復雜輻射場對城市微氣候的影響*

西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室 劉大龍

西安建筑科技大學 宋慶雨

西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室 劉加平

0 引言

城市微氣候(microclimate)是在區域大氣候基礎上，由下墊面、人為排熱、地形方位等多種因素共同作用形成的局部的特殊性氣候類型[1]。其范圍主要在城市邊界層內，受地面影響顯著[2]。城市微氣候直接決定著城市的環境狀況，它在改善人居環境、提升城市生活品質等方面起著重要的作用。

太陽輻射是地球最主要的熱源，是氣候形成最主要的因素，在城市氣候中同樣如此。氣象參數可分為2類：太陽輻射和氣溫、相對濕度等。下墊面是城市氣候形成的關鍵人為要素，也是太陽輻射作用于城市的重要載體。不同的下墊面對輻射具有不同的反射、吸收特性，對微氣候產生重要影響[3]。隨著城市化進程的加快，城市中的高密度與高容積率使得建筑間距越來越小，建筑的圍合空間越來越大，從而影響著輻射在城市空間中的分布[4]。下墊面、建筑布局已成為影響城市中輻射場的關鍵要素，文獻[5]指出它們是影響城市微氣候的重要因素。

城市微氣候已成為研究熱點。目前該領域研究集中于微氣候類型[6]、微氣候熱舒適度評價[7-8]、園林設計要素與微氣候的內在關聯[5,9]、人與微氣候的關系[10]、城市化對微氣候的影響[11-12]、城市微氣候的設計改造方法[13]等方面，但是對于微氣候的內在微觀機理研究方面，特別是太陽輻射與氣候要素之間的關系方面的研究較少。本文以輻射為研究對象，從氣候微觀角度來闡釋輻射對于其他氣象參數的影響機制，為更好地利用輻射資源進行微氣候營造奠定基礎。

1 城市復雜輻射場的特征

太陽輻射是城市的最主要熱源，對于城市微氣候起著至關重要的作用。在城市中，因為硬化的下墊面、建筑的密集分布，在城市空間中存在太陽直射輻射、散射輻射、天空長波輻射、地面反射輻射、建筑表面反射輻射等多種輻射組成要素，這些輻射要素與下墊面及建筑的布局共同形成了城市輻射場。

城市輻射場具有如下特征：1) 輻射場的組成成分復雜多樣。有短波輻射、長波輻射；有直射輻射、散射輻射，還有反射輻射。如圖1所示。不同類型輻射的強度、作用方式不同。2) 硬化的下墊面、密集的建筑群、建筑的圍合空間形成了更多的反射輻射。既有太陽短波輻射的反射，也有長波輻射的反射；既有下墊面、建筑表面間的多次反射，也有建筑之間的多次反射，如圖2所示。3) 密集的建筑群，特別是高層建筑，顯著地增大了城市中太陽輻射的吸收面，造成城市中的長波輻射強度更高，如圖3所示。4) 下墊面是城市中一個主要的太陽輻射作用體，下墊面的多樣性使得城市輻射場具有顯著的多樣性、復雜性。城市中下墊面形式多樣，包括混凝土、瀝青、石材、鋪磚、綠化場地、水體等，不同材質的下墊面具有不同的熱反射、傳熱、蓄放熱特性。5) 太陽輻射的周期性變化產生了氣候的季節性變化，這種太陽輻射的變化使得輻射場具有典型的動態性，這種輻射動態性主導了微氣候的變化規律。

注：qs,D為太陽直射輻射；qs,d為太陽散射輻射；ql，a為天空長波輻射；ql,g為地面長波輻射；ql,w為墻面長波輻射；qrs為綜合短波反射輻射；qrl為綜合長波反射輻射。

圖2 多次的反射輻射

圖3 建筑發射的長波輻射

具備上述特征的城市輻射場具有顯著的多樣性、動態性和復雜性，因此稱其為城市復雜輻射場。它對城市微氣候具有重要影響。

2 城市輻射場的影響因素分析

硬化的下墊面和密集的建筑布局是產生城市復雜輻射場的2個主要原因，因此本文從這兩方面來分析其與輻射場之間的關系。

2.1 影響因素及模擬工具的選擇

下墊面的不同實質是地面材料的不同。本研究中假設下墊面為單一材料，且有較大的厚度。短波、長波輻射對下墊面材料的熱作用，與材料對輻射的反射性、吸收性及材料本身的傳熱性和蓄熱性相關。對于灰體，其反射比與吸收比之和為1，即反射性強則吸收性弱，因此通過材料的反射比來分析下墊面對輻射的作用。下墊面的傳熱主要指材料接收輻射后內部的導熱傳熱。有研究選擇熱慣量、熱擴散率來分析下墊面的傳熱特性[14]，但考慮模擬軟件的使用，本文選擇了材料的導熱系數來分析，同時還分析了空間圍合方式對輻射場的影響。

本文通過改變材料的反射比、導熱系數和建筑的圍合方式來分析不同下墊面與輻射場的量化關系。實驗測試難以控制上述參數的變化幅度和范圍，模擬技術是實現該研究的有效方式。在城市微氣候研究領域，數值模擬技術已經成為主要的量化研究方式[15-16]。但是微氣候模擬工具眾多，模擬工具的選擇對分析結果具有重要影響。筆者所在課題組通過對比分析[17]，發現ENVI-met更適合于城市輻射場的模擬。

ENVI-met模擬設置如下：模擬地點為西安(東經108.97°，北緯34.25°)，海拔為405 m。模擬空間尺寸為5 m×5 m×45 m(長×寬×高)；圍合空間中建筑高度為15 m(5層)。模擬時長為24 h，冬季模擬日為冬至日，夏季為夏至日。計算間隔為60 min。氣象參數來自于JGJ/T 346—2014《建筑節能氣象參數標準》。下墊面材料性能參數如表1所示。

表1 各下墊面物性參數

2.2 下墊面反射比對輻射場的影響

使用ENVI-met模擬下墊面材料反射比從0.1漸變到0.8時，來自下墊面的反射輻射和長波輻射的變化規律，選擇開敞空間，分別模擬冬季和夏季典型日的情況，結果如圖4、5所示。

圖4 反射比與下墊面反射輻射的關系

圖5 反射比與下墊面長波輻射的關系

由圖4可以看出：隨著下墊面反射比的增大，下墊面的短波反射輻射呈增強趨勢，當反射比大于0.5時反射輻射明顯增強；中午太陽短波輻射最強，使得中午的反射輻射也最強；夏季的反射輻射強度明顯大于冬季。這些說明反射比與下墊面的反射輻射強度呈正相關，且反射比對短波反射輻射影響顯著。由圖5可以看出：隨著下墊面反射比的增大，下墊面的長波輻射強度不斷減??；下墊面反射短波輻射越多，則吸收熱量越少，因此其長波輻射強度就越弱；反射比與長波輻射之間呈現顯著的負相關；在一天中，03:00—05:00的長波輻射強度較大?？梢婇L波輻射變化與太陽輻射存在明顯延遲性，其與下墊面材料本身的蓄放熱特性緊密相關。夏季的長波輻射強度明顯大于冬季。

2.3 下墊面材料導熱系數對輻射場的影響

使用ENVI-met模擬下墊面材料導熱系數從1 W/(m·K)漸變到4 W/(m·K)時對輻射場的影響。其他模擬設置與2.1節相同，分別模擬了冬季和夏季典型日下墊面長波輻射的變化規律，結果如圖6所示。

圖6 導熱系數與長波輻射的關系

由圖6可以看出：隨著下墊面導熱系數的增大，其發射的長波輻射呈減小趨勢；冬夏季具有相同的變化規律，夏季長波輻射強度顯著高于冬季。雖然冬夏季長波輻射隨導熱系數的變化規律相同，但過程卻不同。夏季，下墊面從室外吸收熱量，熱流從室外流向地面。假定下墊面下邊界的大地恒溫，下墊面材料與大地均為實體材料。當同樣強度的熱流從室外流向下墊面時，根據傅里葉導熱定律，導熱系數大的材料溫度梯度小，即意味著導熱系數大的下墊面溫度更接近地溫，比導熱系數小的下墊面溫度低，所以其發射的長波輻射強度低。冬季，熱流從地面流向室外，地面材料導熱系數越大，大地熱流散失越多，等價于地面保溫能力越弱，則地表溫度越低，其發射的長波輻射越弱。

2.4 建筑圍合度對輻射場的影響

建筑之間的圍合對太陽輻射具有很強的遮擋、擴散作用，對長短波輻射都有較強的反射作用，特別是在緊密圍合情況下。選用建筑表面圍合系數(B)[18]量化不同的建筑圍合度，其計算公式為B=S/A，其中S為總建筑圍護面積，通常為除去地表的建筑表面面積之和，A為街區占地面積。B取值如表2所示。圍合系數越大，建筑圍合度越高。使用ENVI-met模擬圍合系數從2.30到0.61的8種情況下，混凝土下墊面和瀝青下墊面的反射、長波輻射變化規律，結果如圖7、8所示。

表2 建筑表面圍合系數的取值

圖7 不同圍合系數下的反射輻射

圖8 不同圍合系數下的長波輻射

由于冬季輻射較弱，所以只給出了夏季的模擬結果。由圖7可以看出：隨著圍合系數的增大，混凝土(水泥)下墊面的反射輻射總體呈現減小趨勢，但變化過程略有起伏；瀝青下墊面的反射輻射呈現單調增大趨勢?；炷料聣|面的反射比約為0.25，明顯大于瀝青下墊面的0.10，因此混凝土下墊面的反射輻射更強，特別是在圍合度低、空間較為開敞的情況下。

反射輻射主要來自于太陽短波輻射，當圍合度增大時，圍合空間中接收到的直射輻射顯著降低。對混凝土下墊面，因反射比高，所以反射輻射減少明顯。圍合度變化中反射輻射略有增大的原因是，某些高圍合度空間(如圍合系數為1.43)對太陽直射輻射的遮擋反倒比低圍合度空間(如圍合系數為1.16)弱。對瀝青下墊面，隨著圍合度增大，因反射比低，太陽輻射的減少對反射輻射影響較弱。同時，因為圍合度高，導致城市輻射的“陷阱效應”作用[19]加大，反射輻射反倒略有增強。

由圖8可以看出：當圍合系數在0.61～1.43之間變化時，混凝土和瀝青下墊面的長波輻射變化都很平緩，混凝土下墊面呈現略微增長趨勢，瀝青下墊面反之。但當圍合系數增大到1.80時，2種下墊面的長波輻射突然增大，其原因是建筑間距減小后，建筑表面發射的長波輻射及建筑表面對地面長波輻射的反射使其增大。而瀝青下墊面圍合系數為2.30時長波輻射的突然減少，是因為過高的圍合度會顯著降低接收到的太陽輻射，使得地面吸收熱量降低，因此發射的長波輻射減少。瀝青下墊面的發射率高于混凝土下墊面，因此瀝青下墊面上方的長波輻射強于混凝土下墊面?；炷料聣|面的長波輻射最大值出現時間早于瀝青下墊面，其延遲時間比瀝青下墊面短。

3 輻射場對城市氣象參數的影響

下墊面上方輻射場的變化必將影響其微氣候，因此對輻射與氣溫、相對濕度的關系進行了模擬分析。下墊面參數變化引起的不是單一輻射量的變化，而是直射、反射和長波輻射的系統改變。為分析輻射量變化對微氣候的影響，使用地表凈輻射量來表征輻射場強度，它等于太陽直射輻射、散射輻射與大氣逆輻射之和減去地表反射和發射的短波與長波輻射。

3.1 反射比變化的輻射場對溫濕度的影響

反射比對下墊面上方輻射場強度的影響顯著，因此選取了混凝土、瀝青、草地下墊面，分析不同下墊面在反射比變化情況下輻射場如何影響微氣候?；炷料聣|面的反射比分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，瀝青下墊面的反射比分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，草地下墊面的反射比分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。以西安為例，采用ENVI-met模擬地表凈輻射量與溫濕度的關系，夏季的模擬結果如圖9所示。反射比越大，對應的地表凈輻射量越大，圖9用地表凈輻射量作為橫坐標，表示了下墊面的不同反射比。

由圖9可以看出：地表凈輻射越強，則氣溫越高，而相對濕度卻越??；草地、混凝土、瀝青下墊面的長波發射率分別為0.40、0.85、0.95，所以瀝青下墊面的輻射場對溫濕度的影響最顯著，其次為混凝土下墊面，最弱的是草地下墊面。西安夏季日均氣溫為26～32 ℃，日均相對濕度為65%～70%，單純輻射作用下模擬獲得的氣溫(集中于33～37 ℃)高于實際氣溫，而相對濕度(集中于34%～38%)則低于實際的相對濕度，且相對濕度的差距大于氣溫的差距，據此可知相對濕度的其他影響因素對其有重要影響。因此輻射場對氣溫的作用強于對相對濕度的作用。

3.2 建筑圍合度變化的輻射場對氣溫的影響

與圍合度對輻射場影響的分析相對應，也將其影響下輻射場與氣溫的關系進行了模擬分析。以西安為例，采用ENVI-met模擬地表凈輻射量與氣溫的關系，結果如圖10所示。圍合系數從2.30變化到0.61時，凈輻射量呈現增大趨勢，即隨著圍合度變小，凈輻射量增大，混凝土下墊面的凈輻射量增加幅度大于瀝青下墊面。

由圖10可以看出：地表凈輻射量的增減與氣溫同趨勢；夏季輻射場對氣溫的影響強于冬季。在圖10a中，夏季瀝青下墊面，在圍合系數較大時地表凈輻射量出現了負值，表明此時下墊面接收到的輻射量小于反射和發射的輻射量。瀝青下墊面無論在冬季還是夏季對氣溫的影響都強于混凝土下墊面。對比分析圖9、10，不同方式引起的輻射變化對氣溫的作用程度不同。

4 結語

本文提出了城市復雜輻射場的概念并分析了其特性。采用氣候模擬方法，從下墊面熱特性及建筑圍合角度研究了城市輻射場的變化規律。夏季的輻射強度變化幅度大于冬季。下墊面反射比、導熱系數及空間圍合度都會對輻射場產生顯著影響。反射比增大，反射輻射增強，而長波輻射減弱。導熱性越高的下墊面，其輻射場越弱。隨著圍合度的增大，圍合空間中下墊面的反射輻射總體呈降低趨勢，但對于反射比低的下墊面(瀝青)，反射輻射存在小幅的增長趨勢。在建筑圍合空間中下墊面對輻射場的影響比開敞空間更顯著。長波輻射發射率大的下墊面對微氣候影響更為顯著；輻射場對氣溫的影響強于相對濕度。不同方式引起的地面凈輻射的變化對溫度的作用幅度不同。各地輻射強度顯著不同，其對城市微氣候的影響程度必然存在差異，但通過輻射影響微氣候的機理是相同的。