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(qū)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(jìn)程加快，區(qū)域極端高溫事件頻繁發(fā)生，給人們的日常生活帶來嚴(yán)重威脅。如何有效緩解城市高溫,已成為當(dāng)下的研究熱點。大量研究結(jié)果表明，城市下墊面性質(zhì)對氣溫的影響最為顯著[1-6]。主要由混凝土或瀝青等構(gòu)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(fā)特征，能將入射的太陽輻射有效地轉(zhuǎn)化為熱量，使城市溫度上升。針對這一特點，有學(xué)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(qū)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(zhuǎn)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(jìn)行反射，使地面接收到的熱量降低，而綠色屋頂則是通過調(diào)節(jié)潛熱來提高城市蒸發(fā)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(qū)域氣候模式對大規(guī)模市區(qū)高反照率屋頂進(jìn)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(huán)境。Smith等[8]在芝加哥利用WRF模式對綠色屋頂?shù)慕禍匦ЧM(jìn)行模擬，結(jié)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(dǎo)熱率等所產(chǎn)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(jié)論。Zinzi等[10]利用建筑物耗能軟件對不同型屋頂開展研究，結(jié)果表明，冷卻屋頂確實能使氣溫下降。近些年國內(nèi)關(guān)于冷卻屋頂?shù)难芯恳苍陂_展中。王成剛等[11]分析了南京建筑屋頂?shù)臒岽鎯μ卣?，結(jié)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(shù)值模擬方法研究重慶高密度建筑物區(qū)域?qū)Τ鞘袣庀蟓h(huán)境的影響。福州市作為福建省省會，城鎮(zhèn)化率達(dá)70.3%，為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)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(xiàn)狀，利用數(shù)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(xué)依據(jù)。

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(huán)境預(yù)報中心等聯(lián)合開發(fā)的新一代高分辨率中尺度預(yù)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(yōu)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(zhǔn)地反映城市動力學(xué)及熱力學(xué)效應(yīng)[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(fēng))，運用WRF3.7.1進(jìn)行研究。此次模擬區(qū)域以福州城區(qū)(26.08°N、119.29°E)為中心，采用三重嵌套網(wǎng)格，網(wǎng)格距分別為9、3和1 km，格點數(shù)分別為100×100、88×88和100×100，最內(nèi)層區(qū)域覆蓋了福州主城區(qū)及少量郊區(qū)，垂直方向包括53層，其中2 km以下垂直層數(shù)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(nèi)層下墊面分布情況見圖1。試驗中采取的物理參數(shù)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(nèi)層研究區(qū)分辨率較高，所以積云參數(shù)化方案Grell 3D僅應(yīng)用于最外層。

圖1 福州市夏季W(wǎng)RF模擬區(qū)域概況

1.2 算例及城市參數(shù)設(shè)置

城市參數(shù)的合理設(shè)定能得到更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。本研究中設(shè)置的建筑物相關(guān)參數(shù)來源于福州市核心區(qū)的樓房狀態(tài)測算，熱系數(shù)則由屋頂、街道、墻面的實際用材確定。

此次研究設(shè)計了三組共八個算例(具體見表1)，以實現(xiàn)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(fēng)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(shè)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?shù)?個算例(GR2-5)將城市屋頂植被覆蓋占比設(shè)置不同，其余不變；高反照率屋頂?shù)?個算例(HR6-8)將城市屋頂反照率設(shè)置不同，其余不變。其中，由于福州市屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，綠色屋頂算例中將土壤含水量設(shè)為0.35 m3/m3，葉面積指數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)置

1.3 舒適度指數(shù)

舒適度指數(shù)(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(fēng)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(jié)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(qū)及郊區(qū)自動氣象站觀測數(shù)據(jù)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(fēng)速(WS)進(jìn)行對比分析，結(jié)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(xiàn)時間基本一致，總體來說模擬結(jié)果與實際觀測結(jié)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(dǎo)致相對濕度明顯增加，氣溫下降。從10 m風(fēng)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(dǎo)致冠層內(nèi)建筑物的外形特征沒有得到充分的解釋；(2)冠層內(nèi)10 m風(fēng)速的來源為大氣模式第一層風(fēng)速值的對數(shù)，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(shù)值偏低，進(jìn)而導(dǎo)致大氣模式模擬的風(fēng)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(fēng)速(b)、2 m相對濕度(c)的模擬值與觀測值對比

3 結(jié)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(fā)現(xiàn)：夜間兩種冷卻屋頂?shù)慕禍胤榷紴?.3～0.6 ℃，降溫區(qū)域也較為相似。白天兩種冷卻屋頂?shù)慕禍匦Ч麆t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(xiàn)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(qū)域，降溫效果更為明顯，白天兩種冷卻屋頂在建筑密集區(qū)降溫效果均達(dá)到了1.0 ℃(見圖3e、f)，并且高反照率屋頂?shù)木植康貐^(qū)降溫效果可達(dá)1.4 ℃左右。Georgescu等[25]關(guān)于美國城市冷卻屋頂?shù)姆治鲅芯勘砻?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(jié)論是相同的。

兩種冷卻屋頂?shù)脑O(shè)置之所以能達(dá)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(zhuǎn)化為感熱通量，導(dǎo)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(dǎo)致到達(dá)屋頂?shù)目偰芰坑兴鶞p少，因此可分配的感熱通量也會相應(yīng)減少，從而使氣溫下降。而綠色屋頂?shù)哪芰科胶膺^程與高反照率屋頂有所不同。綠色屋頂與正常屋頂?shù)姆凑章适且粯拥?，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?jié)摕嵬棵黠@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(xiàn)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(dá)100%時能明顯緩解城市高溫，但實際情況下往往不容易實現(xiàn)(反照率材料易老化、屋頂種植不普及等原因)。故本節(jié)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(fā)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(guān)系，這與Li等[26]得到的結(jié)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?shù)慕禍匦Ч麤]有高反照率屋頂?shù)暮?。綠色屋頂因自身水汽蒸發(fā)導(dǎo)致氣溫下降，因此，綠色屋頂比高反照率屋頂更能促進(jìn)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(lián)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(dǎo)致的氣溫下降，造成城市湍流作用減弱，進(jìn)而降低了邊界層高度，并且10 m風(fēng)速也與湍流動量的輸送有關(guān)[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(fēng)速存在線性關(guān)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(qū)的風(fēng)速。這一結(jié)論與周曉宇等[22]的研究結(jié)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(fēng)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(jìn)而導(dǎo)致熱感應(yīng)更加明顯。風(fēng)可以促進(jìn)氣體的流動及熱量的傳導(dǎo)，使身體熱量擴散加快,導(dǎo)致體感溫度下降。溫度、濕度和風(fēng)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(huán)境下,由它們帶來的濕度增加及風(fēng)速減小的問題,反而可能會對人體舒適度產(chǎn)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(fēng)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(dǎo)致的。對比圖6(a)(b)可以發(fā)現(xiàn)，CTRL和HR8的氣溫變化與比濕變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(xiàn)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(fēng)速有所下降，其中08-15時風(fēng)速下降最明顯。圖6(d)為3個算例下人體舒適度指數(shù)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(shù)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(fēng)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(shù)稍大于HR8的，即使用高反照率屋頂?shù)娜梭w舒適度略好于使用綠色屋頂?shù)?，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(shù)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(fēng)速(c)及舒適度指數(shù)(d)的日變化

4 結(jié) 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(jìn)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(jié)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(qū)域冷卻屋頂?shù)慕禍匦Ч鼮槊黠@。一天中綠色屋頂?shù)淖畲蠼禍丶s為1.0 ℃，而高反照率屋頂?shù)脑?.4 ℃左右。

(2)兩種冷卻屋頂通過影響城市地表能量平衡來達(dá)到降溫效果。高反照率屋頂對太陽光進(jìn)行反射，使地面接收到的熱量降低；而綠色屋頂則是通過調(diào)節(jié)潛熱來提高城市蒸發(fā)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(guān)。當(dāng)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(fēng)速降低0.04 m/s，比濕增加0.06 g/kg；當(dāng)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(fēng)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?shù)娜梭w舒適度略高于綠色屋頂?shù)氖孢m度。

在夏季高反照率屋頂和綠色屋頂?shù)膶嵭心軐Τ鞘械貐^(qū)的高溫天氣產(chǎn)生一定的緩解作用，但也可能帶來邊界層高度降低、風(fēng)速減弱等負(fù)面影響。因此，在未來的工作中需將冷卻屋頂算例設(shè)置得更貼近實際情況，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析對城市的具體影響。