物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的城市熱環(huán)境時(shí)空變化分析

郭冠華,陳麗飛,曹 崢,吳志峰,陳穎彪

廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院,廣州 511006

城市熱環(huán)境是指城市區(qū)域內(nèi)與熱有關(guān)的、影響居民生存與發(fā)展的各種外部要素組成的物理環(huán)境系統(tǒng)[1],它是城市生態(tài)系統(tǒng)最重要的大氣環(huán)境要素之一,也是城市環(huán)境狀況的綜合表征[2—4]。聯(lián)合國發(fā)布的最新報(bào)告顯示,到2030年全球城市人口將增加至60%,而人口超過1000萬的特大城市也將從33個(gè)增加到43個(gè)。大量研究表明,全球氣候變暖和城市擴(kuò)張聯(lián)合作用引起的熱環(huán)境惡化對(duì)城市人居環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)乃至人類福祉產(chǎn)生嚴(yán)重影響[5—8]。隨我國城市化進(jìn)程的加速推進(jìn),城市熱環(huán)境的時(shí)空變化過程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制備受學(xué)界關(guān)注。

在時(shí)間與空間維度獲得足量的熱環(huán)境數(shù)據(jù)是進(jìn)行城市熱環(huán)境研究的重要前提。近地面氣象監(jiān)測(cè)一直是城市熱環(huán)境研究最直接、最傳統(tǒng)的技術(shù)手段[9—11],由政府部門管理的城市氣象站能提供高時(shí)間頻率的多種熱環(huán)境參數(shù),但是站點(diǎn)較為分散,無法表達(dá)城市內(nèi)部復(fù)雜的微氣候狀況。為了彌補(bǔ)城市氣象站空間分辨率的不足,學(xué)者們一直開展自主布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集包括氣溫[12—15]、風(fēng)速[14, 16—17]、地面溫度[18—19]和黑球溫度[17]等熱環(huán)境參數(shù)。通過實(shí)地監(jiān)測(cè)能夠獲得豐富的城市熱環(huán)境信息,但是設(shè)備的采購和維護(hù)管理帶來的人力和物力成本會(huì)大大增加熱環(huán)境實(shí)地監(jiān)測(cè)的難度,在一定程度上阻礙了熱環(huán)境研究工作的推進(jìn)。

近年來物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理提供了新的理論和方法,使得生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)更具高效性和快捷性[20]。目前,國內(nèi)外學(xué)者已在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐步使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),如常立俠[21]提出了我國海島生態(tài)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的概念和模型,李新[22]緊密圍繞國家生態(tài)監(jiān)測(cè)需求,研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備和生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),Matasov[23]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施水分含量和光譜特征的在線監(jiān)測(cè)工作,Martín-Baos[24]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了低成本交通流量和空氣質(zhì)量指數(shù)在線式監(jiān)測(cè)設(shè)備,這些研究成果都為城市熱環(huán)境的高效監(jiān)測(cè)工作提供了新思路。本研究嘗試基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建在線式熱環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)城市校園空間熱環(huán)境狀況進(jìn)行連續(xù)高頻監(jiān)測(cè),深入挖掘微尺度下城市熱環(huán)境的時(shí)空變化特征。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)選取和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

研究區(qū)位于廣州市番禺區(qū)的廣州大學(xué)校園內(nèi),實(shí)驗(yàn)位置地處校園西南角,面積約0.16km2(圖1)。該位置綠化程度較高,有大型人工湖,校園道路主要由瀝青和透水鋪磚構(gòu)成,區(qū)域內(nèi)基本包含了校園典型景觀類型,可作為熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)的示范場(chǎng)所。本研究選擇了10個(gè)熱環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí)針對(duì)不同的科學(xué)問題,在10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上布設(shè)了不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備,詳細(xì)描述如表1所示。

表1 10個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)及周邊環(huán)境情況Table 1 Measuring parameters of ten points and their surrounding landscape characteristics

圖1 研究區(qū)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Field measurement points in the study area

1.2 熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)獲取方法

本研究關(guān)注的熱環(huán)境參數(shù)包括太陽輻射、風(fēng)速、氣溫和地面溫度,所述地面溫度是指瀝青和透水鋪磚表面的溫度平均值,典型熱環(huán)境測(cè)點(diǎn)的設(shè)備布設(shè)示意如圖2所示。實(shí)驗(yàn)涉及的設(shè)備均使用了無線傳輸技術(shù),即獲取的所有熱環(huán)境參數(shù)會(huì)通過公共網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺(tái),用戶可以直接在線地從云平臺(tái)客戶端隨時(shí)實(shí)時(shí)查看或下載數(shù)據(jù)。根據(jù)不同熱環(huán)境傳感器的供電要求,本研究設(shè)計(jì)了相應(yīng)的在線傳輸和供電方式,不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行。

圖2 熱環(huán)境參數(shù)獲取設(shè)備Fig.2 Thermal environment parameters acquisition equipment

氣溫和風(fēng)速:氣溫傳感器測(cè)量范圍為-40—80℃,精度±0.3℃,風(fēng)速傳感器測(cè)量范圍0—30m/s,精度0.1m/s。這兩種參數(shù)使用了窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)通訊,能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的超低功耗運(yùn)行,設(shè)備使用了3.6V 20000mAh電池,數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為15min,上傳設(shè)置為720min,該設(shè)計(jì)在理論上能使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行4年。

太陽輻射和地面溫度:太陽輻射使用光電式太陽輻射計(jì)進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量范圍為0—1500W/m2,精度為±10W/m2。地面溫度監(jiān)測(cè)使用K型熱電偶,其溫度測(cè)量范圍為-200—200℃,精度為±0.2℃,地面溫度監(jiān)測(cè)是在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上分別測(cè)量瀝青和透水鋪磚兩種典型材質(zhì),然后用兩種材質(zhì)的平均溫度作為該測(cè)點(diǎn)的地面溫度。兩種傳感器使用了12V供電和4G通訊,為了盡量降低設(shè)備功耗和延長電池使用時(shí)間,本研究使用12V 20000mAH鋰電池,同時(shí)研發(fā)了一種定時(shí)開關(guān)(圖3),實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)間隔和通電時(shí)長的控制。對(duì)太陽輻射和地面溫度的采集間隔和上傳間隔分別設(shè)置均為15min,即定時(shí)開關(guān)通電間隔為15min,通電時(shí)間為1min。對(duì)比發(fā)現(xiàn),在沒有定時(shí)開關(guān),即兩個(gè)傳感器常開的情況下,設(shè)備只能運(yùn)行5d時(shí)間,而加入定時(shí)開關(guān)后同樣的采集間隔設(shè)置設(shè)備可持續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,大大提升了熱環(huán)境監(jiān)測(cè)效率。

圖3 本研究設(shè)計(jì)的定時(shí)開關(guān)Fig.3 The timing switch designed in this study

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

所有設(shè)備在2022年10月15日安裝完畢,并在16日0時(shí)開始收集數(shù)據(jù)。同年10月25日,從云平臺(tái)網(wǎng)頁端下載數(shù)據(jù),通過01測(cè)點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)可知,10月16日至24日內(nèi)研究區(qū)無降雨。對(duì)所有獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行小時(shí)平均處理,隨后的分析均在小時(shí)平均數(shù)據(jù)上進(jìn)行。分析不同測(cè)點(diǎn)的熱島效應(yīng)時(shí),考慮到測(cè)點(diǎn)06的喬木覆蓋程度較高,能代表自然/半自然狀態(tài)下的熱環(huán)境狀況,因此選定其作為熱島效應(yīng)的比較基準(zhǔn),即將熱島強(qiáng)度定義為其它測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)06之間的氣溫差。此外,在分析時(shí)將7:00—18:00定義為日間,19:00—06:00(次日)定義為夜間。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽輻射和風(fēng)速變化狀況

圖4結(jié)果表明,研究時(shí)期內(nèi)多為晴朗天氣,僅在10月18日、19日出現(xiàn)多云的情況。10月18日研究區(qū)太陽輻射量較低,正午時(shí)樓頂?shù)淖詣?dòng)氣象站01和測(cè)點(diǎn)03僅有400W/m2,被樹木遮蔽的02測(cè)點(diǎn)則更低。其它日期太陽輻射總量逐時(shí)變化較為平穩(wěn),具體表現(xiàn)為:正午時(shí)刻太陽輻射總量均達(dá)到1100W/m2左右,位于樓頂?shù)?1測(cè)點(diǎn)正午太陽輻射總量最高;因03測(cè)點(diǎn)周邊較為開敞,無任何遮擋物,其太陽輻射的變化特征與樓頂測(cè)點(diǎn)相似;在東南側(cè)被樹木遮蔽的測(cè)點(diǎn)02也表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性,即正午之前太陽輻射總量較低,平均值僅約180W/m2左右,而在午后,測(cè)點(diǎn)開始受到太陽輻射的直接影響,輻射總量較高。

圖4 01、02和03測(cè)點(diǎn)太陽輻射變化狀況Fig.4 Solar radiation changes of 01、02 and 03 measuring points

圖5為各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化情況,分析結(jié)果表明10月16日至18日研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,樓頂自動(dòng)氣象站測(cè)得三天內(nèi)小時(shí)平均風(fēng)速為2m/s,最高風(fēng)速5m/s出現(xiàn)在10月17日正午。其它9個(gè)測(cè)點(diǎn)在這三天也測(cè)得較高的風(fēng)速,其中測(cè)點(diǎn)07和測(cè)點(diǎn)09的風(fēng)速較其它測(cè)點(diǎn)高,原因是它們分別位于相對(duì)開敞的人行道上和湖面旁,通風(fēng)條件相對(duì)較好。10月18日至24日期間各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速呈現(xiàn)周期性波動(dòng)變化,變化規(guī)律相似。

圖5 所有測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化狀況Fig.5 Wind speed changes of all measuring points

為了進(jìn)一步分析不同測(cè)點(diǎn)之間的風(fēng)速變化是否存在關(guān)聯(lián),對(duì)各測(cè)點(diǎn)逐時(shí)風(fēng)速值進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析,結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值之間存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián),相關(guān)性系數(shù)大部分都在0.5以上。位于樓頂?shù)?1測(cè)點(diǎn)與各測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出非常強(qiáng)的關(guān)聯(lián),相關(guān)性系數(shù)都在0.7以上(僅與測(cè)點(diǎn)06除外,相關(guān)性僅為0.49),說明樓頂測(cè)點(diǎn)能代表研究區(qū)的邊界條件,并主導(dǎo)各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)環(huán)境。同時(shí),分析也發(fā)現(xiàn),位置較近或者景觀特征相似的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相關(guān)性會(huì)比較強(qiáng),如測(cè)點(diǎn)07和測(cè)點(diǎn)08的相關(guān)性高達(dá)0.88,它們位置僅相隔20m,因此風(fēng)速變化的同步性較強(qiáng),但又由于測(cè)點(diǎn)08旁有樹木遮擋,所以風(fēng)速值會(huì)較測(cè)點(diǎn)07低。此外,測(cè)點(diǎn)07與測(cè)點(diǎn)09、05之間的相關(guān)性也較高,表明在同一氣象條件下它們的風(fēng)環(huán)境變化具有一定的同步性。部分測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性相對(duì)較低,如測(cè)點(diǎn)10和06與其它測(cè)點(diǎn)的相關(guān)性大部分在0.5左右,顯示這些測(cè)點(diǎn)受研究區(qū)邊界條件的影響較低,形成相對(duì)獨(dú)立的小氣候。

圖6 所有測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相關(guān)性特征 Fig.6 Correlation characteristics of wind speed of all measuring points 所有相關(guān)性系數(shù)均通過0.05的置信度檢驗(yàn)

2.2 日間和夜間熱島強(qiáng)度和風(fēng)速變化特征

將所有日期的熱島強(qiáng)度和風(fēng)速數(shù)據(jù)劃分為日間和夜間,繪制各測(cè)點(diǎn)的小提琴變化圖,結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖7可以看出,不同測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化特征差異較大,07和09測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化最大,與樓頂自動(dòng)氣象站的風(fēng)速變化較為一致,大部分時(shí)間風(fēng)速集中在0—2m/s左右,最大風(fēng)速達(dá)到5m/s,其它測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化較小。對(duì)比日間和夜間風(fēng)速分布特征發(fā)現(xiàn),日間的風(fēng)速相對(duì)較高,01測(cè)點(diǎn)日間平均風(fēng)速為1.05m/s,且有36%的時(shí)間風(fēng)速在1m/s以上,相比之下夜間平均風(fēng)速為0.8m/s,風(fēng)速在1m/s以上時(shí)間只占17%。受到外圍邊界條件的影響,其它測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出類似的特征。與圖6的結(jié)果相似,測(cè)點(diǎn)10和06日間和夜間風(fēng)速分布類似,與其它測(cè)點(diǎn)的變化不同,進(jìn)一步說明了這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的熱環(huán)境特的獨(dú)特性。

圖7 不同測(cè)點(diǎn)日間和夜間風(fēng)速變化小提琴統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 Violin plot of wind speed during daytime and nighttime at different measuring points

圖8 不同測(cè)點(diǎn)日間和夜間熱島強(qiáng)度變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Violin plot of urban heat intensity during daytime and nighttime at different measuring points

以自然/半自然狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)06為基準(zhǔn)點(diǎn),統(tǒng)計(jì)其它測(cè)點(diǎn)日間和夜間熱島效應(yīng)變化特征,結(jié)果如圖8所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn),樓頂01測(cè)點(diǎn)所有時(shí)間均呈現(xiàn)熱島效應(yīng),日間平均熱島強(qiáng)度為1.73℃,日間最高熱島強(qiáng)度達(dá)4.72℃,夜間平均熱島強(qiáng)度為0.89℃,相比之下,其它測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)熱島和冷島效應(yīng)。測(cè)點(diǎn)05、07和03的熱島效應(yīng)變化幅度較大,日間熱島效應(yīng)都十分強(qiáng)烈,測(cè)點(diǎn)07日間平均熱島強(qiáng)度為0.46℃,最高熱島強(qiáng)度達(dá)2.85℃,夜間大部分時(shí)間會(huì)出現(xiàn)冷島,最強(qiáng)冷島達(dá)到-1.27℃,其它幾個(gè)測(cè)點(diǎn)均有類似的變化特征。這些測(cè)點(diǎn)在正午左右均受太陽輻射直接影響,使得日間的熱島效應(yīng)尤為明顯,到了晚上,良好的通風(fēng)條件也促進(jìn)了近地面的熱量散失,形成冷島效應(yīng)。測(cè)點(diǎn)10和測(cè)點(diǎn)04位置相近,且周邊被建筑物和樹木包圍,從圖7看出它們的風(fēng)速在研究時(shí)間內(nèi)都較小,因此熱島強(qiáng)度變化較小。測(cè)點(diǎn)04受建筑物的阻擋日間沒有受到太陽輻射的直接影響,因此日間有一半時(shí)間都表現(xiàn)為冷島,到了晚上圍合式的建筑也阻礙了通風(fēng),使得日間吸收的熱量在夜間沒有及時(shí)擴(kuò)散到大氣當(dāng)中,夜間的熱島效應(yīng)特別明顯。

2.3 地面溫度與氣溫相關(guān)系分析

地面溫度和氣溫的關(guān)系一直是熱環(huán)境研究的重要內(nèi)容,本研究嘗試考慮風(fēng)速的情況,分析02和03測(cè)點(diǎn)地面溫度與氣溫的關(guān)系。同樣地將數(shù)據(jù)劃分為日間和夜間,同時(shí)為了更清晰地對(duì)比二者關(guān)系的差異,將散點(diǎn)圖橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)設(shè)置為同一個(gè)邊界范圍,結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明,日間和夜間地面溫度與氣溫的關(guān)系存在明顯的差異,02和03測(cè)點(diǎn)的日間溫差都比較大,回歸決定系數(shù)都在0.8以上,表示地面溫度能表達(dá)氣溫約80%左右的變異程度。02測(cè)點(diǎn)決定系數(shù)都較高,日間和夜間分別為0.8082和0.8769,03測(cè)點(diǎn)日間的決定系數(shù)較低,僅為0.7774,并且數(shù)據(jù)全部集中在1∶1直線的下方,表明日間地面溫度普遍高于氣溫,這是因?yàn)樵摐y(cè)點(diǎn)比較開闊,太陽輻射全天直接加熱地面,使得氣溫快速升高。上述結(jié)果可知,在有樹木遮擋的情況下,地面由于缺少太陽輻射的直接加熱,氣溫與地面溫度更為接近。夜間兩個(gè)測(cè)點(diǎn)地面溫度和氣溫的關(guān)系特征非常相似,由于夜間沒有太陽輻射的加熱,地面溫度與氣溫的關(guān)系更為密切,數(shù)據(jù)都分布在1∶1直線附近。此外,也發(fā)現(xiàn)不同大小的風(fēng)速分布特征不明顯,表明風(fēng)速對(duì)地面溫度和氣溫的關(guān)系影響不大,周邊景觀特征對(duì)二者的關(guān)系影響會(huì)更大。

圖9 02、03測(cè)點(diǎn)日間和夜間地面溫度與氣溫散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter diagrams of the relationship between surface temperature and air temperature among daytime and nighttime

3 討論

基于10月16日至24日的校園微尺度熱環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果,本研究發(fā)現(xiàn),局部的熱環(huán)境特征與天氣邊界條件有直接關(guān)系,但由于景觀特征的局部差異,比如植被條件、建筑物分布、地面狀況(鄰近人行道或者水體)等,會(huì)直接影響局部熱環(huán)境特征,使得小尺度的熱環(huán)境狀況存在一定的時(shí)空差異,表現(xiàn)為熱環(huán)境的時(shí)空異質(zhì)性。處于樓頂?shù)?1測(cè)點(diǎn),可代表研究區(qū)熱環(huán)境特征的平均狀態(tài),其它測(cè)點(diǎn)受所在位置景觀特征的影響,熱環(huán)境特征會(huì)表現(xiàn)不同,如02測(cè)點(diǎn)因樹木的遮擋,下午才能獲得更多直接的太陽輻射,03測(cè)點(diǎn)因?yàn)橹苓叾紱]遮擋物,表現(xiàn)出與01測(cè)點(diǎn)相似的太陽輻射變化特征。邊界條件的風(fēng)速狀況基本決定了局部位置的風(fēng)速變化特征,但具體風(fēng)速大小差異與樹木、建筑等可形成遮擋的景觀密切相關(guān)。如07測(cè)點(diǎn)地處周邊無樹木遮擋的人行道上,日間與夜間的風(fēng)速都比較高,而距離僅20m遠(yuǎn)的08測(cè)點(diǎn)因?yàn)榕赃厴淠镜恼趽躏L(fēng)速較低。除了風(fēng)速的差異,不同樹木條件提供的遮陰、蒸散發(fā)差異直接影響了07和08兩個(gè)鄰接測(cè)點(diǎn)的熱島強(qiáng)度差異。本研究的發(fā)現(xiàn)與Tong[14]的研究相似,他指出50m范圍內(nèi)綠色植被的比例對(duì)局部熱環(huán)境產(chǎn)生直接影響。劉琳[17]的研究結(jié)果也表明建筑物及樹木等遮擋物對(duì)區(qū)域內(nèi)部的遮蔽作用會(huì)對(duì)包括風(fēng)速、黑球溫度在內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生重要影響。因此,日后的熱環(huán)境實(shí)測(cè)工作需要進(jìn)一步關(guān)注微尺度的時(shí)空變化特征,同時(shí)也需要在大范圍的實(shí)測(cè)中選取更有代表性的測(cè)點(diǎn)。

本研究發(fā)現(xiàn)城市熱環(huán)境在日間和夜間具有不同的時(shí)空差異,研究區(qū)日間的風(fēng)速較高,夜間風(fēng)速較低,熱島強(qiáng)度也是日間高于夜間,并且日間風(fēng)速和熱島效應(yīng)的波動(dòng)都比夜間大,因此日間能更加凸顯景觀類型間的熱環(huán)境差異。日間在太陽輻射的作用下,地面直接被太陽的輻射能量加熱,因此地面溫度要比近地面空氣溫度高的多,建筑和樹木的遮擋形成的陰影能極大地降低近地面溫度[25—26]。過往不少熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)都只在日間進(jìn)行,一方面是實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全管理需要,二是日間城市熱環(huán)境的空間異質(zhì)性會(huì)更加明顯[19],日間也是人們?cè)谑彝饣顒?dòng)的主要時(shí)間段,熱環(huán)境對(duì)人體舒適度的影響更為明顯[27—29]。夜間一般風(fēng)速都比較低,大氣相對(duì)穩(wěn)定,在沒有太陽輻射影響的情況下,不同景觀表現(xiàn)出來的熱環(huán)境特征與自身熱性質(zhì)直接相關(guān)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),日間植被的蒸散發(fā)降溫作用會(huì)被強(qiáng)烈的空氣流動(dòng)所抑制[30],因此夜間植被的降溫作用可能會(huì)更大。因此,需要開展長時(shí)間持續(xù)的監(jiān)測(cè),在站點(diǎn)尺度上獲取更為全面和細(xì)粒度的熱環(huán)境時(shí)間變化數(shù)據(jù),并根據(jù)日間和夜間不同的熱環(huán)境形成機(jī)理進(jìn)行有差別的分類探討,以全面挖掘城市熱環(huán)境時(shí)空變化過程[12, 31—32]。

在時(shí)空維度上獲取足量的溫度數(shù)據(jù)是熱環(huán)境研究的前提,遙感影像能快速地獲取城市大范圍全覆蓋的熱環(huán)境數(shù)據(jù),具有較高的空間分辨率,但時(shí)間分辨率較低,不足以在精細(xì)的時(shí)間尺度上開展城市熱環(huán)境研究工作[33]。而城市氣象站只能提供非常稀疏的站點(diǎn)數(shù)據(jù),無法實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的氣溫?cái)?shù)據(jù)獲取,因此使用相關(guān)設(shè)備開展實(shí)地觀測(cè)是熱環(huán)境研究的主要手段[14, 31]。許多學(xué)者都認(rèn)為熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)很多的人力和物力[16, 19],其核心問題在于使用的設(shè)備大部分都是離線的,即所獲取的數(shù)據(jù)都存放在設(shè)備的存儲(chǔ)卡內(nèi),科研人員需要花額外的時(shí)間精力在線下讀取數(shù)據(jù)才能進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)分析研究工作。相比于傳統(tǒng)的線下數(shù)據(jù)讀取,本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了包括氣溫、風(fēng)速、太陽輻射、地面溫度四種典型熱環(huán)境參數(shù)的在線傳輸,設(shè)備只需一次安裝,科研人員就能隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)查看和下載數(shù)據(jù),在大大降低了熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)管理成本的同時(shí),也提高了數(shù)據(jù)獲取與分析的效率。已有研究表明,物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展可以為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理提供新的理論和方法,使生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具備更好的實(shí)用性和便捷性[20, 22—23, 34]。因此,亟需強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在熱環(huán)境實(shí)測(cè)的應(yīng)用工作,進(jìn)一步推進(jìn)熱環(huán)境研究向精細(xì)化的時(shí)空尺度深入發(fā)展。

4 結(jié)論

本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了在線式校園熱環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,獲取了2022年10月16日至24日校園溫度、風(fēng)速、太陽輻射、地面溫度四種參數(shù),探討了小尺度下城市熱環(huán)境的時(shí)空異質(zhì)性特征,主要結(jié)論如下:1)小尺度上校園熱環(huán)境狀況具有高度的時(shí)空異質(zhì)性,這種異質(zhì)性主要源于周邊建筑、植被等微尺度景觀特征的影響。小尺度下大部分測(cè)點(diǎn)的太陽輻射和風(fēng)速特征具有一定的同步性,位于樓頂?shù)?1測(cè)點(diǎn)能夠代表研究區(qū)的熱環(huán)境總體特征,表現(xiàn)為太陽輻射和風(fēng)速與其它測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律十分相似。

2)不同測(cè)點(diǎn)之間的風(fēng)速具有較好的相關(guān)性,其中測(cè)點(diǎn)07和測(cè)點(diǎn)08的位置相隔僅有20m,它們的相關(guān)性系數(shù)為0.88,而測(cè)點(diǎn)10與06、07、08和09測(cè)點(diǎn)的相關(guān)性都比較低,個(gè)別測(cè)點(diǎn)受局部景觀特征的影響會(huì)形成相對(duì)獨(dú)立的小氣候。

3)各測(cè)點(diǎn)日間和夜間的風(fēng)速和熱島強(qiáng)度都表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異,07和09測(cè)點(diǎn)的日、夜間風(fēng)速變化幅度較大,夜間最大風(fēng)速達(dá)5m/s,其它測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化較小。不同測(cè)點(diǎn)的熱島強(qiáng)度也十分明顯,日間熱島動(dòng)態(tài)變化都較大,而夜間變化較小,各測(cè)點(diǎn)之間的熱環(huán)境特征差異與所在位置的植被、建筑特征直接相關(guān)。

4)地面溫度與氣溫的關(guān)系較為復(fù)雜,這種關(guān)系受風(fēng)速的影響不大,周邊植被和建筑遮擋對(duì)二者的關(guān)系影響會(huì)更大。二者相關(guān)性在夜間會(huì)更為密切,這是由于夜間沒有太陽輻射的直接加熱,使得地面溫度變化更為平緩,直接影響了近地面氣溫的狀況。