1、冬季和夏季的高溫緩解策略：在溫帶氣候區的現場測量摘要：自然元素，如植被和水體可能有助于減少城市空間在夏季或在炎熱的氣候中的熱度。但是在寒冷季節這種效果很少被研究。本文簡要研究植被和水在夏季和冬季對城市溫度的影響，其中冬季的更全面。這兩項研究都是在兩所處于溫帶氣候的大學校園里的小庭院里進行的。相似材料的比例模型實驗也支持之前的研究。夏季的研究（連同比例模型）是在美國俄勒岡州的波特蘭做的，冬季的研究（連同比例模型）是在荷蘭的代爾夫特做的。夏季的研究表明，有綠色植被的庭院在下午的氣溫和沒有植被的庭院相比，氣溫最多低了4.7 °C。冬季的研究表明，有綠化的屋頂氣溫比白色碎石屋頂上的氣溫要高。

2、這也表明，雖然“黑”院子可以在陽光明媚的冬日保持幾個小時較高的氣溫，但是在有一個水池，并且地面上有大量吸熱物質的庭院里，通常空氣會更溫暖而且會持續更長時間。夏季和冬季的研究都表明，和郊區相比，城市公園的氣溫更低、更恒定，無論是在夏季和冬季。比例模型還表明，雖然和沙礫相比草具有較低的反射率，但是和沙礫、黑色屋頂相比，它可以提供一個更冷的環境。關鍵詞植被和水體;夏季和冬季;庭院;溫帶氣候;城市熱島效應;公園冷卻效果1.簡介城市熱島（UHI）的現象影響城市建筑物供熱供冷的能源需求和人類（以及其他物種）的健康和熱舒適。這種現象的發生主要是因為自然元素（如植被和水體）被人造構筑物更替，而且這些人造物的表

3、面（瀝青和建材）會吸收和緩存太陽能熱.建筑師和城市設計師可以通過把自然元素帶回城市和城市空間來緩解城市熱島效應。一些研究表明，植物和水體在夏天可以減小城市環境的熱島效應;這些自然元素在冬季也可以在市區能量平衡中起到重要作用。在夏季，植被的蒸散和水體的蒸發所需要的熱量需要從周圍攝取，因此導致附近環境的空氣冷卻。例如，在地處亞熱帶濕潤氣候的佐賀（日本）的一個機構的校園中進行的一項研究表明，當樹木的面積增加20時平均日最高氣溫將下降2.7 。一些其他研究也顯示了植被對于降低平均輻射溫度改善戶外熱舒適度的重要性。相比之下在冬季，草木使得局部微氣候更加溫和。有植物生長的水體的冰點低于0。此外，粗糙的植物

4、表面和樹葉及草的體量抵擋了寒風，降低了風寒，并保護莖和植物的根部。土壤的熱量也是導致夜間更高溫度的一個重要的因素。表1總結了一些研究，這些研究調查了夏季植被和水體的保溫效果。很少有研究涉及屋頂綠化、植被和水體在冬季的效果。有人指出，屋頂綠化由于其遮光效果會增加建筑物的采暖能源需求，這在夏天有利但是在冬天就不利。濕潤綠色屋頂中水的導熱性和植被的蒸散也會導致熱損失.Lazzarin. Castellotti發現濕潤綠色屋頂要比典型的絕緣屋頂多傳出40的熱量。此外，麥克弗森.赫林頓表明，在冬季寒冷的氣候條件下，常綠植物不適合屋頂綠化，因為它們的遮光效果減少了太陽能的吸收。在這篇研究論文中，通過在兩個

5、大學校園里夏季和冬季的實地測量來研究植被和水體對微氣候的影響。夏天研究（2013年，7月-8月）是在美國的波特蘭（俄勒岡州）進行，而冬季的研究（2013年，11月-12月）在荷蘭的代爾夫特進行；兩地都是溫帶氣候?，F場測量都是在大學校園里的庭院內完成，因為四合院的形式提供了一個受保護的微氣候，使得不同的變量如植被和水體等之間的的研究、量化和比較更容易進行。2.方法本文是基于兩個位于類似氣候帶的地點在夏季和冬季的實地測量活動（圖1）。主要目的是比較植被和水體在夏季和冬季對于戶外微氣候的熱效應。第一個案例是在美國的波特蘭（俄勒岡州）；第二個是在荷蘭的代爾夫特。圖1 波特蘭和代爾夫特，空氣溫度和相對濕

6、度的對比夏天的研究是在位于美國俄勒岡州波特蘭的波特蘭州立大學（市區校園）校園（圖2 ，a和b ）。波特蘭（北緯45°，東經122°），是典型的溫帶海洋性氣候，夏季干燥炎熱而冬季潮濕寒冷。根據彭-蓋格（CSB）的氣候劃分，波特蘭的氣候被列為干燥的夏季亞熱帶氣候或地中海氣候區。年平均干球溫度為12.4 ，夏季盛行風是西北風。在波特蘭的實地研究中，用HOBO U12-006數據記錄器進行測量（圖2，c）。該裝置的精度為±0.25 ?？諝鉁囟葌鞲衅饔梢粋€白色的太陽輻射屏蔽保護然后附著在HOBO。傳感器的位置的高度為1.4米。測量是在2013年的7月和8月做的。首先，空氣溫

7、度和相對濕度測量在校園的三個院落里進行，持續了兩周。三個庭院分別是光禿禿的、有植被的和有水塘的。其次，對校園園區的空氣溫度進行了為期一周的測量并與城市的郊區進行對比。為此選擇了波特蘭機場（PDX）的氣象站，它位于校園東北方17公里處。冬天的研究是在位于荷蘭代爾夫特的代爾夫特理工大學（ TU Delft）的校園內進行的（圖2，d和e）。代爾夫特（北緯52°，東經4°）的氣候也歸為暖溫帶，夏季濕潤、溫暖（CFB） 。由于海洋寒流的影響，這種氣候和相似緯度的其他氣候相比，冬季更冷更溫和，夏季涼爽。年平均空氣溫度為10.3，盛行風是西南風。在代爾夫特的現場測量運用的是初級數據記錄儀

8、來測量空氣溫度。該裝置的精度是±0.3。數據記錄器被放置在帶有鋁蓋的箱子里，以減少太陽輻射的影響（圖2F）。測量是在在2013年的11月和12月。首先，測量和比較三種不同屋頂（綠色，黑色和白色）上0.3米高度處的空氣溫度，（一周時間，以5分鐘為間隔）。隨后，測定3院落17天的氣溫。第一院子里地上有草，第二個院子是裸露的黑色地面（瀝青），第三庭院有灌木和水池塘。同時，測量了同時期代爾夫特理工大學植物園的空氣溫度，并與位于校園東南方13公里的鹿特丹海牙機場的氣溫進行對比。圖2.(a)為波特蘭在美國的位置。夏季的案例是在波特蘭州立大學的校園里進行，使用的儀器為HOBO數據記錄儀。（d）為代

9、爾夫特在荷蘭和歐洲的位置。冬季案例是在代爾夫特理工大學的校園內進行，用盒子屏蔽了初級數據記錄儀。最后的步驟，按比例做了一個城市庭院的模型，在人工可控的環境下模擬進行了之前的現場實驗。在這個步驟中，唯一變量是模型中用于鋪路和制作屋頂的材料。用1000W的燈作為熱源，用22W臺扇產生風（圖3）。燈的位置和荷蘭代爾夫特6月21日的太陽位置相似。風扇從西南方吹空氣來模擬在荷蘭盛行的西南風。用三種材料來覆蓋屋頂和庭院模型的地面，分別是：黑卡板、白色礫石和帶有土壤的草。礫石和草進行了兩次測試：干燥條件下和濕潤情況下。每個實驗花了12小時：運用燈和風扇6小時，運行風扇6小時。庭院內部和屋頂上方的空氣溫度運用

10、iButton類型的DS1923 - F5溫度傳感器。這種類型的數據記錄器的精度為± 0.5 。實驗在2014年4月在自由運行模式的實驗室進行;因此不會被加熱或冷卻系統影響。光譜反射率和材料的反照率用分光光度計進行了測定（ Perkin Elmer公司制LAMBDA 950紫外/可見/近紅外）。此外，用一臺FLIR T420bx用于熱攝影。圖3.三種不同屋頂和庭院道路的比例模型。3.結果與討論3.1. 夏季研究，美國俄勒岡州波特蘭3.1.1 三個不同的庭院夏季的研究在美國波特蘭州立大學的三個不同的庭院內進行。庭院分別是綠色的，赤裸的和有一個水塘的（圖4，a至c）。綠色庭院（5層）的院

11、落內有灌木和小喬木，磚墻大部分被攀援植物（常春藤）覆蓋。赤裸庭院（1層），有磚墻壁和混凝土路面。有水池的院子（3層）里混凝土鋪地，墻壁為部分磚砌和部分混凝土。三個庭院同時進行測量，以檢測在空氣的溫差。圖4.波特蘭州立大學的校園里，綠色庭院（a），赤裸裸庭院（b），有水池的庭院（c）。圖5是三天內三個庭院空氣溫度的記錄。赤裸的庭院具有最高的最高溫度和最低的最低溫度。這個院子里的溫度在16:30 PM達到了最高值為33.3 ，在6:00AM溫度達到了最低值為15.1 。因此，這個庭院的日溫差最大（18.1 ）。相比之下，綠色庭院表現出最小的晝夜溫差（T=11.5 ），在18:00 PM達到了最高溫

12、度28.7 。裸露的和綠色的庭院之間的溫度差異最大值是在16:30 PM，溫差為4.7 （8月6日，當地日落時間為19:57 PM） 。圖5.波特蘭的三個庭院內的氣溫對比和赤裸庭院對比發現，綠色庭院中植被的高反射率及其蒸散作用導致較低的空氣溫度。在有水池的庭院中測得的溫度竟然是在兩者之間。該庭院的特點有著其他院落所具有的特點：高熱能的物質和水池的蒸發。在夜晚，有水池和綠化的庭院，由于其含有更多的熱能物質，庭院慢慢地將白天吸收的熱量釋放到院落的微氣候中，使得內部環境比赤裸庭院內的溫度高。而且，樹木和灌木叢減少了從地面輻射到天空的熱量。3.1.2.波特蘭公園的冷卻效果圖4顯示了校園公園的位置。公園

13、面積為46m×950m。將公園的空氣溫度與位于郊區波特蘭機場（ PDX ）氣象站的記錄氣溫進行比較，如圖6所示。和有著山峰和水池的公園相比，機場的晝夜溫差更大。在機場測量的最高溫度為31.1 （在16:00和16:30 PM），而同時期的公園溫度為26.2 。記錄中機場的最低溫度為11.7 ，而在公園為14.6 （在6:00和上午06時30分，日出時刻為5:50 AM）。正如所提到的，機場的晝夜溫差比公園要大。白天兩地溫度最大差值為5.0 ，夜間為3.0 。圖6.波特蘭校園公園和郊區機場的氣溫對比3.2 冬季研究，荷蘭代爾夫特3.2.1 這三個不同的庭院下一個步驟，在2013年11月

14、15日至12月30日，在代爾夫特理工大學的校園內（圖7）三個不同的院落中進行了測量。第一個庭院（30 ×31 ）覆蓋有草并且有兩顆樹（a）。第二個庭院（30×58）鋪的是黑色瀝青（b），第三個庭院（15 × 19 ）有水池和灌木叢（c）。這三個院落的方向是從東北朝向西南。每隔三十分鐘記錄一次在地面1米以上的空氣溫度。圖 8顯示了四個代表性日期時庭院的氣溫。在頭兩天，陽光明媚，黑色的庭院有較高的氣溫。這是由于黑顏色和較低的反射率。此外，院落表面沒有蓄熱物質導致晝夜溫差較大。在接下來的兩個陰雨天，該庭院沒有表現三者中最高的溫度。相反，有水池和灌木叢的庭院中氣溫最高。該

15、院落是以水泥馬賽克地磚鋪地，并且面積是三者最小，這使得它受風的影響較小。地面熱量和來自周圍建筑物的輻射熱以及低風速，使得這個庭院比另外兩個庭院都要更暖一點。整體來看，覆蓋有草的綠色庭院氣溫最低；但是最低溫度記錄是黑色的庭院（1.4）。參考圖7 ，綠色庭院靠近植物園，植物園降低了庭院周圍的氣溫。 圖7.代爾夫特的三個庭院（a-b-c），紅色星標處為植物園圖8.代爾夫特庭院中測量的溫度值得一提的是，在諸多影響小氣候的熱行為的因素中，庭院的幾何形狀也是一個關鍵的因素。綠色的庭院是3層樓高（三者中最深的庭院），它吸收的太陽能和另外兩個相比較低。黑色庭院（1層建筑）一個側面是開敞的（東南方），這意味著它

16、可以接收清晨的陽光而且很容易通風。黑色的庭院有1層高，水池庭院周圍有2層樓高。3.2.2. 代爾夫特公園的冷卻效果通常認為由于熱島效應，和郊區相比城市中心的夜間溫度會更高。由于熱應力和建筑物能源消耗，兩個區域之間的時間差大部分是在夏季進行比較。為了和郊區對比，這項研究調查了位于市中心的一個公園而不是市中心。將大學校園的植物園冬季氣溫和代爾夫特農村地區的冬季氣溫進行了比較。位于植物園東南方13公里的鹿特丹海牙機場的氣象站是一個合適的觀測地點。測量是在3013年11月13號至12月30號之間進行的。將數據進行對比（圖9），顯示位于城外的機場大體上氣溫總是稍微高一點。植物園每天氣溫高峰趨勢和機場是一

17、樣的，但有一個短暫的延遲。這種延遲可能是由于城市的熱物質。這意味著該飛機場由于空間開敞所以可以自由地接收太陽輻射，因此更容易變暖，而有著很多吸熱物質的市區由于不同的城市幾何形狀和陰影區則不容易變暖。記錄中機場的最高氣溫為10 ，植物園最高氣溫略低1 并且有2或3小時的時間延遲。還應該提到，氣象站記錄的是在地面1.5米高的空氣溫度。在植物園，測量的是地面1米高度處的氣溫。機場的開放性和有限的蓄熱物質導致機場氣溫在夜間快速下降。因此，夜間機場降溫更快。記錄中機場的最低氣溫為4.1 在上午07時00分（在太陽升起前，太陽升起在8:48 AM）。而同時刻，植物園的氣溫為4.8 。圖9.代爾夫特的植物園

18、和鹿特丹郊區海牙機場的氣溫對比。植物園和機場也有不同幅度的晝夜溫差變化。小范圍則說明晝夜溫度波動小。在這兩個區域，花園氣溫的最大值和最小值之間的差是4.5 ，而機場為5.9 。這表明，植物園的微氣候要比機場更穩定。3.2.3. 三種不同的屋頂在三個不同的屋頂的測量是在2013年12月的前兩周進行的。在代爾夫特，12月21日的最大的太陽角（一年中最短的一天）是中午時刻，15°。在這兩個測量周，三個不同屋頂的空氣溫度每隔10分鐘測一次（圖10）。有綠化的屋頂（景天科植物）下的房間是一個考場，黑色屋頂（瀝青）是一間會議室，白色屋頂（碎石）下的房間是一個辦公室。這些空間的加熱系統是相同的（散

19、熱器），散熱器在18:00和6:00之間是關閉的。表2記錄了變化的特性和峰值溫度，圖11是記錄的溫度。圖10.在代爾夫特測量的屋頂黑色屋頂表面溫度最高，因為黑色屋頂反射率最低，因此太陽能輻射吸收最多。而且，該屋頂的吸熱物質非常少以至于該屋頂可以迅速升溫。但是，這三個屋頂上的氣溫之間的差異很小。它與設備的不準確性有關，因此這個結論應該謹慎對待。在晴天和多云天氣，顯而易見太陽輻射對屋頂的日間氣溫有著很大的影響。不過，引人注意的是，在下午白色屋頂散熱比其他屋頂更快。因為在十二月的下午太陽角度低，這種屋頂比其他兩個屋頂更快被陰影覆蓋。此外，受風的影響，礫石的開敞多孔結構使得礫石最大地暴露表面積，使得冷

20、卻過程更迅速。在夜晚，這個屋頂是最冷的，綠色的屋頂是最溫暖的。圖11.屋頂上方測到的溫度圖12顯示的綠色屋頂.這個屋頂由釉面墻壁保護的（如示于圖12），不容易通風從而減少了熱量隨風的散失。此外，屋頂綠化（土）的熱量在夜間釋放。屋頂綠化的最低溫度始終高于0，而白色屋頂達到了-0.4 。圖12.綠色屋頂。3.3. 比例模型實驗盡管之前的研究是在真實條件中做的，但是他們可能也會被一些看不到的其他因素（如不同的人群活動和不同的鄰居，園區）影響。在這個實驗室的實驗中，唯一的變量是用來覆蓋在屋頂和庭院地面的材料。所用的材料是黑色紙板，白色礫石和草。礫石和草，測定干，濕（一共五個實驗）。黑色紙板的反射率是0

21、.054 ，干草是0.387（干濕都測量）。礫石的反照率是0.72 。圖13顯示的是庭院模型院落內和屋頂上方的標準氣溫。為得到這些標準值，從屋頂和庭院正上方（表面上方5毫米處）的氣溫減去實驗室的環境氣溫。零以上的值意味著該表面上方的空氣比在實驗室空氣溫度高，反之亦然。該溫度6和12小時后繪制。燈（代表太陽）在六小時后被關閉，風扇（作為風源）在12小時之后被關斷，在每個實驗結束時。圖13.模型庭院內的溫度和屋頂上的溫度關于模型的屋頂，在用燈加熱6小時后黑色屋面（最低反射率和最少熱物質）有最高的溫度差（2.7 ）。干砂石屋頂有第二高的溫度差；然而，當在該屋頂加水時，其溫度下降下來，并且比實驗室氣溫

22、還要低（-0.7 ）。干燥和潮濕的草屋頂也比環境空氣溫度低。這項研究并沒有發現干草和濕潤草屋頂之間的顯著差異。這可能是由于水仍然存在于干燥的草的土壤中。然而，可以發現，草在干濕模式下都比周圍氣溫要低；但是礫石需要澆水才能比環境氣溫低。關于庭院的溫度，在6小時加熱后干礫石和黑色路面有較高的溫差（分別是 + 1.9 和1.7 ）。將干燥的礫石和草與其濕潤的情況下進行對比，兩者在干燥情況下經過6小時和12小時之后都有較高的溫度。當礫石路面加水之后，其與干燥模式下的溫度差（4.2 ）比干濕草之間的溫差（2.9 ）差得多。監測12小時后，和另外兩個路面相比，濕草路面溫度最低（ -3.2 ）。另一個很冷的

23、路面材料是濕的礫石（-2.9），而且干礫石和黑色路面之間并沒有顯著的溫差。關于反照率對于模型微氣候的作用，這個實驗表明，礫石（最高的反照率）并不一定提供最冷的環境。草的蒸散作用可以使得屋頂和院落內的氣溫更低。4.結論本文研究了在兩種溫帶氣候下（分別是美國的波特蘭和荷蘭的代爾夫特）植被和水體在夏季和冬季的熱效應。兩所大學的校園被選定為實地測量地點。在這些實地測量之后，進行了一個比例模型的實驗。在夏季研究中，與有植被和水體的院落相比，赤裸的庭院具有最高的溫度。赤裸的庭院在夜間的溫度也是最低。綠色的庭院則由于日間植被反射太陽而相反。在夜間，樹木和灌木減少了從地面輻射至天空的熱量。波特蘭校園公園的溫度

24、與城市的郊區進行比較。據經驗，相對于公園，位于一個開敞場地的機場在日間溫度更高而夜間溫度更低。在這個案例中，還觀察到和機場相比，公園的晝夜溫差更小一些。在冬季研究中，進行了類似的測量。測定了3個院落中的空氣溫度。一個庭院是光禿禿的地面和黑色的小路，一個是有草的地面，第三個有灌木，混凝土磚和水池。第三個院子是最小的，在陰天的溫度是三者最高。黑色光禿禿庭院只有在晴朗天氣的中午前后是最高氣溫。三種不同的屋頂（綠色，黑色和白色）上方的環境空氣溫度也進行了測定。黑色屋頂日間溫度最高，綠色屋頂夜間溫度最高。白色屋頂的日間溫度和夜間溫度都是三者最低。此外，比較冬季代爾夫特理工大學校園內花園的氣溫和鹿特丹-海

25、牙機場的氣溫。類似于在波特蘭的夏季研究，機場白天氣溫最高，夜間氣溫最低。機場再次表現出較高的溫度波動，而公園有一個更穩定的空氣溫度。比例模型也證實，和礫石或黑色材料的庭院以及屋頂相比，有綠色道路的庭院和綠色屋頂有著最低的氣溫。實驗還表明，濕潤的草和礫石具有更好的冷卻效果。最后，從這些現場實驗，可以得出以下結論：在溫帶氣候地區如波特蘭，植被以矮樹木結合攀援植物的形式可以在夏季傍晚時有效降低周圍空氣溫度，可達4.7 。對于有夜間活動的城市空間來說，水池是另一個很好的策略，它可以在白天吸收熱量，在夜間再次釋放，使氣候溫和。在代爾夫特的研究表明，在冬季黑色和綠色屋頂要比白色屋頂的溫度高。這一發現對于那

26、些加熱比制冷更優先的氣候區是很有用的。不同庭院在夏季和冬季的測量結果是根據之前對不同表面特性的城市空間的研究。雖然選擇深色表面有助于庭院在冬季能夠保持小氣候幾個小時的溫暖，但是一個綠色的庭院可以使得微氣候的溫度更穩定，由于其植被的蒸散量以及濕潤的空氣。在夏季和冬季的研究都表明，和郊區相比，有植被覆蓋的公園的氣溫會更穩定和持續。市區中心的公園的氣溫通常比光禿禿的郊區的溫度要低。其他的研究比較，顯示出城市中心的溫度要比郊區高。因此，本文認為，位于城市中心并且有著開放空間的大學校園可以通過增加更多植被和水體來減輕城市的熱島效應。比例模型試驗表明，和礫石相比，具有更低反射率的植被具有更強的冷卻效果。從

27、這項研究的一個重要發現是，屋頂和院落的溫度效應并沒有在冬季表現出和夏季顯著的差別。以前的研究主要集中在夏季的效應，這項研究表明相似的效果可以在冬季進行觀察。答謝筆者很感謝和代爾夫特理工大學植物園的鮑勃爾瑟姆博士的合作以及鮑勃爾瑟姆博士提供的咨詢。附錄圖14顯示經過電燈七小時的照射（以及七小時的風扇）后，模型所用的材料的表面溫度。黑色材料，干草，濕草，潮濕的礫石和干礫石的表面溫度分別是28.1 ，27.8 ，20.9 ， 24.5 和28.1 。這個數字說明了和干燥狀態下相比，濕潤后的草和礫石的表面溫度更低。干礫石和黑色材料具有相同的表面溫度。圖14.實驗中模型所運用材料的對比文獻參考：1 Ok

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