冷卻屋頂對福州市夏季高溫影響的模擬研究

官雨潔， 吳 濱， 黃書捷， 陳 立

(1.福州市氣象局，福州 350000； 2.福建省氣候中心，福州 350000； 3.莆田市涵江區氣象局，福建 莆田 351111)

引 言

隨著全球氣候變暖加劇，極端天氣氣候事件明顯增多，加上近年來城市化進程加快，區域極端高溫事件頻繁發生，給人們的日常生活帶來嚴重威脅。如何有效緩解城市高溫,已成為當下的研究熱點。大量研究結果表明，城市下墊面性質對氣溫的影響最為顯著[1-6]。主要由混凝土或瀝青等構成的城市下墊面，其相對于自然表面具有較大的反照率、較小的熱容量和很少的蒸發特征，能將入射的太陽輻射有效地轉化為熱量，使城市溫度上升。針對這一特點，有學者指出，可以通過改變城市地表屬性來緩解城市高溫。然而在高密度建筑物的城市區域，能利用的空余土地十分有限，因此研究人員開始把目光轉向屋頂，利用高反照率屋頂和綠色植被屋頂來降低城市溫度[2,4-6]。高反照率屋頂與綠色植被屋頂在降低城市溫度方面的作用原理是有所不同的。高反照率屋頂對太陽光進行反射，使地面接收到的熱量降低，而綠色屋頂則是通過調節潛熱來提高城市蒸發量，從而降低城市溫度。

冷卻屋頂(高反照率屋頂和綠色屋頂)對城市的降溫作用已得到廣泛驗證。Millstein等[7]通過區域氣候模式對大規模市區高反照率屋頂進行模擬，但由于城市冠層模型中分辨率較低，未能充分表述出城市環境。Smith等[8]在芝加哥利用WRF模式對綠色屋頂的降溫效果進行模擬，結果表明綠色屋頂能使氣溫下降，但模式中忽略了植被對熱容量和導熱率等所產生的影響。Sun等[9]借助WRF-PUCM城市冠層模式分析綠色屋頂在降低北京酷暑溫度方面的作用，得出綠色屋頂能夠有效改善城市熱島的結論。Zinzi等[10]利用建筑物耗能軟件對不同型屋頂開展研究，結果表明，冷卻屋頂確實能使氣溫下降。近些年國內關于冷卻屋頂的研究也在開展中。王成剛等[11]分析了南京建筑屋頂的熱存儲特征，結果表明，屋頂綠化確實有助于緩解城市高溫。王詠薇等[12]用數值模擬方法研究重慶高密度建筑物區域對城市氣象環境的影響。福州市作為福建省省會，城鎮化率達70.3%，為典型的亞熱帶季風氣候區和典型的河口盆地地貌，夏季受高溫影響明顯。針對福州市夏季高溫現狀，利用數值模擬方法分析冷卻屋頂對福州城市高溫的緩解作用，不僅符合城市氣象研究方向，同時為解決城市熱島問題提供了科學依據。

1 模式及方法

1.1 WRF模式及方案選擇

WRF模式為美國國家大氣研究中心及環境預報中心等聯合開發的新一代高分辨率中尺度預報模式。目前，有3種城市冠層方案在WRF中可供選擇：UCM、BEP和BEM+BEP。為提高模擬實驗效果，此次研究將WRF模式和UCM單層城市冠層方案耦合，得到WRF/UCM嵌套模式。這一模式的優點在于計算較為簡便高效，并且綜合考慮了多個因素(建筑物對輻射的遮擋和長短波的反射作用等[5,10])，可以較為精準地反映城市動力學及熱力學效應[5,13]。

本文以2013年7月29日08時至8月11日08時作為福州市夏季高溫天氣的研究背景(所選時段天氣晴朗、少云微風)，運用WRF3.7.1進行研究。此次模擬區域以福州城區(26.08°N、119.29°E)為中心，采用三重嵌套網格，網格距分別為9、3和1 km，格點數分別為100×100、88×88和100×100，最內層區域覆蓋了福州主城區及少量郊區，垂直方向包括53層，其中2 km以下垂直層數加密到22層。初始及邊界要素使用NCEP 1°×1°的每6 h更新一次的再分析資料。最內層下墊面分布情況見圖1。試驗中采取的物理參數化方案核心為RRTM長波[14]及Dudhia短波[15]輻射方案、YSU邊界層方案[16]、WSM6微物理方案[17]、莫寧-奧布霍夫地表方案[18]、Noah陸面模式[19-20]和單層城市冠層耦合方案等，因為內層研究區分辨率較高，所以積云參數化方案Grell 3D僅應用于最外層。

圖1 福州市夏季WRF模擬區域概況

1.2 算例及城市參數設置

城市參數的合理設定能得到更為準確的模擬結果。本研究中設置的建筑物相關參數來源于福州市核心區的樓房狀態測算，熱系數則由屋頂、街道、墻面的實際用材確定。

此次研究設計了三組共八個算例(具體見表1)，以實現高反照率屋頂及綠色屋頂兩種冷卻屋頂對福州市夏季溫度、風速及相對濕度等要素的作用效果探討。對照算例(CTRL)將屋頂反照率設置為0.2來模擬真實情況下福州市的屋頂反照率大小；綠色屋頂的4個算例(GR2-5)將城市屋頂植被覆蓋占比設置不同，其余不變；高反照率屋頂的3個算例(HR6-8)將城市屋頂反照率設置不同，其余不變。其中，由于福州市屬典型的亞熱帶季風氣候，雨量充沛，綠色屋頂算例中將土壤含水量設為0.35 m3/m3，葉面積指數設為1.5。

表1 福州市2013年7月29日08時至8月11日08時高溫模擬算例和城市參數設置

1.3 舒適度指數

舒適度指數(SSD)的計算公式[21-23]為

SSD=1.88T-0.55(1.8T-26)(1-U)-3.2V1/2+3.2

(1)

其中，T是氣溫，U是相對濕度，V是風速。計算后的SSD值越高，意味著舒適度越低，即人體感知越不舒適。

2 模擬結果評估

為了檢驗WRF模式下的UCM對福州市的模擬效果，本文利用2013年7月29日08時至8月11日08時的福州城區及郊區自動氣象站觀測數據與同時期CTRL模擬得到的2 m氣溫(T2)及相對濕度(RH)及10 m風速(WS)進行對比分析，結果如圖2所示。圖中模擬的氣溫和相對濕度不僅與觀測值的變化趨勢相似，而且峰谷值的出現時間基本一致，總體來說模擬結果與實際觀測結果相差較小。圖2(a)中，8月2日08時至3日08時觀測值的氣溫低于模擬值，偏差在5 ℃左右。圖2(c)中，8月2日08時至3日08時觀測值的相對濕度高于模擬值，偏差在20%左右。究其原因為2日白天受人為因素(如灑水車等)影響較大，導致相對濕度明顯增加，氣溫下降。從10 m風速對比值看(見圖2b)，模擬值總體偏大，模擬效果略差，可能原因[20-21,24]有以下三點:(1)模式格點分辨率不足導致冠層內建筑物的外形特征沒有得到充分的解釋；(2)冠層內10 m風速的來源為大氣模式第一層風速值的對數，但實際上大氣模式中第一層高于一般建筑物；(3)單層城市冠層模式中建筑物的高度差別不大，使城市下墊面的動力粗糙度數值偏低，進而導致大氣模式模擬的風速偏高。

圖2 福州市2013年7月29日08時至8月11日08時2 m氣溫(a)、10 m風速(b)、2 m相對濕度(c)的模擬值與觀測值對比

3 結果與分析

3.1 冷卻屋頂對城市高溫的緩解作用

兩種冷卻屋頂(高反照率屋頂和綠色屋頂)對城市高溫的緩解具有重要作用。圖3為福州市2013年7月29日08時至8月11日08時冷卻屋頂HR8(a、c、e)和GR5(b、d、f)與對照算例夜間(a、b)、白天(c、d)及最高溫度(e、f)的平均氣溫差(白天指08-18時，夜間指00-07時，最高氣溫指14時)。分析圖3(a)(b)發現：夜間兩種冷卻屋頂的降溫幅度都為0.3～0.6 ℃，降溫區域也較為相似。白天兩種冷卻屋頂的降溫效果則明顯高于夜間的(如圖3c、d)，降溫幅度為0.6～1.0 ℃。一天中最高氣溫一般出現在14時左右，此時的兩種冷卻屋頂降溫效果最好，多集中在0.8～1.2 ℃。在建筑物比較集中的區域，降溫效果更為明顯，白天兩種冷卻屋頂在建筑密集區降溫效果均達到了1.0 ℃(見圖3e、f)，并且高反照率屋頂的局部地區降溫效果可達1.4 ℃左右。Georgescu等[25]關于美國城市冷卻屋頂的分析研究表明,夏季白天，高反照率屋頂比綠色屋頂有著更好的降溫作用。這和本研究得出的結論是相同的。

兩種冷卻屋頂的設置之所以能達到降溫的效果，主要是因為它們影響了城市的能量平衡。圖4為福州市2013年7月29日08時至8月11日08時輻射通量的日變化曲線圖。由圖4(a)可知，使用正常屋頂時，輻射能量會轉化為感熱通量，導致近地表氣溫上升。使用高反照率屋頂時，屋頂反照率增加，使氣溫升高的太陽短波輻射通量減少，導致到達屋頂的總能量有所減少，因此可分配的感熱通量也會相應減少，從而使氣溫下降。而綠色屋頂的能量平衡過程與高反照率屋頂有所不同。綠色屋頂與正常屋頂的反照率是一樣的，所接收到的太陽短波輻射也是相同的，但屋頂上覆蓋的植被能使潛熱通量明顯增加(如圖4b)，因此在總能量不變的情況下，能增加近地表氣溫的感熱通量就有所減少，從而使氣溫下降。此外，兩種冷卻屋頂對感熱通量的最大影響值均出現在14時左右，故14時降溫效果最明顯。

圖4 福州市2013年7月29日08時至8月11日08時輻射通量的日變化

3.2 不同比例冷卻屋頂對城市高溫的影響

屋頂反照率較高或屋頂植被覆蓋率達100%時能明顯緩解城市高溫，但實際情況下往往不容易實現(反照率材料易老化、屋頂種植不普及等原因)。故本節探討不同比例的反照率屋頂及不同植被覆蓋率的綠色屋頂在緩解城市高溫中所發揮的作用。圖5為各個比例反照率屋頂(HR)和綠色屋頂(GR)與對照算例(CTRL)中4個氣象因子差值的線性擬合。通過圖5可以看出，不同比例的反照率屋頂和不同植被覆蓋率的綠色屋頂與4個氣象因子均有較強的線性關系，這與Li等[26]得到的結論一致。圖5(a)中,屋頂每增加0.1的反照率,2 m氣溫下降0.1 ℃；綠色屋頂每增加10%的覆蓋率,2 m氣溫下降0.062 ℃。綠色屋頂的降溫效果沒有高反照率屋頂的好。綠色屋頂因自身水汽蒸發導致氣溫下降，因此，綠色屋頂比高反照率屋頂更能促進比濕的提高(見圖5b)。屋頂反照率每增加0.1，2 m比濕會增加0.06 g/kg；而綠色屋頂每增加10%的覆蓋率，2 m比濕增加0.08 g/kg。此外，各個比例冷卻屋頂與邊界層高度同樣存在一定的線性聯系。圖5(d)中屋頂反照率每增加0.1，邊界層高度降低約24 m；綠色屋頂覆蓋率每增加10%，邊界層高度降低約13 m。這是由于冷卻屋頂導致的氣溫下降，造成城市湍流作用減弱，進而降低了邊界層高度，并且10 m風速也與湍流動量的輸送有關[27]。不同比例的反照率屋頂和不同植被覆蓋率的綠色屋頂均與10 m風速存在線性關系(見圖5c)。因此，提高綠色屋頂比例和屋頂反照率，能在一定程度上減弱城市地區的風速。這一結論與周曉宇等[22]的研究結果一致。

圖5 福州市2013年7月29日08時至8月11日08時各個比例反照率屋頂和綠色屋頂與對照算例2 m氣溫(a)、2 m比濕(b)、10 m風速(c)、邊界層高度(d)差值的線性擬合

3.3 冷卻屋頂對人體舒適度的影響

有研究[19,28]表明，氣溫適中時人體不會受到濕度太大的影響，但氣溫偏高或偏低時，人體熱平衡對于濕度的感知會變得十分敏感。尤其是氣溫偏高的情況下，較高的濕度會使人體排汗受阻，進而導致熱感應更加明顯。風可以促進氣體的流動及熱量的傳導，使身體熱量擴散加快,導致體感溫度下降。溫度、濕度和風速同時決定著人體舒適度[29]。雖然使用的兩種冷卻屋頂在一定程度上都能使城市溫度下降，但在福州市夏季高溫高濕的環境下,由它們帶來的濕度增加及風速減小的問題,反而可能會對人體舒適度產生影響。

圖6(a)(b)(c)為不同屋頂條件下福州市2 m氣溫、2 m比濕和10 m風速的日變化曲線。由圖6可以看出，CTRL、GR5和HR8均有著相似的日變化趨勢。氣溫方面(圖6a)，GR5和HR8降溫效果基本沒有差異，且相比CTRL均是在中午13時左右降溫幅度最大。這也說明夏季高溫天氣中兩種冷卻屋頂都能有效緩解高溫。比濕方面，GR5和HR8均會使比濕增加，其中GR5白天比濕增加量明顯大于HR8的，這是白天屋頂植被更為旺盛的蒸騰作用所導致的。對比圖6(a)(b)可以發現，CTRL和HR8的氣溫變化與比濕變化呈負相關關系，一天中氣溫最高時(13時左右)比濕最小；而GR5雖然也有相似的變化曲線，但其比濕最小值出現在早上。相對CTRL，從圖6(c)可以看出，相比CTRL，所使用的兩種冷卻屋頂都能使風速有所下降，其中08-15時風速下降最明顯。圖6(d)為3個算例下人體舒適度指數的日變化曲線。由圖可知，兩種冷卻屋頂在08-15時使人體舒適度指數有所增加，即此時增加了人體的不舒適度。這是因為在08-15時相對濕度和風速分別處于增大和減小的較高值，不利于增加人體舒適度。兩種冷卻屋頂對人體不舒適程度的影響也不同。GR5的人體舒適度指數稍大于HR8的，即使用高反照率屋頂的人體舒適度略好于使用綠色屋頂的，還說明濕度對人體舒適度的影響更大。15時之后人體舒適度指數下降，使用兩種冷卻屋頂均能提高人體舒適度。

圖6 福州市2013年7月29日08時至8月11日08時不同屋頂條件下2 m氣溫(a)、2 m比濕(b)、10 m風速(c)及舒適度指數(d)的日變化

4 結 論

本研究利用耦合了單層城市冠層方案(UCM)的WRF模式，對2013年7月29日08時至8月11日08時的福州市夏季高溫天氣進行模擬，探討了冷卻屋頂(高反照率屋頂及綠色屋頂)對城市高溫的影響。主要結論如下:

(1)夏季高溫天氣下兩種冷卻屋頂對城市均有降溫效果，其中白天降溫效果大于夜間的。兩種冷卻屋頂夜間降溫幅度為0.3～0.6 ℃，白天降溫幅度為0.6～1.0 ℃，14時左右降溫幅度為0.8～1.2 ℃。建筑物相對集中的區域冷卻屋頂的降溫效果更為明顯。一天中綠色屋頂的最大降溫約為1.0 ℃，而高反照率屋頂的在1.4 ℃左右。

(2)兩種冷卻屋頂通過影響城市地表能量平衡來達到降溫效果。高反照率屋頂對太陽光進行反射，使地面接收到的熱量降低；而綠色屋頂則是通過調節潛熱來提高城市蒸發量，從而降低城市溫度。

(3)各個比例下的反照率屋頂和綠色屋頂對城市中氣象要素的影響效果不同，但均為線性相關。當屋頂反照率提高0.1時，2 m氣溫降低0.1 ℃，邊界層高度降低24 m，風速降低0.04 m/s，比濕增加0.06 g/kg；當屋頂植被覆蓋率增加10%時，2 m氣溫降低0.062 ℃，邊界層高度降低13 m，風速降低0.05 m/s，比濕增加0.08 g/kg。

(4)反照率為0.8的屋頂和植被覆蓋為100%的綠色屋頂在08-15時會使人體不舒適度增加，15時之后兩種冷卻屋頂均能提高人體舒適度。使用高反照率屋頂的人體舒適度略高于綠色屋頂的舒適度。

在夏季高反照率屋頂和綠色屋頂的實行能對城市地區的高溫天氣產生一定的緩解作用，但也可能帶來邊界層高度降低、風速減弱等負面影響。因此，在未來的工作中需將冷卻屋頂算例設置得更貼近實際情況，并在此基礎上詳細分析對城市的具體影響。