A multi-layer model for transpiration of urban tree considering vertical structure

Abstract

As the urban heat island has been intensified, the cooling effect of urban trees is becoming important. Tree can reduce the radiant heat reaching the surface of the urban area by blocking or reflecting the radiant heat. In addition, the surface temperature of the tree is lower than that of the impervious surface such as asphalt and concrete, resulting in lower longwave radiation. Transpiration of tree also have cooling effect by releasing water into the atmosphere through the stomata of leaves, which reduces urban sensible heat by increasing latent heat. However, most previous studies which have conducted to calculate the transpiration rate have not focused on urban trees or oversimplified plant physiological process. I propose a multi-layer model for transpiration of urban tree accounting for plant physiological process considering the vertical structure of trees and buildings. It is expanded from urban canopy model to simulate photosynthetically active radiation and leaf surface temperature accurately. To evaluate how building and tree conditions affect transpiration, I simulate transpiration by scenarios varying conditions of building height, tree location and vertical leaf area variation of trees. Simulations are conducted on four LAD distribution of trees; (1) Constant Density (C.D), (2) High Density, few layers (H.D), (3) High Density in Middle layers (M.H.D), (4) High Density in lower layers (L.H.D). LAI and tree height is same in all cases. The scenarios include three types of surrounding building (12m, 24m, and 36m) and two types of tree location (South and North). One of the day that was a clear day, did not have rain back and forth, had high air temperature, low relative humidity is selected (1 August 2018) in Seoul (126.9658, 37.57142) to simulated, so that transpiration can occur highly. The result show transpirative-efficient LAD distribution differs depending on tree structure and surrounding building height. The north tree surrounded by low building is most efficient for transpiration. The difference in tree transpiration during a day is up to 24.1%(south), 13.2%(north) depending on the building height. In scenario where building height are high(3H) and low(1H), the variations in tree transpiration during a day is up to 8.3% (3H) and 7.4%(1H) according to LAD distribution. This model can be a useful tool for providing guideline on the plantation of thermo-efficient trees depending on the structure or environment of the city. And if radiant heat reduction effects are analyzed together in future studies, it will be able to get more accurate insight into the cooling effects of trees.

도시 열섬 현상이 심해짐에 따라 도시 수목의 냉각 효과가 중요해지고 있다. 수목은 복사열을 차단하거나 반사시켜 도시 표면에 도달하는 복사열을 저감시킬 수 있고, 수목의 표면온도는 아스팔트나 콘크리트 등의 불투수 표면보다 낮아 방출하는 장파 복사열을 줄일 수 있다. 또한, 수목의 증산 작용은 뿌리를 통해 흡수한 물을 잎의 기공을 통해 대기로 방출함으로써 잠열을 증가시켜 현열을 감소시킨다. 그러나, 증산량을 계산하는 대부분의 연구들은 도시 수목에 집중하지 않거나, 수목의 생리학적인 과정을 지나치게 단순화한다. 나는 수목과 건물의 수직적 구조를 고려하여 도시 수목의 증산량 산정 다층 모델을 제안한다. 이것은 광합성 활성 방사선과 잎의 표면 온도를 정확하게 모의하기 위하여 도시 캐노피 모델에서 확장되었다. 건물과 수목 환경이 증산에 주는 영향을 평가하기 위하여 건물 높이, 수목의 위치, 그리고 수목의 수직적 잎 면적 분포에 따라 달라지는 시나리오들로 증산량을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션은 네 가지 잎 면적 밀도(LAD) 분포를 가진 수목을 실시하였다; (1) 일정한 밀도(C.D), (2) 높은 밀도와 적은 층 (H.D), (3) 중층부에서의 높은 밀도 (M.H.D), (4) 하층부에서 높은 밀도 (L.H.D). 잎 면적 지수(LAI)와 수목의 높이는 모든 경우에서 동일하였다. 시나리오는 세 가지 건물 높이(12m, 24m, 그리고 36m)와 두 가지 수목 위치(남쪽, 북쪽)을 포함하였다. 시뮬레이션을 위해 서울에서 전후 시간에 비가 오지 않았고 높은 기온, 낮은 습도를 가진 맑은 날(2018년 8월 1일)을 선정하여 증산 작용이 크게 일어나게 하였다. 시뮬레이션 결과는 수목 구조와 주변 건물 높이에 따라 증산-효율적인 LAD 분포가 다르다는 것을 보여준다. 낮은 건물로 둘러싸인 북쪽 수목은 증산에 가장 효율적이었다. 하루 동안 수목의 증산량의 차이는 건물 높이에 따라 최대 24.1%(남쪽), 13.2%(북쪽)까지 차이가 났다. 건물 높이가 높고(3H), 낮은(1H) 시나리오에서는 LAD 분포에 따라 하루 중 수목의 증산량의 편차가 최대 8.3%(3H), 7.4(1H)였다. 이 모델은 도시의 구조나 환경에 따라 열 효율이 높은 수목 식재에 관한 가이드라인을 제공하는 데 유용한 도구가 될 수 있을 것이다. 그리고 향후 연구에서 복사열 저감 효과와 함께 분석한다면 도시 수목의 냉각 효과에 대한 보다 정확한 통찰력을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.