干旱綠洲區校園不同地表反照率差異及其環境效應

葛書雅

摘要：伴隨干旱綠洲區快速城鎮化而產生的熱島效應，會削弱綠洲的冷濕島效應，影響當地居民生活的舒適度。選取干旱綠洲區校園5種典型地表，觀測地表反照率與地表溫度。結果顯示，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的熱物理性質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，會導致高強度的顯熱釋放，增強熱島效應。建議在校園建設過程中應該以天然綠地為主，注意人工地面材料選擇與合理布局。

關鍵詞：天然草坪；人工地面；反照率；地表溫度；環境效應

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系統的結構與分布，而且通過能量的轉化與傳輸，直接或間接影響局地、區域乃至全球的氣候變化。太陽輻射穿過大氣到達地表后，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的形式傳輸到大氣與土壤，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地表的太陽總輻射的比值，它反映了地表對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“非灌不植”的綠洲，相對于周圍沙漠而言具有冷濕的區域氣候特點[1]，成為干旱區人類活動的主要場所。但是，隨著城鎮化的迅速發展，“熱島效應”日趨增強，嚴重影響綠洲生態環境與當地居民生活舒適度。但是，在干旱綠洲區城鎮化進程中，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，研究校園內不同地表的反照率特征，對于揭示城市地表能量收支平衡、局地小氣候的形成與變化，以及指導校園自然環境建設，提高校園環境舒適性具有重要意義。

一、研究區與研究方法

本研究選擇甘肅省張掖市第二中學（張掖二中）為研究區。張掖二中坐落于甘肅省河西走廊中段的張掖市甘州區，甘州區平均海拔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，年蒸發能力卻高達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成，人行道鋪設花磚，操場鋪設塑膠跑道，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境效應差異，選擇校園內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據具有可比性，觀測在夏季晴天正午（2018年7月2日13：00-14：00）進行，選擇太陽總輻射>1000 W·m-2時刻的數據參與分析比較。數據由CR6數據采集器（Campbell Scientific Inc.）自動采集，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。根據試驗觀測結果，發現張掖二中校園內5種典型地表的反照率存在顯著性差異（P<0.05）（圖1）?；ùu地面表面光滑，具有最小的粗糙度，地表反照率高達0.185?；炷恋孛婵此乒饣?，卻存在很多蜂窩結構，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的熱物理特征。塑膠跑道的主要成分是聚氨酯，其導熱系數和比熱容分別為0.024W·m-1K-1和1.38KJ·Kg-1K-1。聚氨酯良好的熱惰性導致塑膠跑道正午地表溫度可達51.9 ℃（圖1）。顯著高于當日最高空氣溫度（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/尼龍相對較大的導熱率（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較?。?.97 KJ·Kg-1K-1）的砂石材料構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、結論與討論

本研究通過對張掖二中校園內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據，結果顯示，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的熱物理性質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，這會導致高強度的顯熱釋放，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，不僅會通過鞋底傳到腳掌，增強運動員的不適反映，極易導致嚴重的健康問題；而且其形成的熱島效應，會造成學生中暑、暈厥，這類事件的報道已經屢見不鮮[3]。因此，在校園建設過程中應該以天然綠地為主，注意人工地面材料選擇與合理布局[4]。

參考文獻：

[1]胡隱樵，高由禧.黑河實驗（HEIFE）──對干旱地區陸面過程的一些新認識[J].氣象學報，1994 （3）：285-296.

[2]吳志豐，王業寧，孔繁花，孫然好，陳利頂，占文鳳.基于熱紅外影像數據的典型居住區常見地表類型熱特征分析[J].生態學報，2016，36 （17）：5421-5431.

[3]高玖靈，郭敏，王小濤.熱島效應條件下學校塑膠場地安全性的調查研究——以武漢市學校為例[J].武漢體育學院學報，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分析[J].北京大學學報：自然科學版，2014，50 （5）：812-818.