既有住區室外碳排放空間分布特征與影響研究*

劉 鳴 連超麗 谷紅磊 范 悅 李翥彬

0 引 言

溫室氣體及其對氣候影響的研究由來已久，雖然CO2占大氣總量不足0.05%，但其濃度的變化卻能對全球溫度變化帶來重大影響[1]。研究表明，人類活動強度最大的城市居住區是CO2等溫室氣體的重要源區，CO2濃度指標可直接反應居住區室外環境的空氣品質和居住區對大氣CO2濃度的貢獻程度。CO2濃度指標是既有住區碳排放量的最直觀的反映，住區CO2濃度的變化和分布規律反映了住區整體的碳排放的現狀[2]。

目前關于城市居住區的CO2濃度的相關研究主要是室內外CO2濃度連續監測與分析，葉爾江·拜克吐爾漢在論文《校園CO2濃度時空動態特征》中采用CO2測試儀對校園中不同測試點的CO2濃度動態變化過程進行了觀測，發現校園CO2濃度呈明顯的日、季節和空間變化規律，氣溫變化和人為活動對CO2濃度變化的影響最為顯著[3]。本文對大連市居住區的室外CO2濃度開展了連續測試與研究，通過Grasshopper和Rhino軟件將其空間分布以可視化形式表達，并對不同住區CO2濃度的變化特征和影響因素進行了進一步的分析。本文的研究對于了解居住區的人類活動對空氣品質的影響具有重要意義，并以可視化方式將其進行表達。

圖1 住區測試采樣點分布圖Fig.1 map of test sampling points in residential areas

1 測量儀器及測試方法

本文的測試主要選用TSI—7525型空氣品質測試儀和LIGHTHOUSE大氣可吸入顆粒物濃度測試儀對大連市大有恬園小區和昌平小區夏季全天（24 h）的住區微環境指標（溫濕度、PM2.5濃度和CO2濃度）進行了測試，測試時間間隔為2 h[4]。根據《室內外空氣質量標準》（GB/T18883-2002）[5]對于采樣點布置的要求和測試小區具體的空間特征，采樣點在首先遵循網格化劃分的基礎上，選取了距離網格點最近的空間特征點，同時根據道路等級，在小區邊緣城市道路和小區內部道路上分別均勻布置了一定數量的點，然后在小區內部典型的特征空間上布置了一定數量的點，采樣點分布如圖1所示，采樣點的高度距地面均大于l m[6]。

2 室外CO2濃度可視化表達

隨著住區室外微環境無時無刻的變化，住區的室外CO2濃度處在一個動態的變化發展過程之中[7]，因此，本文對住區CO2時空分布可視化表達是基于采樣時刻、測試點分布和采樣數據變化的基礎上實現的，通過Grasshopper和Rhino軟件可以很好的表達這種由“數據輸入—空間分布模型構建—可視化表達”的過程，在Grasshopper軟件中根據住區的地理特征建立40*40三維空間網格曲面來覆蓋小區，三維空間z軸即為CO2濃度（ppm）變化，x、y軸依次為小區的南向和東向，通過采樣點全天不同時刻的濃度高低變化來實現空間曲面的動態變化過程的表達[8]。可視化的表達以顏色變化來表示該小區CO2濃度值高低，根據測試數據，取顏色表達范圍為320～550 ppm。依據該模型可以看出小區整體的CO2濃度空間分布特征，并對全天不同時刻特征進行研究，Grasshopper編程電池圖如圖2所示。

將測試數據輸入軟件，經過處理與分析，可得出大有恬園小區和昌平小區全天各時刻CO2濃度變化曲面，每隔4 h的空間分布模型如圖3-4所示。

3 測試結果分析

3.1 空間分布分析

由圖3a和4a可知，測試住區在上午6時左右的CO2濃度值較高，整體呈黃色，分布相對均衡，受道路交通和人群活動的影響較小；大有恬園小區局部受交叉口影響和人口活動量較高[9]，昌平小區邊緣北側和東側主干道CO2濃度呈現緩慢升高的趨勢。

由圖3b和4b可知，測試住區在上午8時左右住區CO2濃度最高；由于處于交通高峰期，大有恬園小區南側和昌平小區東側和北側受主干道影響，CO2濃度迅速上升，并向小區內部擴散；大有恬園小區內部及西側因內部交通影響小且綠化植物多，因此CO2濃度則呈下降的趨勢，碳匯效果明顯；而昌平小區由于植物較少，CO2濃度下降不明顯。

由圖3c和4c可知，10∶00左右，道路交通對居住區CO2濃度變化影響減弱，人群活動影響逐漸增強，由于綠化固碳效應整體CO2濃度逐步降低，呈現藍色。

由圖3d和4d可知，14∶00時CO2濃度值達到最低點，中心綠化地帶處于最低點，分布較為均勻，周邊道路車輛明顯減少，綠化固碳作用較為明顯，此時小區內CO2濃度變化主要受人群活動影響，人群聚集處如主入口及前廣場，涼亭等處CO2濃度相對略高；由此可見，CO2濃度變化與受交通強度大小影響較為明顯。

由圖3e和4e可知，18∶00左右小區CO2濃度整體呈現上升趨勢，人群活動程度較大的地方，如主入口前廣場，人群聚集，上升趨勢最大，小區內部小廣場也有部分人群活動，CO2濃度相對較高。此外小區受周邊交通影響也較大；

圖2 CO2濃度空間分布Grasshopper編程圖Fig.2 Grasshopper programming map for spatial distribution of CO2 concentration

圖3 大有恬園小區全天各時刻CO2濃度空間分布模型Fig.3 spatial distribution model of CO2 concentration at all times of the day in Dayoutianyuan district

圖4 大有恬園小區全天各時刻CO2濃度空間分布模型Fig.4 spatial distribution model of CO2 concentration at all times of the day in Dayoutianyuan district

由圖3f和4f可知，22時左右CO2濃度整體較高，呈上升趨勢，此時人群活動和交通都相對很少，分布較為均勻，受通風情況影響，通風較差的地方CO2擴散較慢，濃度值相對較高。

3.2 時間分布分析

根據測試數據將各個采樣點在時間軸上的變化進行逐一統計分析，下文將以大有恬園小區采樣點1和采樣點13、采樣點9和采樣點22為例對比分析交通流量，人群活動及綠化通風對CO2濃度變化的影響[10]。

如圖5a所示，采樣點1為主入口前廣場，靠近住區南側交通主干道和東側次干道的道路交叉口，受周邊交通狀況和廣場人群活動影響比較嚴重，由于交通高峰期的影響，CO2濃度在8時左右達到峰值，而后呈下降趨勢，在14時左右達到最低，此后接近傍晚，廣場上人群逐漸聚集，移動碳源增多，CO2濃度再度增加。對比而言，采樣點13為小區東側次干道車行出入口，交通狀況相對良好，整體低于采樣點1的CO2濃度，只在早晚上下班車輛出入時間段CO2濃度較高，其他時間變化相對平緩。

圖5 不同采樣點全天CO2濃度變化對比分析Fig.5 comparison and analysis of CO2 concentration changes at different sampling points throughout the day

圖6 室外微環境指標全天變化趨勢Fig.6 change trend of outdoor micro environment index throughout the day

表1 相關性分析Tab.1 correlation analysis

由上圖5b可知，采樣點9為小區內中軸線上的涼亭休息處，由于測量時間為夏季，涼亭是小區內人群聚集處，受人的行為影響最為嚴重，人們白天全天聚集在此休息或進行休閑活動，受此影響該點全天CO2濃度偏高，只在14時人群短暫離開休息時較低。采樣點22為小區內中軸線上主廣場，在早晚人群活動高峰期，廣場上會聚集各種活動（如廣場舞等）時達到峰值，其他時間段均較低，在下午14—16時左右達到最低值。從數值變化規律來看，CO2濃度變化規律與人為活動強度變化基本一致，呈正相關性。

綜上所述，CO2濃度變化呈明顯的雙峰特點：早高峰出現在上午8時左右，晚高峰出現在傍晚18—20時左右。早高峰的濃度變化較為迅速，上升趨勢明顯，而晚高峰變化則較為平緩。每日下午14時左右，通常為全天CO2濃度的最低時段。從數值變化規律來看，CO2濃度變化規律與人為活動強度變化和周邊交通強度變化基本一致，表明其明顯受到人為活動和交通狀況影響。而CO2濃度最低值常出現在午后，這與植物固碳和午后城市大氣邊界層相對較高以及通風擴散條件有利，有著較為直接的關系[3]。

4 相關性分析

住區的CO2濃度變化與住區微環境的變化是息息相關的，為研究CO2濃度值變化與住區環境的溫濕度，及PM2.5可吸入顆粒物濃度的關系，將測試數據輸入SPSS分析軟件并進行相關性分析[11]。室外微環境指標全天變化趨勢如圖6所示。

由下表1相關性分析結果可知居住區室外CO2濃度平均值變化與溫度變化的相關系數為-0.424，呈現低度的負相關性[12]；與相對濕度，PM2.5可吸入顆粒物濃度的變化呈正相關趨勢，其中與相對濕度相關系數為0.616，為中度相關。分析表明CO2濃度值白天隨著溫度的升高逐漸降低，隨著濕度和PM2.5可吸入顆粒物濃度值的降低而逐步降低[13]。

5 結 論

本文通過對大連市大有恬園小區和昌平小區室外CO2濃度的實地測試，對比分析研究了大連市典型居住區的CO2濃度時空分布特性，并實現了對居住區CO2濃度的可視化表達，通過本文的研究可得出以下結論。

第一，居住區室外CO2濃度日變化呈明顯的雙峰特點：早高峰出現在8時左右，晚高峰出現在傍晚18—20時左右，早高峰的濃度變化較為迅速，上升趨勢明顯，而晚高峰變化則較為平緩；夜晚由于活動減少，CO2濃度相對比較穩定，變化很小；CO2濃度變化與受交通強度大小影響較為明顯。

第二，CO2濃度變化人群活動、綠化固碳等因素影響較大[15]，在人群集中地CO2濃度明顯上升，通過對比不同小區的變化，在綠化植物較多的區域，由于植物固碳作用，CO2濃度明顯下降。

第三，夏季CO2濃度變化與溫度變化呈低度的負相關性，與濕度、PM2.5可吸入顆粒物濃度的變化呈明顯的正相關性。