]。结果显示，植被覆盖率最高的样本，中午空气温度最高，凌晨空气温度最低。许多研究都表明，树木通过蒸腾作用能够降低周边的气温，但由于蒸发发生在树冠部分，对近地表空气温度影响不大。大多数时候“大树底下好乘凉”是由于树冠阴影造成的，通过比较三个样本的地表温度，结果显示植被覆盖率增高，正午地表温度下降，凌晨地表温度上升（图2-26，图2-28，图2-29，表2-11）。

图2-26　不同植被覆盖率条件下全天平均空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

图2-27　空地、绿地、树林条件下白天平均空气温度变化

＊资料来源：作者自绘

图2-28　不同植被覆盖率条件下中午和凌晨1.5m高度处平均空气温度比较

图2-29　不同植被覆盖率条件下中午和凌晨平均地表温度比较

＊资料来源：作者自绘

为了探究下垫面植被对热环境的影响，通过ENVI-met软件进行单指标变量模拟，样本条件设为南风风速1m／s，初始温度20℃，相对湿度50%，地点为南京。分别建立1km2空地、绿地、方形树林和十字形树林四个样本，模拟全天温度变化。结果显示在此模拟条件下，空地温度最高，绿地及树林的空气温度低于空地条件下的空气温度，而方形树林的空气温度要低于十字形树林的空气温度（图2-27）。说明植被在某种条件下具有明显的降温效果，而且由于树木的遮阴效果与叶面蒸腾潜热作用，其降温效果要大于绿地，降温效果同时受到绿地或植被的形状影响，形状越规整，降温越明显。

表2-11　不同植被覆盖率条件下空气温度变化

＊资料来源：作者整理绘制(www.xing528.com)

2）反照率与建筑材质

城市冠层表面的反照率影响到城市下垫面对太阳辐射的吸收，ρ=Iρ／ISH，Iρ为反射辐射，ISH为到达下垫面表面的太阳总辐射。反照率越高，城市下垫面得热越少。城市建筑立面、道路、土地由于材质与色彩不同，反照率各不相同。城市表面典型反照率在0.05～0.8之间，颜色越深反照率越低，如沥青路面；而白色粉刷的墙体反照率高达0.8（见表2-12）。高宽比越大，建筑表面对辐射的互相吸收越会增强，反照率则降低，而大量相同高度的建筑会导致屋顶较高的反照率。研究表明，密度增大，高宽比变大，反照率降低；当密度降低时，反照率增高。通过理想条件模拟四种城市中心区下垫面类型热环境特征，沥青路面的白天平均温度最高，绿地的白天平均温度最低（表2-13、图2-30）。

表2-12　不同城市下垫面材质反照率及发射率

＊资料来源：［以］埃维特·埃雷尔，戴维·珀尔穆特，［澳］特里·威廉森.城市小气候——建筑之间的空间设计［M］.叶齐茂，倪晓晖，译.北京：中国建筑工业出版社，2014

表2-13　不同地表材质条件下空气温度变化

＊资料来源：作者整理绘制

图2-30　不同地面材质条件下白天平均空气温度比较

＊资料来源：作者自绘

3）不透水面面积比

不透水性地面比（Impervious Surface Area ratio，ISA）指一定范围内不透水性地面所占比例，不透水性地面是城市建成区下垫面主要组成部分，包括城市道路、广场铺地等硬质地面，对城市生态、环境和气候有着重要影响，与之相对的透水性地面包括水体、土壤、草地等。不透水性地面导致地表温度显著升高，该项指标同地表温度和地表热岛效应的相关性已经被大量遥感研究证实。

城市土地覆盖情况基本由建筑、硬质铺地或道路、裸露土地、草地、植被等类型组成。通过对城市土地覆盖情况进行一定简化与归并，发现不透水性地面比、植被覆盖率、建筑密度三者之间存在一定关联。Hoyano（1999）^[15]在对多摩新城不同居住组团热环境比较分析中，采用了三角图表来直观表示沥青路面、草坪植被和建筑覆盖率的关系（如图2-31）。

图2-31　多摩新城不同样本土地覆盖情况

＊资料来源：Hoyano A，Iino A，Ono M，et al.Analysis of the influence of urban form and materials on sensible heat flux—a case study of Japan's largest housing development“Tama New Town”［J］.Atmospheric Environment，1999，33（24）：3931-3939.