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城市不同地表类型地表温度与空气温湿度的观测 5 城 市 不 同 地 表 类 型 地 表 温 度 与 空 气 温 湿 度 的 观 测 * 王修信 1 ，秦丽梅 1，梁维刚2 (1. 广西师范大学计算机科学与信息工程学院，广西 桂林 541004； 2. 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004) 摘要：为了比较城市不同地表类型所形成的局地小气候环境差异，选取水泥广场、沥青道路、草地、林 地、裸土等城市典型下垫面，在夏季晴天天气使用自动红外测温仪、空气温湿度探头观测地表温 度、近地表空气温湿度的日变化，数据表明不同地表类型地表温度的差异直接影响近地表空气温 湿度的日变化而存在差异。与林地相比，沥青道路、水泥广场、裸土地表温度最高值高 23，气 温最高值高 6以上，空气相对湿度最低值低 5%；草地的地表温度与气温最高值分别比林地高 8、3，空气湿度略低于林地。夜间 24:00，水泥广场、沥青道路地表温度分别比林地高 10、 6，使气温比林地高 3以上，空气相对湿度比林地低 10%，出现显著的城市热岛现象。 关键词：城市典型地表；地表温度；空气温湿度；日变化；实验观测 中图分类号：O551.2文献标识码：A文章编号：1003- 7551(2009) 04-0005- 03 1引 言 在城市下垫面，水泥建筑物、沥青或水泥道路占较大比例，少部分为草地、林地、土壤、水体等自然地 表。不同地表类型下垫面由于物质的热容量、热传导率等热学性质不同，在太阳直接辐射或散射下的地表温 度存在差异，不同地表温度下垫面通过长波辐射与大气间能量交换直接影响近地表空气温湿度，因此人们在 夏季通过感受近地表空气温湿度而感受到不同的局地小气候环境1,2。 各地气象站对地表温度与空气温湿度已 做了大量的长期观测3-9， 但同时观测城市不同地表类型下垫面地表温度与空气温湿度的研究工作不多。 因此， 在夏季晴天天气，使用自动红外测温仪、空气温湿度探头观测水泥广场、沥青道路、草地、林地、裸土等城 市典型下垫面的地表温度、近地表气温、空气湿度的日变化，比较局地小气候环境的差异。 2实 验 仪 器 与 观 测 方 法 地表温度的观测使用北京博达昌正科技公司 BODACH SUP03-MID10 红外自动测温仪，仪器温度测量范 围 0100，测量精度1，光谱范围 814 m。 BDB15 SR93 标准黑体源（SHIMADEN CO. LTD, Japan） ，控温精度0.1，温度分辨率 0.1。 空气温湿度的观测使用 HygroWin 3 型自动温湿度探头 （瑞士 Rotronic 公司） ， 温度测量范围4060， 测量精度0.5，相对湿度 RH 测量范围 0.0100.0%，测量精度10%。 在夏季晴天天气情况下，避开空调、汽车尾气等人为热源的干扰，选取城市典型下垫面水泥广场、沥青 道路、大片草地、林地、整片裸土，观测点远离较高建筑物以减少环境红外辐射对温度观测值的影响，观测 点地表没有积水，草地没有人为浇水或降雨出现水湿现象，避免表面积水蒸发吸热对观测值的影响。使用自 动红外测温仪、空气温湿度探头同时观测地表温度、近地表气温、空气湿度的日变化，设置每 10 分钟采集 一组数据，红外测温仪温度探头距地面高度约 50 cm，放置方向避免太阳光线下探头及支架阴影对观测数据 的影响，探头尽可能垂直于被观测面，避免热辐射方向性的影响，空气温湿度探头距地面高度约 150 cm。在 地表温度观测前后，使用标准黑体源对红外测温仪进行温度标定，对红外测温仪感应元件老化造成数据的系 统误差进行效正，使得不同红外测温仪的观测数据具有可比性。由于物体总辐射度近似由 Stefan-Boltzmann 定律计算 M=Ts4（其中为物体比辐射率，Stefan-Boltzmann 常数=5.669710-8W m-2 K-4，Ts为物体 表面温度） ，因此在地表温度观测时，根据不同下垫面对红外测温仪设置相应的比辐射率，以精确测量物体 的表面温度。 3实 验 结 果 * 基金项目：国家自然科学基金项目( 40571109)；广西师范大学博士科研启动基金项目( 2007) 通讯作者：xxwang m ail box. 收稿日期：2009- 09-20 第 30卷第 4期广西物理GUANGXI PHYSICSVol.30No.42009 6 在城市典型下垫面水泥广场、沥青道路、大片草地、林地、整片裸土选取观测点，夏季晴天使用自动红 外测温仪、空气温湿度探头观测地表温度及地面约150 cm高度的空气温度与湿度0:0024:00的日变化（见图 1、图2、图3） ，观测数据的最高值、最低值、夜间24:00数值见表1。 图1地表温度日变化图2近地表气温日变化 图3近地表空气相对湿度日变化 表1不同地表类型观测数据 地表温度/150 cm高度气温/150 cm高度相对湿度/% 地表类型最高最低24:00最高最低24:00最高最低24:00 水泥广场55.616.029.037.815.425.276.322.050.4 沥青道路57.714.025.038.715.324.678.420.248.5 草地41.213.319.733.614.621.992.625.157.0 林地32.513.018.730.314.321.395.427.760.0 裸土57.612.820.436.515.621.480.323.153.0 可以看出在150 cm高度空气温度与湿度明显受地表温度的影响， 空气温度的日变化趋势与地表温度相同， 而空气湿度的日变化趋势与地表温度存在反向变化关系，但是不同的下垫面覆盖类型由于物质的热学性质不 同导致地表温度的日变化存在差异，而这种差异直接影响其上空气温湿度的日变化。 地表温度、空气温度从午夜0时到日出前缓慢降低，日出前达到最低值，日出后温度迅速上升至午后达 到最高值，地表温度与空气温度的最高值均以沥青道路、水泥广场、裸土较高，草地较低，林地最低，傍晚 日落后温度迅速下降。由于林木的叶面积指数较高、叶片具有较强的蒸腾作用，因此林地的地表温度、空气 温度在太阳直接辐射下的升温速率与降温速率最缓，次之为草地；裸土与沥青道路、水泥广场相比，升温快， 降温也快；由于水泥广场、沥青道路的热容量较大导致其升温速率比裸土慢，其地表温度、空气温度达到最 高值的时间比裸土滞后，而午后沥青道路、水泥广场的降温速率也比裸土慢，沥青道路、水泥广场的地表温 度、空气温度明显高于裸土，更高于草地与林地，约20:00之后由于水泥广场的热容量比沥青道路大其地表温 度、空气温度高于沥青道路，以上原因导致夜间出现显著的城市热岛现象。 城市不同地表类型地表温度与空气温湿度的观测 空气湿度表现为夜间高、白天低，午夜0时后波动上升在日出前达到最大空气湿度，清晨日出后空气湿 度迅速下降，下午15时左右达到最低空气湿度，最低空气湿度的前后出现平稳波动，日落后空气湿度迅速升 高。观测的150 cm高度空气相对湿度的高低排序与温度恰好相反，最高为林地，次之为草地，最后分别为裸 土、水泥广场、沥青道路。在清晨日出前，林地、草地的相对湿度最高值在90%以上，高于裸土、水泥广场、 沥青道路的相对湿度超过10%，差距最大；午后林地、草地的相对湿度最低值在25%以上，略高于裸土、水 泥广场、沥青道路。 午后在太阳直接辐射下，沥青道路、水泥广场、裸土的地表温度最高值分别比林地高25、23、25， 草地比林地高8；而沥青道路、水泥广场、裸土的150 cm高度空气温度最高值分别比林地高8、7、近6 ， 草地比林地高3；沥青道路、水泥广场、 裸土的150 cm高度相对湿度最低值分别比林地低7%、 6%、5%， 草地比林地低3%。 夜间24:00，水泥广场、沥青道路的地表温度分别比林地高10、6，裸土比林地高2，草地比林地高 1；而水泥广场、沥青道路的150 cm高度空气温度分别比林地高4、3，裸土、草地、林地三者的空气温 度相差低于1；沥青道路、水泥广场、裸土的相对湿度较低，比草地、林地低约8%左右。 4结 论 在没有人为散热影响的前提下，不同地表类型下垫面物质的热容量、热传导率、热惯量等热学性质不同 使得地表温度的数值和变化速率存在差异，而地表温度的差异影响近地表空气温度与湿度的日变化趋势而存 在差异。 白天沥青道路、水泥广场、裸土的地表温度与空气温度较高，地表温度最高值比林地高23以上，空气 温度最高值比林地高6以上，空气湿度较低，相对湿度最低值比林地低超过5%；而草地的地表温度与空气 温度略高于林地，地表温度最高值比林地高8，空气温度最高值比林地高3，空气湿度略低于林地；林地 的地表温度与空气温度最低，空气湿度最高。植被蒸腾作用吸收大量的热量、增加空气湿度，尤其是林木的 叶面积指数较大且具有较强的蒸腾作用；裸土存在水分蒸发而吸热增湿，但其表层可供蒸发的水分较少，土 壤的热传导率低于水泥、沥青，因此裸土升温较快，降温也较快；水泥广场、沥青道路是严密不透水分的， 不存在水分蒸发降温增湿。 由于城市水泥建筑物、 水泥或沥青道路的热容量大、热传导率高，白天太阳直接辐射的大量能量被吸收、 贮存，傍晚日落后所贮存的热量缓慢释放，使得近地表空气温度下降缓慢，导致夜间出现显著的城市热岛现 象。夜间24:00，水泥广场、沥青道路的地表温度分别比林地高10、6，使近地表空气温度比林地高3以 上，空气相对湿度比林地低10%，而裸土、草地、林地三者的空气温度相差低于1。 要降低城市水泥建筑物、水泥或沥青道路形成的热岛现象，获得舒适的局地小气候环境，应在水泥建筑 物间、道路两侧种植叶面积指数较大、蒸腾作用较强的乔木树种，辅以种植灌木、草地，有条件的可以进行 屋顶绿化、墙体绿化。 参考文献 1 张晓朋, 王修信, 梁维刚, 等. 太阳辐射下不同绿化植被表面温度的观测 J . 广西物理, 2009, 30(2): 9-11. 2 秦丽梅, 王修信, 梁维刚, 等. 冬季水源林植被覆盖度变化对地表温度的影响 J . 广西物理, 2009, 30(3): 5-7. 3 郭勇, 龙步菊, 刘伟东, 等. 北京城市热岛效应的流动观测和初步研究 J . 气象科技, 2006, 34(6): 656-661. 4 郑思轶, 刘树华. 北京城市化发展对温度、相对湿度和降水的影响 J . 气候与环境研究, 2008, 13(2): 123-133. 5 张敏, 张荣霞, 王新燕, 等. 聊城市地面温度与气温的相关分析 J . 山东气象, 2005, 25(4): 19- 20. 6 阿帕尔, 叶尔克江, 冯俊平. 昌吉市地温与气温关系初探 J . 沙漠与绿洲气象, 2007, 1( 3) :