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Ecological Thermal Effect of Lawn on Urban Environment
编辑:郭海滨   出处:南京农业大学杂草研究室   时间:2010-11-17 14:07:36

     唐鸣放,白雪莲(重庆大学(B区)建筑城市规划学院 400045)研究了草坪的能量平衡机理以及与环境之间的热湿交换关系,结果表明:草坪对空气具有降温增湿作用。通过重庆市区一些草坪实测数据分析发现草坪日平均温度与空气日平均温度相等,说明草坪与空气之间保持热量的生态平衡。
      现代城市建筑密度大、硬化表面多、通风不良导致城市气候高温化、干燥化,形成“城市热岛”,热岛上部的大气呈稳定状态而不易扩散,使发生在热岛范围内的各种污染物质都被封闭在热岛中。此外城市气温升高直接影响人们户外活动的安全性和舒适性,造成夏季空调能耗增大。因此城市气候高温化是城市环境恶化的表现。
      城市绿地有降低气温、分割城市热岛的作用,早已为人所知。但对绿地降温机理和效果评价的研究还不多见。80年代北京市曾将市区划分成网格进行气温观测,得出城市绿化覆盖率与降温比率成正比的关系。
      90年董靓曾对重庆的混凝土地面与草坪地面的温度进行了对比观测,发现草坪温度昼夜都低于混凝土地面温度,在日照高温期两者温差在10℃以上。草坪作为城市最普遍的绿地,其环境生态效益是十分肯定的,开展草坪的环境效益研究将有助于城市的生态环境设计。下面从草坪的能量平衡以及与环境之间的热湿交换机理进行探讨,并用实测数据进行分析,说明草坪对环境的生态热效益。

1 草坪的能量平衡
      草坪从太阳辐射中得到能量,经过光合作用、呼吸作用、蒸腾作用进行能量的转化和储存,并且不断地与环境之间进行能量的交换来达到自身的能量平衡。因此草坪的能量平衡可简单地表示为:得能量=储能量+耗能量其中储能量包括以物理方式和生物化学方式储存的能量,对于草坪可忽略以物理方式储存的能量,而一般植物以生物化学方式储存能量的效率都很低,因此草坪从太阳辐射中得到的能量绝大部分通过草坪旺盛的生机所消耗,其中主要包括与空气之间的热湿交换。

2 草坪与空气之间的热湿交换
     草坪与空气之间的热量交换主要包括两部分:显热换热和潜热换热。其中显热换热是由于草坪表面与空气之间存在温差引起的,其结果是使空气升温或降温,而潜热换热是由于草坪表面与空气之间存在蒸汽密度差,从而引起草坪植被内部的水分蒸发带走了热量,其结果是使空气增湿。
      草坪与空气之间的显热换热和潜热换热可分别用下式表示:
q显=PCP*tc-ta/γac    q潜=PCP*γPsc/Pa(rac+rs)(2)
      式中q显为显热换热强度,W/m2;q潜为潜热换热强度,W/m2;ρ为空气密度,kg/m3;CP为空气的定压比热,J/(kg.℃);tc为草坪温度,℃;ta为空气温度,℃;Psc为草坪温度下的饱和水蒸气分压力,Pa;Pa为空气的水蒸气分压力,Pa;γ为热力学湿度常数,Pa/℃;rs为草坪气孔阻力,s/m;rac为草坪表面空气动力学阻力,s/m。
将1999年夏季实测数据带入上式计算,便可得到草坪显热换热和潜热换热的变化,如图1所示。可见,草坪的潜热换热量明显大于显热换热量,说明草坪耗热量中极少部分用于提高草坪的温度,增加草坪与空气的热交换,而大部分用于草坪自身的蒸腾。图中还看到草坪的显热换热表现出明确的方向性。在日照强烈照射的正午前后7h左右,显热换热的方向是由草坪到空气,其结果是草坪加热空气,而在其余时间,显热换热的方向是由空气到草坪,其结果是草坪冷却空气。

3 草坪的环境热效益分析
      将公式(1)中的参数都取为常数,则草坪昼夜与空气的显热换热总量可简化为:
Q显=∫q显dτ≈ρCPrac∑24i=1(tc(i)-ta(i))=24ρCPrac(tc-ta) (3)
式中,Q显为单位面积草坪昼夜显热换热总量,W.h/m2;tc-ta分别为草坪和空气的日平均温度,℃。
从公式(3)看到,草坪和空气的日平均温度差决定草坪对空气的整体热作用。将1990年夏季和1999年夏季两次对不同地点不同种类的茂密草坪测试结果进行分析后发现,草坪与空气的日平均温度差几乎为零,于是可认为草坪在对空气加热与冷却的昼夜过程中保持着热量的收支平衡,达到了良性循环的生态过程。
     由此可见,草坪消化热量的重要功能在于起蒸腾作用的潜热换热。草坪通过自身温度的变化来控制蒸腾耗热的大小。昼间日照过强时,草坪通过提高表面温度来增大自身水分的蒸发,把大量的热量传递给了水蒸汽,同时由于蒸腾作用带走了大量的热量,反过来又控制了表面温度升高。这一生态过程正常进行的关键是土壤中要有足够的水分。因此炎热的夏天应该经常给草坪洒水。

4 结论
4.1 草坪从太阳辐射中得到的能量主要用于蒸腾作用,其结果是加湿空气。
4.2 草坪与空气之间的日平均温度差几乎为零,显热交换昼夜总和达到收支平衡。

ABSTRACT:The energy balance of lawn in urban area and heat-mass exchange between lawn and air were analysed. The result showed that lawn has the function of decreasing air temperature and increasing air moisture in the summer. Field in vestigation also showed the ecological thermal balance between lawn and air.

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