干旱綠洲區(qū)校園不同地表反照率差異及其環(huán)境效應(yīng)

葛書雅

摘要：伴隨干旱綠洲區(qū)快速城鎮(zhèn)化而產(chǎn)生的熱島效應(yīng)，會(huì)削弱綠洲的冷濕島效應(yīng)，影響當(dāng)?shù)鼐用裆畹氖孢m度。選取干旱綠洲區(qū)校園5種典型地表，觀測地表反照率與地表溫度。結(jié)果顯示，地表反照率與地表溫度在不同地表間差異顯著，地表反照率與地面物質(zhì)的熱物理性質(zhì)共同影響著地表溫度。而且人工地面的表面溫度顯著高于天然草坪，會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)度的顯熱釋放，增強(qiáng)熱島效應(yīng)。建議在校園建設(shè)過程中應(yīng)該以天然綠地為主，注意人工地面材料選擇與合理布局。

關(guān)鍵詞：天然草坪；人工地面；反照率；地表溫度；環(huán)境效應(yīng)

太陽輻射是地球表層能量的主要來源。它不僅決定著地球表層各種生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分布，而且通過能量的轉(zhuǎn)化與傳輸，直接或間接影響局地、區(qū)域乃至全球的氣候變化。太陽輻射穿過大氣到達(dá)地表后，除了極少部分用于植物的光合與呼吸作用外，一部分以感熱、潛熱以及土壤熱傳導(dǎo)的形式傳輸?shù)酱髿馀c土壤，一部分被地表直接反射回大氣。地表反照率是地表反射的太陽輻射與到達(dá)地表的太陽總輻射的比值，它反映了地表對(duì)太陽輻射的反射能力。

由于植被的蒸騰冷卻作用，使得位于我國西北干旱區(qū)“非灌不植”的綠洲，相對(duì)于周圍沙漠而言具有冷濕的區(qū)域氣候特點(diǎn)[1]，成為干旱區(qū)人類活動(dòng)的主要場所。但是，隨著城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，“熱島效應(yīng)”日趨增強(qiáng)，嚴(yán)重影響綠洲生態(tài)環(huán)境與當(dāng)?shù)鼐用裆钍孢m度。但是，在干旱綠洲區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，作為影響地表輻射收支平衡主要因素的地表反照率如何變化，卻罕見報(bào)道。校園是“微縮版”的城市，具有不同類型的綠化與硬化地面，研究校園內(nèi)不同地表的反照率特征，對(duì)于揭示城市地表能量收支平衡、局地小氣候的形成與變化，以及指導(dǎo)校園自然環(huán)境建設(shè)，提高校園環(huán)境舒適性具有重要意義。

一、研究區(qū)與研究方法

本研究選擇甘肅省張掖市第二中學(xué)（張掖二中）為研究區(qū)。張掖二中坐落于甘肅省河西走廊中段的張掖市甘州區(qū)，甘州區(qū)平均海拔1474 m，屬溫帶大陸性氣候，氣候干燥，多年平均降水量僅為120 mm，年蒸發(fā)能力卻高達(dá)2047 mm。張掖二中占地128畝，校園綠化較好，道路主要由砂石混凝土構(gòu)成，人行道鋪設(shè)花磚，操場鋪設(shè)塑膠跑道，中心為人造草坪，是張掖市“園林化單位”。

為了比較不同類型地表的反照率及其環(huán)境效應(yīng)差異，選擇校園內(nèi)面積最大的天然草坪、混凝土地面、花磚地面、人造草坪和塑膠跑道5類典型地表，分別用CNR2凈輻射傳感器（Kipp&Zonen; Inc.）與SI-111紅外溫度傳感器（Campbell Scientific Inc.）觀測地表反照率與地表溫度。傳感器距離地面1.5 m。為了使各地表觀測數(shù)據(jù)具有可比性，觀測在夏季晴天正午（2018年7月2日13：00-14：00）進(jìn)行，選擇太陽總輻射>1000 W·m-2時(shí)刻的數(shù)據(jù)參與分析比較。數(shù)據(jù)由CR6數(shù)據(jù)采集器（Campbell Scientific Inc.）自動(dòng)采集，采樣頻率10 s，每30 s記錄一次。

采用SPSS 20.0軟件（IBM）單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗(yàn)地表反照率與地表溫度在不同地表間是否存在顯著性差異（P<0.05）。

二、結(jié)果與分析

在相同的太陽高度角和天氣狀況下，地表反照率主要受地表顏色、粗糙度、植被覆蓋、土壤濕度等下墊面特征的影響。根據(jù)試驗(yàn)觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)張掖二中校園內(nèi)5種典型地表的反照率存在顯著性差異（P<0.05）（圖1）。花磚地面表面光滑，具有最小的粗糙度，地表反照率高達(dá)0.185?；炷恋孛婵此乒饣?，卻存在很多蜂窩結(jié)構(gòu)，地表反照率僅有0.134。色彩鮮艷的綠色自然草坪與紅色塑膠跑道地表反照率分別是0.175與0.179。外表形態(tài)與天然草坪類似的人造草坪由于纖維葉片過度磨損，黑色的橡膠顆粒填充物大量裸露，強(qiáng)烈吸收太陽輻射，使得人造草坪地表反照率只有0.031。

較小的地表反照率意味著更多的太陽輻射被地面吸收，但是地面吸熱后的增溫幅度還取決于地面物質(zhì)的熱物理特征。塑膠跑道的主要成分是聚氨酯，其導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別為0.024W·m-1K-1和1.38KJ·Kg-1K-1。聚氨酯良好的熱惰性導(dǎo)致塑膠跑道正午地表溫度可達(dá)51.9 ℃（圖1）。顯著高于當(dāng)日最高空氣溫度（29 ℃）。盡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/尼龍相對(duì)較大的導(dǎo)熱率（0.12～0.48 W·m-1K-1）與比熱容（1.68～2.30 KJ·Kg-1K-1），

使得其地表溫度與主要以比熱容相對(duì)較小（0.97 KJ·Kg-1K-1）的砂石材料構(gòu)成的混凝土和花磚地面近似。與人工地表相比，自然地表的表面溫度明顯較低。由于水具有較高的導(dǎo)熱率（0.60 W·m-1K-1）與比熱容（4.19 KJ·Kg-1K-1），使得濕潤的自然草坪地表溫度僅為33.2 ℃，顯著低于具有近似地表反照率的花磚地面與塑膠跑道地表溫度（P<0.05）。

三、結(jié)論與討論

本研究通過對(duì)張掖二中校園內(nèi)典型地表反照率與地表溫度的觀測，得到不同地表的反照率與地表溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，地表反照率與地表溫度在不同地表間差異顯著，地表反照率與地表組成物質(zhì)的熱物理性質(zhì)共同影響著地表溫度。而且人工地面的表面溫度顯著高于天然草坪，這會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)度的顯熱釋放，加熱低層大氣，升高空氣溫度[2]。特別是塑膠跑道的表面高溫，不僅會(huì)通過鞋底傳到腳掌，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員的不適反映，極易導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題；而且其形成的熱島效應(yīng)，會(huì)造成學(xué)生中暑、暈厥，這類事件的報(bào)道已經(jīng)屢見不鮮[3]。因此，在校園建設(shè)過程中應(yīng)該以天然綠地為主，注意人工地面材料選擇與合理布局[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡隱樵，高由禧.黑河實(shí)驗(yàn)（HEIFE）──對(duì)干旱地區(qū)陸面過程的一些新認(rèn)識(shí)[J].氣象學(xué)報(bào)，1994 （3）：285-296.

[2]吳志豐，王業(yè)寧，孔繁花，孫然好，陳利頂，占文鳳.基于熱紅外影像數(shù)據(jù)的典型居住區(qū)常見地表類型熱特征分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36 （17）：5421-5431.

[3]高玖靈，郭敏，王小濤.熱島效應(yīng)條件下學(xué)校塑膠場地安全性的調(diào)查研究——以武漢市學(xué)校為例[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，50 （6）：84-89.

[4]馮悅怡，李恩敬，張力小.校園綠地夏季小氣候效應(yīng)分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，50 （5）：812-818.