徐　伟， 付海明

(东华大学 a.环境科学与工程学院；b.国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心， 上海 201620)

提高城市绿化率已经成为缓解城市热岛效应、节约能源和提高人体热舒适条件的重要策略[1].植被冠层小气候环境是冷却和调节空气环境的主要因素，日间树冠周围温度相比其他地方普遍低2 ℃，在有些时间甚至可以达到6 ℃[2].研究发现，绿化形式和面积是影响环境温度的主要因素，不同类型植被之间存在差异，并且树的阴影可以有效降低空气温度.然而，在没有阴影的绿化地区或低矮植被地区，空气环境温度也会发生改变，这表明可能是植被蒸发冷却发挥了作用[3-4].文献[5]对炎热的干旱地区的6种景观策略进行了研究，使用树冠和草坪的不同组合与一个架空的遮阳网进行对比，结果发现，采用绿化措施的空气温度要明显低于遮阳网的情况，且遮荫树和草坪组合的情况产生的温度下降高达2.5 ℃.文献[6]研究表明，绿化可以大大改善城市小气候，减轻热岛效应，降低夏季空气温度，随着绿化面积和绿化率的增加，植被使周围环境温度的下降高达4 ℃.这种效果不仅作用于绿化地区本身，更可以影响背风面几千米的地区.因此，增加城市环境中的植被是减轻热岛效应的一种有效方式，并有利于城市中心大气环境温度的降低.文献[7]用现场监测数据和气象模拟的方法对热岛现象的成因和影响进行了讨论，结果表明，地表反照率和植被覆盖率可以有效改变近地表气候.绿化面积的增加可使空气温度降低约2 ℃，在某些情况下，局部空气温度下降可以达到4 ℃.植被影响环境温度，不仅因为其可以阻挡日光直射和产生阴影，且植被叶片的蒸腾作用也是决定因素[8].文献[9]研究了植被和城市农业的蒸腾量对缓解城市温度的影响，结果表明，城市环境中的树冠可以导致周围环境温度降低0.5～4.0 ℃.文献[10]利用地面激光扫描(TLS)的三维树木冠层和遮阴数据分析植被的冷却效果，发现树的冷却效果随树冠大小和密度、叶的光学性能的不同而变化，树冠体积和叶面积指数导致的降温峰值可达到3 ℃，对4种林地(香樟、水杉、广玉兰、阔混交林)进行对比分析可知，水杉林地降温效果最大，其余由大到小依次是香樟、广玉兰、阔混交林林地.此研究结果可用于指导及帮助城市绿地规划选择最好的树种.

综上所述，植被绿化具有降低环境温度、增加环境湿度的作用，是缓解城市热岛效应的有效手段，然而关于树冠结构特性对环境温度影响的定量研究较少，不利于通过城市绿化及规划设计的方法缓解城市热岛效应.因此，本文通过风洞试验对绿色植被的叶面积指数、环境的流动风速及温度与树冠的降温效应进行测试，旨在于探讨单一品种树冠的降温效应与其主要影响因素的关联关系，为城市的绿化及规划设计提供理论依据，以便提高城市绿化率及缓解城市热岛效应.

1　风洞试验

1.1　植被对环境温度的影响

植被对环境温度的影响主要包含3个方面：(1)遮阳降低太阳辐射得热；(2)植物的蒸腾作用将太阳辐射转化为潜热来调节日光导致的热增益；(3)叶片表面与空气的对流换热[6].本文主要研究树冠对来流空气的温度影响，因此遮阳效果对试验影响较小，主要考虑后两方面的影响.

本文将树木当做多孔介质进行处理，并作如下简化：将冠层部分(树叶+树枝)考虑为整体，即将树枝近似为树叶； 忽略树干的影响.本文的试验样本选取新鲜的树枝叶，将其扎成与现实树木冠层相似的形状，且与现实树冠具备相同的热物性，保持置于风洞中的样本与位于行道的树木的物理现象相似.由于上海地区夏季平均风速为3.1 m/s，试验设备的风速范围设定为1～3 m/s.采用风洞试验装置与实际物理现象、几何尺寸及雷诺准则相似.

1.2　风洞试验参数

风洞试验装置如图1所示.A、 B、 C为测试点，A-B为对比段，其间均匀分布着3个风速测孔(如图1中圆圈所示)，B-C为试验段，其长度为0.7 m， D-E为填充区域，其长度为0.5 m，矩形风管横截面尺寸为0.255 m×0.265 m.

1—变频器； 2—风机； 3—加热器； 4—整流栅； 5—干湿球温度计； 6—栅栏； 7—表盘； 8—调压旋钮图1　风洞试验装置Fig.1　Experimental apparatus of wind tunnel

通过改变置于填充区域内的试验树枝的数量以及叶片数，获得不同的叶面积指数和填充率.试验时，通过加热器和调压旋钮输入定常热量获得3种不同的空气温度(25、 30和35 ℃)，调节无级变频装置(0～50 Hz内无级调节)向测试段输送速度为1～3 m/s的连续风.通过热线风速仪在风速测孔处测量风速，利用A、 B、 C 3个测点的干湿球温度计测量温度，并通过表盘连接计算机记录A、 B、 C测点的空气干球温度.

2　试验方案设计

2.1　试验内容

本试验所采用的树叶均为上海地区校园常见常青树种，在3种环境温度(25、 30和35 ℃)条件下，分别测试了5种不同风速(1～3 m/s)下5种叶面积指数树冠的降温效果.试验树叶选择叶片大小适当的大叶香樟树叶，并采用其他树种叶片(小叶香樟、白杨树、灌木)进行了重复试验，以验证不同树种之间是否具有相同的规律.根据叶片尺寸的不同，引入等效直径de，即与叶片具有相同面积的圆的直径.将de≤5 cm的树叶视为小叶片，如小叶香樟；5 cm10 cm的树叶视为大叶片，如白杨树.

2.2　数据处理

依据上述方法采用变频风机改变风速，采用干湿球温度计测量气流经过树枝前后的温度降，获得树枝前后温差与叶面积指数、填充率及风速变化关系曲线.本文定义温度降Δt=tB-tC，为树冠前段空气温度(tB)和树冠后段空气温度(tC)之间的气温差，计算所有的实测温度降并取其平均值.其中A-B段为无填充对比段，通过对比可明显观察到树冠对空气温度的影响程度以及试验误差.

3　结果与讨论

本文旨在探究温度下降系数(Ct)与环境温度(t)、树冠结构参数(叶面积指数(LLAI)和填充率(Vp))、风速(v)之间的关系.目前，国内外关于树冠结构参数对空气温度影响的定量研究成果比较少，本文依据风洞试验结果对其进行简单的量化分析，采用文献[11]提出的树冠温度下降模型，如式(1)所示.

Δt=Ct·t

(1)

本文在式(1)的基础上考虑树冠本身蒸腾作用对周围环境温度的影响，而蒸腾作用与环境温度相关[6]，故假设温度下降系数是关于环境温度、树冠结构参数及风速的函数，改变树冠结构参数及风速进行试验，研究温度下降系数与树冠结构参数及风速的关联.

3.1　叶面积指数和填充率之间的关系

通常可采用叶面积指数和填充率来描述单一品种树冠的结构参数.

叶面积指数又叫叶面积系数，是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数，其是反映植物群体生长状况的一个重要指标.本文采用树叶图像扫描技术，测试树叶的总表面积，采用总表面积与其沿气流流动方向的投影面积之比，可获得单一品种树冠的叶面积指数.

如果将树冠视为多孔介质，那么可采用填充率来描述树冠结构.填充率为树叶的实际体积与其所占有的表观总体积之比.试验采用浸水法进行填充率测试，即将树叶及树枝浸入固定容积的容器内，计算其排除的体积与容器体积之比，即可获得某品种树冠的填充率.

4种不同品种的树冠填充率与其叶面积指数关系测试结果如图2所示.

图2　4种不同品种的树冠填充率与叶面积指数的关系Fig.2　Relationship between filling rate and leaf area index of four kinds of tree species

由图2可知，填充率与叶面积指数成线性正比关系，其线性相关系数与树冠种类相关，二者为非独立自变量，故可采用填充率或叶面积指数来描述树冠结构.本文采用叶面积指数研究其与树冠温度下降系数的相关关系.

3.2　树冠下降温度与其影响因素分析

由相关研究文献及试验结果可知，树冠温度下降的主要影响因素为叶面积指数、风速及环境温度.

本文采用大叶香樟树叶在3种不同环境温度下进行风洞试验，得到树冠温度下降量与风速及叶面积指数的关系图如图3所示.

(a) 25 ℃

(b) 30 ℃

(c) 35 ℃

由图3可知：当环境温度较低为25 ℃时，温降较小且误差较大，无法观察到明显的变化规律，但还是可以看出温降随叶面积指数的增加而增大；当环境温度上升至30 ℃时，已经可以观察到明显的变化规律，温降随叶面积指数的增加而增大，随风速增大而减小，误差也相对减小；当环境温度为35 ℃，这种变化趋势已经非常明显了，试验误差随环境温度增加而减小，在这时已在可以接受的范围内.纵观图3可以看出，温度下降系数与环境温度和叶面积指数成正比，与风速成反比.下面将讨论Ct与这3个参数的具体关系.

由于环境温度为25 ℃时的温降较小且误差较大，这里主要以环境温度为30和35 ℃作为主要讨论依据.由图3可以发现，温度下降系数与环境温度、叶面积指数和风速相关，即Ct=f(it，LLAI，iv)，其中，it为环境温度除以基准温度(取35 ℃)，iv为试验风速除以基准风速(取1 m/s)，实现温度和速度的无量纲化.风洞试验所得温度变化(经过无量纲处理)与风速之间的关系如图4所示.试验所得温度变化(经过无量纲处理)与叶面积指数之间的关系如图5所示.

(a) 30 ℃

(b) 35 ℃

(a) 30 ℃

(b) 35 ℃

根据风洞试验所得树冠温度下降系数与叶面积指数和风速之间关系，本文提出如下表达式：

式中：a、b、c、d、e均为拟合系数.

在以下分析中利用此表达式进行拟合.

根据风洞试验所得温度变化与叶面积指数和风速之间的关系，将所有的试验结果拟合得出：

(2)

所以

Δt=(-3.35×10-2+5.22×10-3×LLAI+

(3)

为了验证式(3)是否适用于其他树种，本文选取其他3种树种进行了重复试验，包括叶片尺寸较小的小叶香樟、叶片尺寸偏大的白杨树以及叶片尺寸与本试验叶片大小相当的灌木树叶.当环境温度为35 ℃、风速为2.5 m/s时，不同树冠的温度下降系数与叶面积指数的关系如图6所示.当环境温度为35 ℃、叶面积指数为8.2时，不同树冠温度下降系数与风速的关系如图7所示.

图6　不同树冠的温度下降系数与叶面积指数的关系(风速为2.5 m/s时)Fig.6　The relationship between canopy temperature drop coefficient and leaf area index of different tree species(when wind speed is 2.5 m/s)

图7　不同树冠的温度下降系数与风速的关系(叶面积指数为8.2时)Fig.7　The relationship between canopy temperature drop coefficient and wind speed of different tree species(when leaf area index is 8.2)

由图6可知，不同树种之间的温度下降系数并不相同，本文提出的树冠温降关联式预测值与不同树冠的试验测试值存在一定偏差.其中：叶片尺寸与本试验相当的灌木树叶的Ct偏差较小，约为15%；叶片尺寸较小的小叶香樟相差最大，特别是叶面积指数极小的情况；叶片尺寸较大的白杨树的Ct与本试验结果偏差较大，约为60%，而且Ct预测与试验偏差随叶面积指数的上升而增大.由图7可以发现，在叶面积指数较小为8.2时，灌木树叶的Ct与本试验拟合结果偏差最小，约为5%，小叶香樟和白杨树叶的Ct均与本试验拟合结果有较大偏差，约为50%，且这两种叶片的偏差程度是相当的.

因此，本文试验结果可以适用于叶面积指数适当的相似尺寸树叶，其他小叶片或者大叶片的树种可能需要进行相关修正.产生偏差的原因除了叶片尺寸之外，还包括人为误差、试验风管的局限性、每次试验需采集新鲜叶片.

由图7可知，不同树冠的温度下降系数与风速的关系变化趋势是基本一致的.本文提出的树冠温度下降系数关联表达式在相近树种间具有一定的适用性，对其进行必要的修正可预测不同树冠的降温效应.

因国内外直接研究树冠结构参数对周围环境温度(主要是来流空气)影响的文献较少，因此无法做直接对比.本文在风洞中进行试验，叶片所类比的树冠和风洞组成了一个微环境，在叶面积指数为11.81的情况下最大温降为1.15 ℃.

4　结　语

本文采用风洞试验的方法，在3种环境温度、5种风速条件下，研究了5种叶面积指数的大叶香樟树冠对周围环境温度的影响规律.依据试验结果，拟合得出树冠温度下降系数与叶面积指数和风速之间的关联表达式.同时，对其他树种进行重复试验，并将试验结果与本文拟合结果进行对比，发现只有叶片尺寸与大叶香樟相似的灌木树叶的树冠温度下降系数拟合结果与试验结果具有高度的相似性，叶片尺寸较小和较大的树种均存在较大偏差.因此，本文拟合的树冠温度下降系数关联表达式可适用于叶片尺寸与大叶香樟相似的树种，如用于其他叶片尺寸的树种，拟合表达式需加入其他参数或进行修正，此内容有待进一步研究.

本文试验结果存在一定的不确定性，多次重复试验后发现每次测试结果存在一定偏差，可能是测量仪器本身的精度局限性对结果造成的偏差.另外，本文试验仅在实验室进行，未在其他地区进行验证，具有一定的地域局限；采取风洞试验的形式，树叶的堆积形态与实际树冠存在一定差异；风洞试验风管的局限性可能导致叶面积指数较大时与实际环境下的树冠结构参数存在较大差异.上述这些因素对本文树冠温降关联式的预测结果有一定影响，有待进一步完善.

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