论文部分内容阅读
摘要：伴随干旱绿洲区快速城镇化而产生的热岛效应，会削弱绿洲的冷湿岛效应，影响当地居民生活的舒适度。选取干旱绿洲区校园5种典型地表，观测地表反照率与地表温度。结果显示，地表反照率与地表温度在不同地表间差异显著，地表反照率与地面物质的热物理性质共同影响着地表温度。而且人工地面的表面温度显著高于天然草坪，会导致高强度的显热释放，增强热岛效应。建议在校园建设过程中应该以天然绿地为主，注意人工地面材料选择与合理布局。
关键词：天然草坪；人工地面；反照率；地表温度；环境效应
太阳辐射是地球表层能量的主要来源。它不仅决定着地球表层各种生态系统的结构与分布，而且通过能量的转化与传输，直接或间接影响局地、区域乃至全球的气候变化。太阳辐射穿过大气到达地表后，除了极少部分用于植物的光合与呼吸作用外，一部分以感热、潜热以及土壤热传导的形式传输到大气与土壤，一部分被地表直接反射回大气。地表反照率是地表反射的太阳辐射与到达地表的太阳总辐射的比值，它反映了地表对太阳辐射的反射能力。
由于植被的蒸腾冷却作用，使得位于我国西北干旱区“非灌不植”的绿洲，相对于周围沙漠而言具有冷湿的区域气候特点[1]，成为干旱区人类活动的主要场所。但是，随着城镇化的迅速发展，“热岛效应”日趋增强，严重影响绿洲生态环境与当地居民生活舒适度。但是，在干旱绿洲区城镇化进程中，作为影响地表辐射收支平衡主要因素的地表反照率如何变化，却罕见报道。校园是“微缩版”的城市，具有不同类型的绿化与硬化地面，研究校园内不同地表的反照率特征，对于揭示城市地表能量收支平衡、局地小气候的形成与变化，以及指导校园自然环境建设，提高校园环境舒适性具有重要意义。
一、研究区与研究方法
本研究选择甘肃省张掖市第二中学（张掖二中）为研究区。张掖二中坐落于甘肃省河西走廊中段的张掖市甘州区，甘州区平均海拔1474 m，属温带大陆性气候，气候干燥，多年平均降水量仅为120 mm，年蒸发能力却高达2047 mm。张掖二中占地128亩，校园绿化较好，道路主要由砂石混凝土构成，人行道铺设花砖，操场铺设塑胶跑道，中心为人造草坪，是张掖市“园林化单位”。
为了比较不同类型地表的反照率及其环境效应差异，选择校园内面积最大的天然草坪、混凝土地面、花砖地面、人造草坪和塑胶跑道5类典型地表，分别用CNR2净辐射传感器（Kipp&Zonen Inc.）与SI-111红外温度传感器（Campbell Scientific Inc.）观测地表反照率与地表温度。传感器距离地面1.5 m。为了使各地表观测数据具有可比性，观测在夏季晴天正午（2018年7月2日13：00-14：00）进行，选擇太阳总辐射>1000 W·m-2时刻的数据参与分析比较。数据由CR6数据采集器（Campbell Scientific Inc.）自动采集，采样频率10 s，每30 s记录一次。
采用SPSS 20.0软件（IBM）单因素方差分析（one-way ANOVA）检验地表反照率与地表温度在不同地表间是否存在显著性差异（P<0.05）。
二、结果与分析
在相同的太阳高度角和天气状况下，地表反照率主要受地表颜色、粗糙度、植被覆盖、土壤湿度等下垫面特征的影响。根据试验观测结果，发现张掖二中校园内5种典型地表的反照率存在显著性差异（P<0.05）（图1）。花砖地面表面光滑，具有最小的粗糙度，地表反照率高达0.185。混凝土地面看似光滑，却存在很多蜂窝结构，地表反照率仅有0.134。色彩鲜艳的绿色自然草坪与红色塑胶跑道地表反照率分别是0.175与0.179。外表形态与天然草坪类似的人造草坪由于纤维叶片过度磨损，黑色的橡胶颗粒填充物大量裸露，强烈吸收太阳辐射，使得人造草坪地表反照率只有0.031。
较小的地表反照率意味着更多的太阳辐射被地面吸收，但是地面吸热后的增温幅度还取决于地面物质的热物理特征。塑胶跑道的主要成分是聚氨酯，其导热系数和比热容分别为0.024W·m-1K-1和1.38KJ·Kg-1K-1。聚氨酯良好的热惰性导致塑胶跑道正午地表温度可达51.9 ℃（图1）。显著高于当日最高空气温度（29 ℃）。尽管人造草坪具有最小的地表反照率，但是由于其主要成分聚乙烯/聚丙烯/尼龙相对较大的导热率（0.12～0.48 W·m-1K-1）与比热容（1.68～2.30 KJ·Kg-1K-1），
使得其地表温度与主要以比热容相对较小（0.97 KJ·Kg-1K-1）的砂石材料构成的混凝土和花砖地面近似。与人工地表相比，自然地表的表面温度明显较低。由于水具有较高的导热率（0.60 W·m-1K-1）与比热容（4.19 KJ·Kg-1K-1），使得湿润的自然草坪地表温度仅为33.2 ℃，显著低于具有近似地表反照率的花砖地面与塑胶跑道地表温度（P<0.05）。
三、结论与讨论
本研究通过对张掖二中校园内典型地表反照率与地表温度的观测，得到不同地表的反照率与地表温度数据，结果显示，地表反照率与地表温度在不同地表间差异显著，地表反照率与地表组成物质的热物理性质共同影响着地表温度。而且人工地面的表面温度显著高于天然草坪，这会导致高强度的显热释放，加热低层大气，升高空气温度[2]。特别是塑胶跑道的表面高温，不仅会通过鞋底传到脚掌，增强运动员的不适反映，极易导致严重的健康问题；而且其形成的热岛效应，会造成学生中暑、晕厥，这类事件的报道已经屡见不鲜[3]。因此，在校园建设过程中应该以天然绿地为主，注意人工地面材料选择与合理布局[4]。
参考文献：
[1]胡隐樵，高由禧.黑河实验（HEIFE）──对干旱地区陆面过程的一些新认识[J].气象学报，1994 （3）：285-296.
[2]吴志丰，王业宁，孔繁花，孙然好，陈利顶，占文凤.基于热红外影像数据的典型居住区常见地表类型热特征分析[J].生态学报，2016，36 （17）：5421-5431.
[3]高玖灵，郭敏，王小涛.热岛效应条件下学校塑胶场地安全性的调查研究——以武汉市学校为例[J].武汉体育学院学报，2016，50 （6）：84-89.
[4]冯悦怡，李恩敬，张力小.校园绿地夏季小气候效应分析[J].北京大学学报：自然科学版，2014，50 （5）：812-818.
关键词：天然草坪；人工地面；反照率；地表温度；环境效应
太阳辐射是地球表层能量的主要来源。它不仅决定着地球表层各种生态系统的结构与分布，而且通过能量的转化与传输，直接或间接影响局地、区域乃至全球的气候变化。太阳辐射穿过大气到达地表后，除了极少部分用于植物的光合与呼吸作用外，一部分以感热、潜热以及土壤热传导的形式传输到大气与土壤，一部分被地表直接反射回大气。地表反照率是地表反射的太阳辐射与到达地表的太阳总辐射的比值，它反映了地表对太阳辐射的反射能力。
由于植被的蒸腾冷却作用，使得位于我国西北干旱区“非灌不植”的绿洲，相对于周围沙漠而言具有冷湿的区域气候特点[1]，成为干旱区人类活动的主要场所。但是，随着城镇化的迅速发展，“热岛效应”日趋增强，严重影响绿洲生态环境与当地居民生活舒适度。但是，在干旱绿洲区城镇化进程中，作为影响地表辐射收支平衡主要因素的地表反照率如何变化，却罕见报道。校园是“微缩版”的城市，具有不同类型的绿化与硬化地面，研究校园内不同地表的反照率特征，对于揭示城市地表能量收支平衡、局地小气候的形成与变化，以及指导校园自然环境建设，提高校园环境舒适性具有重要意义。
一、研究区与研究方法
本研究选择甘肃省张掖市第二中学（张掖二中）为研究区。张掖二中坐落于甘肃省河西走廊中段的张掖市甘州区，甘州区平均海拔1474 m，属温带大陆性气候，气候干燥，多年平均降水量仅为120 mm，年蒸发能力却高达2047 mm。张掖二中占地128亩，校园绿化较好，道路主要由砂石混凝土构成，人行道铺设花砖，操场铺设塑胶跑道，中心为人造草坪，是张掖市“园林化单位”。
为了比较不同类型地表的反照率及其环境效应差异，选择校园内面积最大的天然草坪、混凝土地面、花砖地面、人造草坪和塑胶跑道5类典型地表，分别用CNR2净辐射传感器（Kipp&Zonen Inc.）与SI-111红外温度传感器（Campbell Scientific Inc.）观测地表反照率与地表温度。传感器距离地面1.5 m。为了使各地表观测数据具有可比性，观测在夏季晴天正午（2018年7月2日13：00-14：00）进行，选擇太阳总辐射>1000 W·m-2时刻的数据参与分析比较。数据由CR6数据采集器（Campbell Scientific Inc.）自动采集，采样频率10 s，每30 s记录一次。
采用SPSS 20.0软件（IBM）单因素方差分析（one-way ANOVA）检验地表反照率与地表温度在不同地表间是否存在显著性差异（P<0.05）。
二、结果与分析
在相同的太阳高度角和天气状况下，地表反照率主要受地表颜色、粗糙度、植被覆盖、土壤湿度等下垫面特征的影响。根据试验观测结果，发现张掖二中校园内5种典型地表的反照率存在显著性差异（P<0.05）（图1）。花砖地面表面光滑，具有最小的粗糙度，地表反照率高达0.185。混凝土地面看似光滑，却存在很多蜂窝结构，地表反照率仅有0.134。色彩鲜艳的绿色自然草坪与红色塑胶跑道地表反照率分别是0.175与0.179。外表形态与天然草坪类似的人造草坪由于纤维叶片过度磨损，黑色的橡胶颗粒填充物大量裸露，强烈吸收太阳辐射，使得人造草坪地表反照率只有0.031。
较小的地表反照率意味着更多的太阳辐射被地面吸收，但是地面吸热后的增温幅度还取决于地面物质的热物理特征。塑胶跑道的主要成分是聚氨酯，其导热系数和比热容分别为0.024W·m-1K-1和1.38KJ·Kg-1K-1。聚氨酯良好的热惰性导致塑胶跑道正午地表温度可达51.9 ℃（图1）。显著高于当日最高空气温度（29 ℃）。尽管人造草坪具有最小的地表反照率，但是由于其主要成分聚乙烯/聚丙烯/尼龙相对较大的导热率（0.12～0.48 W·m-1K-1）与比热容（1.68～2.30 KJ·Kg-1K-1），
使得其地表温度与主要以比热容相对较小（0.97 KJ·Kg-1K-1）的砂石材料构成的混凝土和花砖地面近似。与人工地表相比，自然地表的表面温度明显较低。由于水具有较高的导热率（0.60 W·m-1K-1）与比热容（4.19 KJ·Kg-1K-1），使得湿润的自然草坪地表温度仅为33.2 ℃，显著低于具有近似地表反照率的花砖地面与塑胶跑道地表温度（P<0.05）。
三、结论与讨论
本研究通过对张掖二中校园内典型地表反照率与地表温度的观测，得到不同地表的反照率与地表温度数据，结果显示，地表反照率与地表温度在不同地表间差异显著，地表反照率与地表组成物质的热物理性质共同影响着地表温度。而且人工地面的表面温度显著高于天然草坪，这会导致高强度的显热释放，加热低层大气，升高空气温度[2]。特别是塑胶跑道的表面高温，不仅会通过鞋底传到脚掌，增强运动员的不适反映，极易导致严重的健康问题；而且其形成的热岛效应，会造成学生中暑、晕厥，这类事件的报道已经屡见不鲜[3]。因此，在校园建设过程中应该以天然绿地为主，注意人工地面材料选择与合理布局[4]。
参考文献：
[1]胡隐樵，高由禧.黑河实验（HEIFE）──对干旱地区陆面过程的一些新认识[J].气象学报，1994 （3）：285-296.
[2]吴志丰，王业宁，孔繁花，孙然好，陈利顶，占文凤.基于热红外影像数据的典型居住区常见地表类型热特征分析[J].生态学报，2016，36 （17）：5421-5431.
[3]高玖灵，郭敏，王小涛.热岛效应条件下学校塑胶场地安全性的调查研究——以武汉市学校为例[J].武汉体育学院学报，2016，50 （6）：84-89.
[4]冯悦怡，李恩敬，张力小.校园绿地夏季小气候效应分析[J].北京大学学报：自然科学版，2014，50 （5）：812-818.