鄉(xiāng)村住區(qū)下墊面表面溫度實(shí)測及影響因素分析
——基于冬季紅外熱成像航拍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

■ 程 明 CHENG Ming 周伊利 ZHOU Yili 李 琪 LI Qi 朱 丹 ZHU Dan

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的全面推進(jìn)實(shí)施，鄉(xiāng)村人居環(huán)境受到前所未有的關(guān)注。在各類新型鄉(xiāng)村住區(qū)的建設(shè)中，各類下墊面類型的變化給鄉(xiāng)村熱環(huán)境帶來新的影響。因此，揭示鄉(xiāng)村地區(qū)各類地表下墊面對(duì)室外熱環(huán)境的影響機(jī)制，具有很重要的現(xiàn)實(shí)需求。通過對(duì)各類地表下墊面溫度的實(shí)測，可以了解各類下墊面不同的吸熱性質(zhì)及其對(duì)室外熱環(huán)境不同程度的影響，為今后鄉(xiāng)村地區(qū)室外下墊面設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)采用熱成像無人機(jī)航拍的方式，采集鄉(xiāng)村住區(qū)各種典型下墊面的溫度數(shù)據(jù)，并嘗試探討在不同工況條件下，不同材質(zhì)、不同色彩對(duì)于下墊面溫度的影響以及作用機(jī)制。

1 相關(guān)研究

關(guān)于室外熱環(huán)境的研究成果多集中于城市地區(qū)，也較少關(guān)注不同材質(zhì)下墊面的得熱，而對(duì)于量大面廣的鄉(xiāng)村住區(qū)，相關(guān)研究成果較少。究其原因可能有：①鄉(xiāng)村地區(qū)人口密度低，涉及面較??；②缺乏有效的下墊面溫度測量技術(shù)以及研究方法。在現(xiàn)有的相關(guān)研究中，薛俊杰[1]通過對(duì)四個(gè)徽州古村落夏季室外下墊面主要?dú)庀髷?shù)據(jù)的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，嘗試建立古村落夏季室外熱舒適評(píng)價(jià)體系，并探索了不同下墊面材質(zhì)對(duì)室外熱環(huán)境的影響；燕海南、肖湘東等人的研究[2]則探討了植被、水體等下墊面及建筑等造園要素，對(duì)江南園林微氣候以及人體舒適度的改善作用；高波、徐龍等[3]通過測試及軟件模擬的方式，研究分析了影響室外熱環(huán)境的景觀因素；席旭輝[4]、劉樂[5]分析研究了城市環(huán)境中居住組團(tuán)內(nèi)部下墊面材料、形式與室外熱環(huán)境的關(guān)系，并建立起一套室外熱環(huán)境評(píng)價(jià)體系，針對(duì)現(xiàn)有缺陷，提出針對(duì)性的改進(jìn)建議；盛景四、張偉等人的研究[6]探討了綠化及水體等下墊面對(duì)城市中文化產(chǎn)業(yè)園區(qū)室外熱環(huán)境的影響及相應(yīng)的改善策略；蔣志祥[7]通過分析不同下墊面表面溫度大小及變化規(guī)律，得到水體、植被對(duì)于城市熱濕環(huán)境的影響機(jī)制；勞釗明、李穎敏[8]等利用ENVI-met 定量分析了陰影及不同材質(zhì)下墊面對(duì)夏季城市中室外熱環(huán)境的影響；姜春宏、唐薇[9]等通過對(duì)冬季校園4 種不同下墊面平均輻射溫度、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度的監(jiān)測記錄，探討了不同下墊面對(duì)室外熱環(huán)境的不同影響。杜京通過研究[10]重慶某既有住區(qū)下墊面周圍溫濕度狀況，得到溫度及濕度的分布規(guī)律，利用ENVImet 分析表明，通過種植綠化、提高下墊面反射率和發(fā)射率的方式，可有效改善該住區(qū)室外氣溫。以上研究均只測量不同下墊面上方空氣的溫濕度表現(xiàn)，并沒有直接實(shí)測下墊面的表面溫度，無法直觀體現(xiàn)不同下墊面的得熱情況。

事實(shí)上，鄉(xiāng)村住區(qū)組團(tuán)與城市住區(qū)組團(tuán)有較大的差異：①鄉(xiāng)村住區(qū)組團(tuán)規(guī)模普遍較小，建筑密度較低；②建筑高度以2～3 層為主；③間雜分布在生產(chǎn)、生態(tài)用地之間，熱島效應(yīng)不明顯。因此，鄉(xiāng)村住區(qū)具有區(qū)別于城市住區(qū)的獨(dú)特室外熱環(huán)境特征，而下墊面溫度對(duì)于室外熱環(huán)境有較為顯著的影響，是構(gòu)成鄉(xiāng)村人居環(huán)境的客觀要素。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)場地

研究對(duì)象位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)豐收村，地處浦江郊野公園范圍內(nèi)，周圍水網(wǎng)密集，具有江南水鄉(xiāng)的典型特征。在鄉(xiāng)村振興的大背景下，豐收村部分宅基地以原有容積率、限高10 m 為限制條件，經(jīng)過現(xiàn)代化的建造方式改建、重建后形成魅客小鎮(zhèn)濱江社區(qū)住宅組團(tuán)，具有豐富的室內(nèi)外空間關(guān)系，對(duì)于江南地區(qū)鄉(xiāng)村民居的建設(shè)具有借鑒意義（圖1、2）。

圖1 實(shí)驗(yàn)組團(tuán)鳥瞰

圖2 組團(tuán)中心庭院

魅客小鎮(zhèn)濱江社區(qū)共有三個(gè)組團(tuán)，本次實(shí)驗(yàn)選擇位于河南岸的較大組團(tuán)作為實(shí)測場地。該組團(tuán)共有11 棟住宅，1～3 層，容積率為0.46，建筑密度為21%，建筑限高10 m。組團(tuán)下墊面類型豐富，位置關(guān)系也較為多樣，可提供較多研究維度。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為有效觀測鄉(xiāng)村住區(qū)下墊面溫度變化狀況,本次冬季實(shí)驗(yàn)選擇在2021年2 月4 日開展，在場地內(nèi)部選取13 個(gè)測點(diǎn)（圖3），采用熱成像無人機(jī)作為下墊面溫度觀測工具。

圖3 測點(diǎn)分布圖

實(shí)測時(shí)間集中于白天時(shí)段，分別為11:00、12:30、13:00、14:00、15:00、15:50、16:30 等7 個(gè) 時(shí) 間點(diǎn)。熱成像無人機(jī)在上述時(shí)間點(diǎn)前后起飛拍攝，單次滯空實(shí)測時(shí)間控制在5 min 以內(nèi)，使各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)接近同步（圖4）。

圖4 水泥地面測點(diǎn)熱成像航拍實(shí)測舉例

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過熱成像航拍，獲得13 個(gè)室外下墊面測點(diǎn)在7 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熱成像圖像和溫度數(shù)據(jù)。在每個(gè)無人機(jī)滯空懸停時(shí)段內(nèi)，同一個(gè)測點(diǎn)至少分別讀取2～3 次數(shù)據(jù)并求得平均值，作為該測點(diǎn)在該時(shí)刻的溫度，以減少偶然誤差。通過箱型圖分析，數(shù)據(jù)中異常點(diǎn)極少（圖5）。

圖5 各測點(diǎn)溫度數(shù)值箱型圖

3 結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)選取的13 個(gè)測點(diǎn)包含了水泥地面、彩色石子、廣場磚、淺色石板4 種硬質(zhì)下墊面以及水體、草地、灌木叢、泥地4 種自然下墊面（表1）。

表1 不同類型下墊面的溫度統(tǒng)計(jì)表

3.1 水體表面溫度

場地周圍水體位于實(shí)測組團(tuán)北側(cè)，測點(diǎn)01 所處的西北側(cè)水面較為開闊，面積較大。

從溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，水面溫度在測試時(shí)間段內(nèi)的最高溫度為11.0℃，出現(xiàn)在中午12:30 前后；最低溫度為6.5℃，出現(xiàn)在16:30 前后；測試期間波幅較小，為4.5℃，體現(xiàn)出水體較好的熱穩(wěn)定性（圖6）。

圖6 水體測點(diǎn)溫度

3.2 泥地表面溫度

測點(diǎn)02、03 位于新建住宅組團(tuán)的西側(cè)泥地。從溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，測點(diǎn)02 的溫度最高值為12.8℃，出現(xiàn)在12:30 前后；最低值為5.1℃，出現(xiàn)在16:30 前后；測試期間波幅為7.7℃。測點(diǎn)03的溫度最高值為7.4℃，出現(xiàn)在14:00 前后；溫度最低值為5.6℃，出現(xiàn)在16:30 前后；測試期間波幅為1.9℃。

與測點(diǎn)03 相比，測點(diǎn)02 的最高溫度出現(xiàn)時(shí)刻較早；測點(diǎn)02 在13:00之前的溫度值明顯高于同時(shí)刻測點(diǎn)03 的溫度值，12:30～13:00 之間溫度值迅速下降，在13:00 之后與測點(diǎn)03 的溫度值相接近（圖7）。

圖7 泥地各測點(diǎn)溫度

兩處泥地測點(diǎn)的溫度表現(xiàn)出較大的差異，主要原因是測點(diǎn)03 一直受到周圍建筑物和樹木的遮擋，不受太陽輻射的影響，而測點(diǎn)02 在正午之前受太陽輻射的影響較大，并且與西側(cè)住宅淺色墻面距離較近，同時(shí)接受淺色墻面太陽輻射的反射，因此，其溫度值明顯高于測點(diǎn)03，溫度最高值早至。而午后由于太陽方位角的變化，溫度值迅速下降并逐漸與測點(diǎn)03 相接近。

3.3 草地表面溫度

草地測點(diǎn)共有三處，測點(diǎn)04 位于新建住宅組團(tuán)西側(cè)的草地上，周圍較為空曠，無遮擋物的影響；測點(diǎn)05、06 位于新建住宅組團(tuán)內(nèi)部的建筑物之間，距離建筑物較近，因此，容易受到南側(cè)建筑物的遮擋。

從溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，三處測點(diǎn)的溫度最高值均出現(xiàn)在中午12:30前后；測點(diǎn)04 的溫度最高值、溫度平均值均明顯高于測點(diǎn)05 和06，分別達(dá)到19.2℃、13.5℃，波幅達(dá)到11.9℃，也明顯高于測點(diǎn)05 和06。測點(diǎn)05、06 的距離較近，周圍環(huán)境狀況也比較相似，測點(diǎn)05、06 在各個(gè)時(shí)刻的溫度高低值、平均值均較為接近。兩處測點(diǎn)均在正午12:30 前后出現(xiàn)溫度最高值，分別為10.3℃、10.7℃；之后測點(diǎn)05、06 的溫度值均開始緩慢下降，兩測點(diǎn)溫度波幅都較小，分別為4.5℃和5.4℃（圖8）。

圖8 草地各測點(diǎn)溫度

測點(diǎn)04 與測點(diǎn)05、06 溫度差異較大的主要原因是，測點(diǎn)04 所處位置較為空曠，周圍無遮擋，受到太陽輻射的影響明顯，吸熱及散熱過程均較快，導(dǎo)致溫度波動(dòng)明顯，波幅較大；測點(diǎn)05、06 長時(shí)間處于建筑的陰影中，較少受到太陽輻射的影響，因此，周圍熱環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，溫度最高值、平均值及溫度波幅分別為10.3 ℃～10.7 ℃、7.7 ℃～7.8 ℃、4.5℃～5.4℃，均明顯低于測點(diǎn)04，具有較好的溫度穩(wěn)定性。以上反映出不同遮擋狀況對(duì)于下墊面溫度表現(xiàn)的影響。

測點(diǎn)05 在13:00～15:50 之 間的溫度值均略低于同時(shí)刻測點(diǎn)06,主要原因是，隨著太陽方位角的變化，測點(diǎn)05 西側(cè)的高大喬木樹冠在午后開始對(duì)太陽輻射形成遮擋，減少了測點(diǎn)05 的得熱，因而導(dǎo)致測點(diǎn)05 在午后的溫度低于測點(diǎn)06。

3.4 灌木叢溫度

在景觀設(shè)計(jì)中，灌木叢與草地具有較大的差異性，實(shí)驗(yàn)組團(tuán)內(nèi)部及周邊的灌木叢高度在0.5 m～1.0 m 之間，灌木叢測點(diǎn)07 位于新建住宅組團(tuán)的北側(cè)且距離建筑較近，受到建筑物陰影的遮擋。

測點(diǎn)07 的溫度最高值出現(xiàn)在12:30 前后，之后溫度開始緩慢下降。原因是，該測點(diǎn)在12:30 前后受到太陽輻射的影響導(dǎo)致溫度升高，之后受到建筑物的遮擋導(dǎo)致溫度下降。測點(diǎn)07 的溫度最高值為10.8℃，溫度平均值為7.3℃，溫度波幅為5.2℃（圖9）。

圖9 灌木叢測點(diǎn)溫度

3.5 硬質(zhì)鋪裝表面溫度

住宅組團(tuán)內(nèi)部的硬質(zhì)鋪裝測點(diǎn)共有6 處。測點(diǎn)08 為水泥地面，周圍開闊不受遮擋物的影響；測點(diǎn)09 的材質(zhì)為彩色石子，位于住區(qū)組團(tuán)中部較為開闊的共享庭院空間內(nèi)，不易受遮擋的影響；測點(diǎn)10、11-1、11-2的材質(zhì)相同，均為廣場磚鋪地；測點(diǎn)11-1、11-2 位于新建住宅組團(tuán)北側(cè)的沿河步道上，距離建筑物較近，容易受到南側(cè)建筑物的遮擋；測點(diǎn)10位于新建住宅組團(tuán)西側(cè)的沿河步道上，距離住宅組團(tuán)較遠(yuǎn)且周圍空曠無遮擋；測點(diǎn)12 材質(zhì)為淺色石板，位于新建住宅組團(tuán)北側(cè)的單棟建筑入口處，極易受到建筑物的遮擋。

在6 個(gè)測點(diǎn)中，測點(diǎn)09 的最高溫度值、平均溫度值最高，分別為24.8℃、17.9℃，溫度波幅也最大，為14.8℃；測點(diǎn)08、10 次之，其最高溫度值分別達(dá)到19.8℃、18.6℃，波幅分別為10.1℃、7.8℃；相較于測點(diǎn)10，測點(diǎn)11-1 的最高溫度值、平均溫度值均較低，分別為12.7℃、8.4℃；在受遮擋狀況下，測點(diǎn)11-2的最高溫度值、平均溫度值最低，僅為8.5℃、6.0℃。測點(diǎn)12 的周圍環(huán)境與測點(diǎn)11較為類似，其最高溫度值、平均溫度值均較低，分別為10.0℃、7.3℃，波幅為4.2℃，明顯低于測點(diǎn)10，溫度值較為穩(wěn)定（圖10）。

圖10 硬質(zhì)鋪地各測點(diǎn)溫度

測點(diǎn)08、09、10 的周圍環(huán)境相似，均易受到太陽輻射影響；其中，測點(diǎn)08、10 溫度表現(xiàn)相似，表明水泥地面與廣場磚地面具有相似的吸熱性質(zhì)；而測點(diǎn)09 的最高溫度值、溫度波幅均高于測點(diǎn)08、10，差值分別為5.0℃～6.2℃、4.7℃～7.0℃，反映出彩色石子具有較強(qiáng)的吸熱性。

測點(diǎn)10、11-1、11-2 材質(zhì)相同，但3 處測點(diǎn)的溫度差異較大：測點(diǎn)10、11-1 溫度最高值差值達(dá)到5.9℃，原因是測點(diǎn)10 周圍較為空曠，受到太陽輻射的影響較大，因此，溫度變化最為劇烈，溫度最高值、波幅均為最大；測點(diǎn)11-2 由于受到周圍環(huán)境的遮擋，其最高溫度值、平均溫度值、溫度波幅均明顯小于測點(diǎn)11-1,差值分別為4.2℃、2.4℃、3.1℃。測點(diǎn)12 位于建筑的北側(cè)入口處，距離建筑物最近，因此，長時(shí)間處于建筑的陰影范圍內(nèi)，較少受到太陽輻射影響，溫度最高值、溫度波幅均較低。

相比之下，彩色石子吸熱最快，溫度波幅也最大；淺色石板吸熱最慢、波幅最小。反映出不同材質(zhì)下墊面的不同吸熱性質(zhì)對(duì)下墊面溫度的影響。受到遮擋測點(diǎn)的溫度明顯低于相同材質(zhì)不受遮擋測點(diǎn)，表明周圍環(huán)境對(duì)太陽輻射的遮擋對(duì)下墊面得熱情況影響顯著。

4 討論與建議

4.1 太陽輻射與下墊面溫度

太陽輻射是住區(qū)下墊面最重要的熱量來源，同時(shí)，下墊面容易受到周圍建筑物以及高大樹木的遮擋，從而減少太陽輻射。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：環(huán)境遮擋對(duì)下墊面的得熱情況影響顯著。

草地在無遮擋的狀況下（測點(diǎn)04），各時(shí)段溫度值均高于有遮擋狀況（測點(diǎn)05、06），最大差值出現(xiàn)在12:30 前后，達(dá)到8.5℃～8.9℃；最小差值出現(xiàn)在16:30，為1.5℃～2.0℃；與之類似，廣場磚地面在無遮擋（測點(diǎn)10）狀況下，各時(shí)段的溫度值均明顯高于相同材質(zhì)測點(diǎn)（測點(diǎn)11-2）受遮擋狀況下的溫度值，最大差值出現(xiàn)在11:00，達(dá)到13.7℃；最小差值出現(xiàn)在15:50，為5.4℃。通過對(duì)同一材質(zhì)不同遮擋狀況下溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)果表明，受遮擋狀況的下墊面得熱量遠(yuǎn)小于不受遮擋狀況。

為提高室外熱環(huán)境的舒適程度，應(yīng)積極利用周圍環(huán)境因素進(jìn)行被動(dòng)式設(shè)計(jì)，有選擇地避免或利用太陽輻射的影響，為營造綠色舒適的鄉(xiāng)村室外熱環(huán)境發(fā)揮積極作用。

4.2 地面材質(zhì)及色彩與下墊面溫度

本次實(shí)驗(yàn)共測試了水體、泥土、草地、灌木叢等4 種自然下墊面以及水泥、彩色石子、石板、廣場磚等4種硬質(zhì)下墊面。在4 種自然下墊面中，草地表面的溫度變化最為劇烈，泥地表面的溫度波幅僅次于草地，水體和灌木叢兩種自然下墊面溫度及其變化均較低，具有較好的溫度穩(wěn)定性?？梢?，4 種自然鋪地中，草地的吸熱散熱均較快，比熱容最小；泥土的吸熱性能也較高，升溫較快；水體和灌木叢的溫度波幅較小，升溫降溫均較慢，具有較好的溫度穩(wěn)定性。

在4 種硬質(zhì)鋪地中，彩色石子地面吸熱性最強(qiáng)，溫度變化最為劇烈；水泥地面次之，也有較強(qiáng)的吸熱性；廣場磚地面溫度略低于水泥地面。反映出不同材質(zhì)，不同顏色對(duì)于下墊面溫度的影響。

不同吸熱性質(zhì)的下墊面材質(zhì)會(huì)對(duì)人體進(jìn)行不同程度的冷熱輻射，從而對(duì)人體的熱舒適產(chǎn)生影響。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)來看，硬質(zhì)下墊面溫度最高值及溫度波幅普遍高于自然下墊面，因此，深色表面及硬質(zhì)下墊面材質(zhì)會(huì)向人體輻射大量的熱量。在夏熱冬冷地區(qū)，冬季室外濕冷環(huán)境對(duì)人體熱舒適的負(fù)面影響較為嚴(yán)重，硬質(zhì)下墊面會(huì)輻射較多的熱量，在一定程度上有助于提高室外溫度，緩解室外濕冷狀況；但在夏季，過多的硬質(zhì)下墊面則會(huì)加劇室外環(huán)境的炎熱狀況，降低人體的熱舒適感覺。

4.3 環(huán)境遮擋與下墊面溫度

下墊面一直處于受遮擋狀況時(shí)，影響其表面溫度的因素為空氣溫度、周圍環(huán)境熱輻射，不同材質(zhì)下墊面表面的溫度較接近。

溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：長時(shí)間處于陰影范圍內(nèi)的不同材質(zhì)各測點(diǎn)（測點(diǎn)03、05、07、08、10）具有較好的溫度穩(wěn)定性，溫度波幅均較??；不同材質(zhì)各測點(diǎn)的溫度值相差并不明顯。由此可見，周圍環(huán)境對(duì)太陽輻射的遮擋，對(duì)于維持小范圍內(nèi)住區(qū)組團(tuán)微氣候穩(wěn)定性具有顯著正向作用。

在鄉(xiāng)村住區(qū)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)室外場地對(duì)熱環(huán)境的不同需求，將被動(dòng)式手法應(yīng)用于室外環(huán)境設(shè)計(jì)，為改善室外熱環(huán)境創(chuàng)造條件，積極利用周圍的自然條件以及現(xiàn)有的建筑物，對(duì)下墊面進(jìn)行有選擇的遮擋，如，在住宅南側(cè)選用落葉樹種，冬季落葉時(shí)可以減少對(duì)太陽輻射的遮擋，還能在夏季對(duì)太陽輻射起到遮擋作用。

5 結(jié)語

江南水鄉(xiāng)地處我國夏熱冬冷地區(qū)，鄉(xiāng)村住區(qū)下墊面得熱狀況對(duì)于室外熱環(huán)境具有較強(qiáng)的影響，進(jìn)而影響人體的熱舒適感覺。研究不同下墊面具體溫度表現(xiàn)可以輔助下墊面的設(shè)計(jì)，有助于改善室外熱環(huán)境。

本次冬季實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了無人機(jī)紅外熱成像技術(shù)，對(duì)上海市閔行區(qū)一處典型鄉(xiāng)村住區(qū)下墊面溫度進(jìn)行了詳細(xì)探查，通過溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，初步明確了不同材質(zhì)、不同色彩、不同遮擋狀況的室外下墊面在冬季白天時(shí)段的得熱情況，并得出以下結(jié)論：①太陽輻射對(duì)鄉(xiāng)村下墊面得熱影響顯著，建筑物或高大樹木對(duì)于太陽輻射的遮擋可以明顯減少下墊面的得熱。② 自然材質(zhì)下墊面溫度明顯低于硬質(zhì)下墊面，且自然材質(zhì)下墊面具有較好的溫度穩(wěn)定性，溫度波幅較小。③長時(shí)間處于陰影環(huán)境中的不同材質(zhì)下墊面的溫度表現(xiàn)相似，且溫度波幅較小。在夏熱冬冷地區(qū)的鄉(xiāng)村室外空間設(shè)計(jì)中，應(yīng)該有意識(shí)地利用陰影達(dá)到改善室外熱環(huán)境的目的。