蓝色与绿色：气象站研究俄勒冈州波特兰市的城市绿色屋顶性能。

保罗·D·沃尔夫与凯蒂·费尔弗
俄勒冈大学
建筑系
俄勒冈州尤金市，97403-1206
pwolfe.uoregon@gmail.com
kmfelver@gmail.com

图像

图1：靛蓝大厦（12W）绿色屋顶，请注意屋顶遮蔽物和已安装的气象站

绿色屋顶是一项在全球范围内应用日益广泛的技术，其在城市雨水缓解和隔热方面的作用可提升建筑性能；然而，天气条件会对这些理想性能产生影响。本研究对俄勒冈州波特兰市的两处不同城市绿色屋顶进行分析，探讨其热性能、水文特性以及遮阳和太阳辐射对屋顶表面的影响。

已安装气象站并记录以下数据：土壤温度、环境温度、相对湿度（RH）、土壤湿度、降水量和风速。经过短暂测试期后发现，太阳暴晒会降低热性能；处于遮阳环境的屋顶温度更趋于正常且更低。恶劣天气暴露会影响屋顶的水文性能。其中一处屋顶的排水滞后时间最长可达两天，表明雨水缓解效果显著。

1. 引言与背景

图像

图2：青蓝大厦绿色屋顶

俄勒冈州波特兰市素以对环境和可持续发展运动的承诺而闻名，该市已开始着手解决日益严重的雨水径流和雨水管理问题。目前亟需防止合流制下水道系统溢流事件，此类事件会将雨水和污水一同排入威拉米特河，最终经哥伦比亚河汇入太平洋。波特兰环境服务局（BES）列出了多种雨水管理方法，其中之一便是绿色屋顶（或称生态屋顶）⁽¹⁾。波特兰20%的地表面积为屋顶景观，因此绿色屋顶成为减少雨水径流和合流制下水道系统溢流事件的合理且潜在有效的方法。除雨水管理效益外，生态屋顶还应通过降低屋顶表面温度和再辐射来缓解城市热岛效应，并可能促进本地生物群向昔日生态“死区”渗透。需要更好地理解绿色屋顶系统在城市环境中的有效性，这可通过分析环境问题及其对绿色屋顶性能的影响来实现。

本研究对俄勒冈州波特兰市中心的两处屋顶进行了监测和分析。分别是由ZGF建筑师事务所与Gerding Edlen开发商合作设计的靛蓝大厦（又称12W），以及由THA建筑事务所、GBD建筑事务所与Gerding Edlen开发商合作设计的青蓝大厦。

两座建筑均采用扩展型绿色屋顶。扩展型绿色屋顶的特点是生长介质深度小于6英寸，植物类型通常为景天属植物、苔藓、草本植物和 grasses⁽²⁾。

2. 研究问题

2.1 屋顶对比

靛蓝大厦的扩展型绿色屋顶位于顶层，距地面23层，其土壤深度、太阳遮阳和风力条件差异显著。相比之下，青蓝大厦的扩展型绿色屋顶位于建筑的三层部分，深度、遮阳和风力条件均较为一致，且植被更为成熟。因此，直接对比两座屋顶只能得出推测性结论。本研究转而从不同角度考察两座屋顶，利用每座屋顶的独特属性来得出关于性能的不同结论。本研究计划持续一整年，以测量不同季节的屋顶状况，比较多雨冬季与干旱夏季的影响。

2.2 靛蓝大厦屋顶研究问题

靛蓝大厦绿色屋顶的条件在屋顶表面形成了多种环境微气候，包括不同程度的太阳遮阳，涵盖近乎100%的太阳辐射暴露和近乎100%的遮阳环境。在这两种相反条件下设置两个气象站，所获数据可用于分析太阳遮阳对绿色屋顶性能的影响。这种对比结果有助于理解在绿色屋顶表面放置建筑设施、设备和光伏板的后果。

直接太阳辐射遮蔽如何影响绿色屋顶的降水吸收、隔热性能和水分储存率？

2.3 青蓝大厦屋顶研究问题

青蓝大厦绿色屋顶的均一性为研究绿色屋顶的水文效应提供了机会。通过一个气象站监测降雨量及随后土壤 moisture 含量的变化，进而估算绿色屋顶的排水速率。由于屋顶排水系统的构造，无法直接测量绿色屋顶的总径流量，但可使用简化的水量平衡方程进行估算。

在俄勒冈州波特兰市气候区，未遮蔽的新建扩展型绿色屋顶受天气影响如何？

利用简化的水文方程，青蓝大厦绿色屋顶的排水量是多少？

3. 术语

景天属植物（Sedum）：包含近400种多叶多肉植物的属；从草本到灌木不等，常用于扩展型屋顶。

蒸散作用（Evapotranspiration）：水文系统中因蒸发和植被蒸腾导致的水分流失类型。

排水量（Discharge）：水文系统的出流量。

4. 研究方法

4.1 setup与安装

冬季开始，在各屋顶设置气象基站，以测量每个绿色屋顶的各种环境特征。

在靛蓝大厦屋顶，安装了两台Onset HOBO无线气象站（U30）。一个站点设置在近乎100%的直接太阳辐射暴露环境中，另一个设置在近乎100%的遮阳环境中。遮阳百分比通过Solmetric Suneye太阳辐射测量仪确定。在设置100%遮阳气象站时，为确保给电池充电所需的光伏板每天能在部分时间接受直射阳光，对站点位置做了调整。

气象站和三脚架配备适当的安装固定设备后，传感器安装在气象站及其周围。未排除周围屋顶设备和建筑特征对传感器范围的干扰，因为它们是屋顶组件的组成部分，因此会对绿色屋顶产生影响（图1）。土壤温度和土壤湿度传感器放置在彼此直接邻近的位置，并在屋顶生长介质中处于相对相同的深度（1英寸）。这样做是为确保传感器返回的读数具有可比性。

在青蓝大厦，使用的基站是Onset HOBO气象站（U22）。U22使用与前述相同的所有传感器，并以相同方式安装。

4.2 记录与数据提取

所有气象站设置并固定后，启动它们开始记录数据。对于两台U30设备，使用HOBOware软件包和笔记本电脑将预设的1分钟记录周期配置加载到记录仪中，这在现场完成。对于U22设备，设置在实验室中使用HOBOware软件预加载到设备上，并设置触发条件（本研究中为设备内部的“记录”按钮）。对于这两种类型的设备，可通过设备内部的LED指示灯确认记录状态，该指示灯每30秒闪烁一次，表示记录正在进行。

数据可按大致计划提取，但仍能与所有先前和后续数据集进行比较。提取数据时，U22使用手持Onset U-Shuttle设备，U30则需要笔记本电脑。对于U30站点，将笔记本电脑连接到HOBOware软件，软件会提示用户继续记录或停止。在这两种方法中，必须确认提示才能使记录仪继续记录。在所有情况下，提取的文件应在多个位置备份以防数据丢失。

1. 数据分析
2. 从U30设备收集的数据已为HOBOware格式，但从U22设备获取的数据存储在Shuttle中。使用计算机和HOBOware软件包从U-Shuttle设备下载读数。通过HOBOware软件，数据可导出为表格格式，以便在Microsoft Excel中进行分析。可在Excel中快速创建和分析图表及数据点，用于绘制各个参数随时间的变化。

5. 研究方法

5.1 初步观察与问题

初始数据收集期为12天（2010年2月8日，气象站安装并启动）至2010年2月19日。气象站校准为所有5个传感器以1分钟为间隔记录数据，每分钟产生8个独立数据点，包括时间/日期戳。在相对较短的12天内，共收集到414,720个独特数据点。仅使用其中8天进行比较。

收集并分析所有三个气象站的数据后，发现降雨量数据存在异常：在2月的12天内，三个雨量计的降水量读数均为0.00英寸。凭直觉判断这几乎不可能，查看俄勒冈州波特兰市的美国地质调查局（USGS）HYDRA数据显示，该时间段的总降水量为1.40英寸。为补充各个气象站站点缺乏准确降水数据的不足，从与所有三个气象站位置大致等距的站点获取HYDRA降水数据。HYDRA降水数据仅提供1小时记录，图表结果反映了这种可用数据的差异。

图像

图3：土壤湿度、土壤温度和环境温度与降水量的关系

5.2 靛蓝大厦：遮阳

靛蓝大厦两个气象站的数据显示，100%遮阳和100%太阳辐射暴露两种条件存在明显差异。相对温度呈现一致趋势且几乎相同（图3），仅有微小变化。

两种遮阳条件下的土壤温度差异在与环境温度的关系中表现。