反射路面對城市峽谷反射率的影響

梁槚 覃英宏 譚康豪

摘要：太陽輻射在城市峽谷內形成多重反射，加劇城市熱島效應。峽谷太陽輻射吸收量與城市結構、墻體和路面反射率及時間顯著相關。建立城市峽谷反射率數(shù)值模型，評估提高路面反射率能否有效提高城市峽谷反射率，并探討反射路面對鄰近建筑墻體的反射與散射輻射的影響。通過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模型的可靠性。研究結果表明：建筑物高度與路面寬度之比（縱橫比）是城市峽谷反射率最關鍵的影響因素，當峽谷縱橫比<1.0時，路面反射作用較為明顯；而且，相對于冬季，夏季時峽谷內反射路面能向鄰近建筑物反射更多的額外散射輻射，而峽谷走向對額外散射輻射的影響較小。當峽谷縱橫比<1.0時，建議采用反射路面緩解城市熱島。

關鍵詞：縱橫比；反射路面；鄰近建筑物；城市峽谷；反射率

中圖分類號：TU111

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）03-0129-09

Abstract：An urban canyon absorbs more sunlight than a flat， open surface due to multiple reflections in the canyon， increasing the urban heat island effect （UHI）. One geo-engineering idea to mitigate the UHI to make the conventional pavements more reflective and to return more radiation to the sky. The urban canyon albedo （UCA） are modeled and the model with experimental observations are validated. We investigated whether increasing the pavement albedo can raise the UCA effectively based on evaluating the reflective diffuse radiation from the pavement to adjacent building walls. It is found that the ratio of buildings height to the road's width determines the UCA whereas other factors acts secondary roles. During summertime reflective pavements in an urban canyon reflect a sizable additional diffuse radiation to the adjacent walls. Reflective pavements are recommended for only an urban canyon with an aspect ratio no greater than 1.0.

Keywords：aspect ratio； reflective pavement； adjacent building； street canyon； albedo

城市結構包括建筑墻體、屋頂及道路，道路與建筑兩側的空氣形成類似于峽谷的地貌特征稱為城市峽谷。城市峽谷內部吸收或反射太陽輻射不同于平坦地面，城市峽谷內部某一面的反射輻射被其他面阻攔不能直接“逃出”峽谷，形成多重反射。而多重反射極大地增加城市峽谷太陽輻射吸收量，進而加劇城市熱島效應。

AIDA等[1-2]通過實驗測試不同季節(jié)不同峽谷走向的城市峽谷反射率，結果表明，城市峽谷反射率隨時間變化并與峽谷走向有關。基于此實驗，研究人員采用數(shù)值模型研究城市峽谷高反射率墻體材料的隔熱性能[3]、城市峽谷反射率[4]、日平均加權反射率[5]以及城市峽谷反射率日變化[6]。研究發(fā)現(xiàn)，城市峽谷反射率明顯低于路面和建筑墻體的反射率。提高路面反射率是提高城市峽谷反射率的一種有效方法[7-8]。而路面反射率是可控的，其大小取決于路面材料及其齡期，通常在0.20～0.80之間。研究還表明，采用淺色骨料[9-10]、高反射率的路面鋪筑材料[11-13]或者在路面涂反射涂料[14]的反射瀝青路面比傳統(tǒng)瀝青路面反射更多的太陽輻射；采用白色填充料[15]、淺色水泥基體[16]或者白色面層技術[17]的反射水泥混凝土路面也比傳統(tǒng)水泥路面反射更多的太陽輻射。這些研究結果證實反射路面能夠有效地降低路面溫度，但這些研究均測量平坦路面的溫度，而提高城市峽谷路面反射率能否有效提高城市峽谷反射率尚未證實。

筆者基于城市峽谷不同結構面之間的多重反射建立城市峽谷反射率數(shù)值模型，并用實驗觀測值驗證模型的可靠性。通過改變模型參數(shù)，查證路面反射率對城市峽谷反射率的影響，同時探討反射路面能否向鄰近建筑物反射可觀的額外散射輻射。

1 建立模型

1.1 太陽位置

2 驗證模型

采用文獻[1]中的試驗觀測值驗證數(shù)值模型的可靠性，該試驗測量人造城市峽谷反射率。人造城市峽谷模型用水泥磚做建筑物墻體與屋頂，水泥磚墻體之間的部分做城市路面。試驗所用人造城市峽谷的縱橫比為1.0，但峽谷走向不同。試驗觀測地緯度為35.28°，晴朗天氣。

為驗證模型，將墻體和屋頂反射率和城市峽谷路面反射率疊加即為觀測反射率。鑒于墻體和路面同為水泥混凝土材料，假定墻體與屋頂反射率ρh及路面反射率ρw為測量平坦混凝土地面的反射率 （如圖3）。用線性內插法計算特定時間的平坦混凝土地面的反射率。圖3對比不同季節(jié)的試驗觀測值與模擬值，試驗觀測值與模擬值的偏差較小，表明數(shù)值模型具有可靠性，而該偏差可能是因為試驗觀測地不確定的氣象條件與人為因素造成的。

3 模型的應用

城市峽谷反射率依賴于縱橫比、墻體和路面的反射率、太陽位置及城市峽谷走向。為簡化問題，本次模擬假設平坦混凝土地面的反射率為常數(shù)。以廣西南寧（φ=22.8°）為例，除有特別說明外，本次模擬均采用以下參數(shù)值：h/w=1.0、ρh=0.4、ρw=0.4、kT=1.0及N=173（夏至）。

3.1 灰色路面和淺色墻體的城市峽谷反射率

淺色墻體的實際反射率為0.40，灰黑色路面的反射率為0.10。不同走向和縱橫比的城市峽谷反射率變化情況如圖4所示。根據(jù)圖4，城市峽谷反射率呈M型，日出后反射率迅速增大，之后達到最大值，正午時分反射率最小。

城市峽谷反射率隨太陽位置而變化。當太陽入射角較小時，散射輻射占主導作用，且整個峽谷均受散射輻射作用，導致城市峽谷反射率較低。其根本原因是散射輻射到達峽谷后發(fā)生多重反射，與平坦地面相比峽谷反射到天空的輻射較少；隨著太陽入射角增大，直接輻射占主導作用，太陽直接輻射照射到墻體上，一部分太陽輻射被反射到路面及對面墻體，另一部分被反射到天空。由于受直接輻射的墻體對天空的視角因子小于1/2，城市峽谷反射率的最大值小于0.2（0.4/2）（如圖4）。峽谷真實的最大反射率為0.04～0.06，小于0.2，這是因為散射輻射的低反射率抑制了城市峽谷反射率。最大反射率出現(xiàn)在太陽直接輻射照射到路面時，路面受輻射的部分也隨著時間的推移而減少，路面的反射減少導致城市峽谷反射率降低。

除太陽位置外，時間與路基走向是影響城市峽谷反射率另兩個重要因素。對于東西走向的城市峽谷，其反射率冬季較夏季大，原因在于冬季太陽直接輻射照射到墻體的時間較夏季長；而對于南北走向的城市峽谷，其反射率夏季較冬季大，原因在于太陽直接輻射首先照射到東面墻體，然后是路面，最后是西面墻體。對東西走向的城市峽谷，最大輻射量出現(xiàn)在日出后不久，因為日出后路面受直接輻射（如圖4（a）和4（b））；而對南北走向的峽谷，太陽直接輻射需要一定的時間才能照射到路面，因此，城市峽谷反射率最大值出現(xiàn)在日出后和日落前的1～2 h（如圖4（c）和4（d））。

縱橫比是影響城市峽谷反射率的關鍵因素，縱橫比大的城市峽谷反射率小。深峽谷內部某一表面反射的輻射被其他面吸收的可能性比淺峽谷大，從而導致深峽谷太陽輻射吸收量比淺峽谷大。根據(jù)圖4，正午時分縱橫比為4.0時的城市峽谷反射率較縱橫比為0.25或1.0時低，說明墻體吸收較多的路面反射輻射。

3.2 不同路面反射率的城市峽谷反射率

路面反射率的大小取決于路面材料。養(yǎng)護期的灰色水泥混凝土路面反射率為0.35～0.40，老化的水泥混凝土路面反射率為0.20～0.30，反射率減小的原因在于輪胎和路面的摩擦及路面摻雜的泥土使路面顏色加深。新鋪筑的瀝青混凝土路面反射率約為0.05，而老化的瀝青混凝土路面反射率為0.10～0.15，其原因在于路面磨損骨料外露路面顏色變淺致使反射率變大。為研究不同路面反射率對城市峽

谷反射率的影響，本文模擬峽谷墻體反射率為0.40

時，不同路面反射率（ρw=0.10、0.20、0.30、0.40）的城市峽谷反射率。根據(jù)圖5（b），冬季東西走向的城市峽谷反射率較穩(wěn)定，路面反射率的變化對其影響較小，這是因為太陽直接輻射主要照射南面墻體，較少到達路面。 圖5表明，提高路面反射率使城市峽谷反射率曲線由M型轉變?yōu)閃型。對于低反射率的路面，正午時分，城市峽谷反射率降低到最小，原因在于正午時分整個路面受太陽直接輻射，較低的路面反射率使其吸收較多的太陽輻射，從而降低城市峽谷反射率，導致城市峽谷反射率日變化曲線呈M型；對于高反射率的路面，由于路面相對于墻體有較大的天空的視角因子，路面受太陽直接輻射時，更多的太陽輻射被反射到天空。因此，正午時分城市峽谷反射率有所增加，城市峽谷反射率日變化曲線呈W型。

城市峽谷反射率隨著路面反射率的增大而增大。正午時分，路面的反射率每增加0.10，城市峽谷反射率增加大約0.05，其原因可能是縱橫比為1.0時，路面對天空的視角因子約為0.5。這表明，天空視角因子或者縱橫比是控制城市峽谷內部太陽輻射吸收量的主要因素。路面反射率對城市峽谷反射率的影響依賴于峽谷走向，東西走向的城市峽谷反射率日變化不同于南北走向。

4 結 論

提出城市峽谷反射率的理論計算模型，通過對比分析人造城市峽谷反射率試驗觀測值和理論計算值，驗證了該數(shù)值模型的可靠性。分析模型得到如下結論：

1） 峽谷縱橫比是影響城市峽谷反射率的決定性因素，而其它因素影響相對較小。當峽谷縱橫比<1.0時，提高路面的反射率才能有效提高城市峽谷反射率。

2） 城市峽谷內部的反射路面能夠向鄰近建筑物反射可觀的額外散射輻射。冬季時額外的太陽輻射反射到路面的反射量僅為夏季的1/5。東西走向峽谷的反射率與南北走向峽谷反射率沒有明顯區(qū)別。當峽谷縱橫比<1.0時，建議峽谷路面采用反射路面緩解城市熱島。

參考文獻：

[1] AIDA M. Urban albedo as a function of the urban structure-a model experiment[J]. Boundary-Layer Meteorology，1982，23（4）：405-413.

[2] AIDA M， GOTOH K. Urban albedo as a function of the urban structure-a two-dimensional numerical simulation [J]. Boundary-Layer Meteorology，1982，23（4）：415-424.

[3] 陳志，俞炳豐，商萍君. 反照率影響建筑熱環(huán)境的實驗[J]. 太陽能學報，2005（6）：863-867.

CHEN Z，YU B F，SHANG P J. Experimental study on the influence of albedo to building thermal environment [J].Acta Energiae Solaris Sinica， 2005（6）：863-867.（in Chinese）

[4] ERBS D，KLEIN S， DUFFIE J. Estimation of the diffuse radiation fraction for hourly， daily and monthly-average global radiation[J]. Solar Energy，1982，28（4）：293-302.

[5] SAILOR D J， FAN H. Modeling the diurnal variability of effective albedo for cities[J]. Atmospheric Environment，2002，36（4）：713-725.

[6] SIEVERS U， ZDUNKOWSKI W. A numerical simulation scheme for the albedo of city street canyons[J]. Boundary-Layer Meteorology，1985，33（3）：245-257.

[7] SANTAMOURIS M， GAITANI N， SPANOU A， et al. Using cool paving materials to improve microclimate of urban areas–Design realization and results of the flisvos project [J]. Building and Environment，2012，53：128-136.

[8] QIN Y， HILLER J E. Understanding pavement-surface energy balance and its implications on cool pavement development[J]. Energy and Buildings，2014，85：389-399.

[9] POMERANTZ M， AKBARI H. Cooler paving materials for heat-island mitigation[J]. 1998 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings Proceedings，1998，9：135-146.

[10] 呂振北， 段延紅， 韓之棟，等. 降低瀝青混凝土路面儲熱量措施對比研究[J]. 公路，2012（6）：128-131.

LV Z B，DUAN Y H，HAN Z D， et al. The comparative study on reducing heat storage measures of asphalt concrete pavement[J]. Highway， 2012（6）：128-131.（in Chinese）

[11] SYNNEFA A， DANDOU A， SANTAMOURIS M， et al. On the use of cool materials as a heat island mitigation strategy[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology，2008，47（11）：2846-2856.

[12] 鄭木蓮， 程承， 王彥峰，等. 基于提高路面反照率的瀝青路面降溫技術試驗研究[J]. 公路交通科技（應用技術版），2012（9）：63-66.

ZHENG M L，CHENG C，WANG Y F， et al.Experimental study on cooling technology of asphalt pavement based on improved albedo of pavement[J]. Journal of Highway and Transportation （Research and Development）， 2012（9）： 63-66.（in Chinese）

[13] KARLESSI T， SANTAMOURIS M. Improving the performance of thermochromic coatings with the use of UV and optical filters tested under accelerated aging conditions[J]. International Journal of Low-Carbon Technologies，2013，10（1）：45-61.

[14] 王偉，曹雪娟，唐伯明. 太陽熱反射涂層在瀝青路面中的應用[J]. 公路與汽運，2010（1）：97-99.

WANG W，CAO X J，TANG B M.The application of solar heat reflective coating in Asphalt Pavement[J].Highways & Automotive Applications， 2010 （1）： 97-99.（in Chinese）

[15] LEVINSON R， AKBARI H. Effects of composition and exposure on the solar reflectance of portland cement concrete[J]. Cement and Concrete Research，2002，32（11）：1679-1698.

[16] MEDGAR L M， MARTHA G V. Solar reflectance values for concrete： intrinsic materical properties can minimize the heat island effect[J]. Concrete International，2008，30（8）：52-58.

[17] Sultana S. Extending asphalt pavement life with thin whitetopping[D]. Kansas：Kansas State University，2010.

[18] COOPER P I. The absorption of radiation in solar stills[J]. Solar Energy，1969，12（3）：333-346.

[19] HARTMANN D L. Global physical climatology[M]. Amsterdam：Elsevier， 1994.

[20] JACOBSON M Z. Fundamentals of atmospheric modeling[M].Cambridge： Cambridge University Press， 2005.

[21] DUFFIE J A， BECKMAN W A. Solar engineering of thermal processes[M]. New York：Wiley， 1980.

[22] ORGILL J， HOLLANDS K. Correlation equation for hourly diffuse radiation on a horizontal surface[J]. Solar Energy，1977，19（4）：357-359.

[23] QIN Y. Urban canyon albedo and its implication on the use of reflective cool pavements[J]. Energy and Buildings，2015，96：86-94.

[24] SOLAIMANIAN M， KENNEDY T W. Predicting maximum pavement surface temperature using maximum air temperature and hourly solar radiation[J]. Transportation Research Record，1993，1417：1-11.

[25] MARTA J N O P，HEIDER J P G，PAUIO M C F. A matrix approach coupled with Monte Carlo techniques for solving the net radiative balance of the urban block[J]. Boundary-Layer Meteorology，2007，122（1）：217-241.

（編輯 郭飛）