冷却屋顶对福州市夏季高温影响的模拟研究

官雨洁， 吴 滨， 黄书捷， 陈 立

(1.福州市气象局，福州 350000； 2.福建省气候中心，福州 350000； 3.莆田市涵江区气象局，福建 莆田 351111)

引 言

随着全球气候变暖加剧，极端天气气候事件明显增多，加上近年来城市化进程加快，区域极端高温事件频繁发生，给人们的日常生活带来严重威胁。如何有效缓解城市高温,已成为当下的研究热点。大量研究结果表明，城市下垫面性质对气温的影响最为显著[1-6]。主要由混凝土或沥青等构成的城市下垫面，其相对于自然表面具有较大的反照率、较小的热容量和很少的蒸发特征，能将入射的太阳辐射有效地转化为热量，使城市温度上升。针对这一特点，有学者指出，可以通过改变城市地表属性来缓解城市高温。然而在高密度建筑物的城市区域，能利用的空余土地十分有限，因此研究人员开始把目光转向屋顶，利用高反照率屋顶和绿色植被屋顶来降低城市温度[2,4-6]。高反照率屋顶与绿色植被屋顶在降低城市温度方面的作用原理是有所不同的。高反照率屋顶对太阳光进行反射，使地面接收到的热量降低，而绿色屋顶则是通过调节潜热来提高城市蒸发量，从而降低城市温度。

冷却屋顶(高反照率屋顶和绿色屋顶)对城市的降温作用已得到广泛验证。Millstein等[7]通过区域气候模式对大规模市区高反照率屋顶进行模拟，但由于城市冠层模型中分辨率较低，未能充分表述出城市环境。Smith等[8]在芝加哥利用WRF模式对绿色屋顶的降温效果进行模拟，结果表明绿色屋顶能使气温下降，但模式中忽略了植被对热容量和导热率等所产生的影响。Sun等[9]借助WRF-PUCM城市冠层模式分析绿色屋顶在降低北京酷暑温度方面的作用，得出绿色屋顶能够有效改善城市热岛的结论。Zinzi等[10]利用建筑物耗能软件对不同型屋顶开展研究，结果表明，冷却屋顶确实能使气温下降。近些年国内关于冷却屋顶的研究也在开展中。王成刚等[11]分析了南京建筑屋顶的热存储特征，结果表明，屋顶绿化确实有助于缓解城市高温。王咏薇等[12]用数值模拟方法研究重庆高密度建筑物区域对城市气象环境的影响。福州市作为福建省省会，城镇化率达70.3%，为典型的亚热带季风气候区和典型的河口盆地地貌，夏季受高温影响明显。针对福州市夏季高温现状，利用数值模拟方法分析冷却屋顶对福州城市高温的缓解作用，不仅符合城市气象研究方向，同时为解决城市热岛问题提供了科学依据。

1 模式及方法

1.1 WRF模式及方案选择

WRF模式为美国国家大气研究中心及环境预报中心等联合开发的新一代高分辨率中尺度预报模式。目前，有3种城市冠层方案在WRF中可供选择：UCM、BEP和BEM+BEP。为提高模拟实验效果，此次研究将WRF模式和UCM单层城市冠层方案耦合，得到WRF/UCM嵌套模式。这一模式的优点在于计算较为简便高效，并且综合考虑了多个因素(建筑物对辐射的遮挡和长短波的反射作用等[5,10])，可以较为精准地反映城市动力学及热力学效应[5,13]。

本文以2013年7月29日08时至8月11日08时作为福州市夏季高温天气的研究背景(所选时段天气晴朗、少云微风)，运用WRF3.7.1进行研究。此次模拟区域以福州城区(26.08°N、119.29°E)为中心，采用三重嵌套网格，网格距分别为9、3和1 km，格点数分别为100×100、88×88和100×100，最内层区域覆盖了福州主城区及少量郊区，垂直方向包括53层，其中2 km以下垂直层数加密到22层。初始及边界要素使用NCEP 1°×1°的每6 h更新一次的再分析资料。最内层下垫面分布情况见图1。试验中采取的物理参数化方案核心为RRTM长波[14]及Dudhia短波[15]辐射方案、YSU边界层方案[16]、WSM6微物理方案[17]、莫宁-奥布霍夫地表方案[18]、Noah陆面模式[19-20]和单层城市冠层耦合方案等，因为内层研究区分辨率较高，所以积云参数化方案Grell 3D仅应用于最外层。

图1 福州市夏季WRF模拟区域概况

1.2 算例及城市参数设置

城市参数的合理设定能得到更为准确的模拟结果。本研究中设置的建筑物相关参数来源于福州市核心区的楼房状态测算，热系数则由屋顶、街道、墙面的实际用材确定。

此次研究设计了三组共八个算例(具体见表1)，以实现高反照率屋顶及绿色屋顶两种冷却屋顶对福州市夏季温度、风速及相对湿度等要素的作用效果探讨。对照算例(CTRL)将屋顶反照率设置为0.2来模拟真实情况下福州市的屋顶反照率大小；绿色屋顶的4个算例(GR2-5)将城市屋顶植被覆盖占比设置不同，其余不变；高反照率屋顶的3个算例(HR6-8)将城市屋顶反照率设置不同，其余不变。其中，由于福州市属典型的亚热带季风气候，雨量充沛，绿色屋顶算例中将土壤含水量设为0.35 m3/m3，叶面积指数设为1.5。

表1 福州市2013年7月29日08时至8月11日08时高温模拟算例和城市参数设置

1.3 舒适度指数

舒适度指数(SSD)的计算公式[21-23]为

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

(1)

其中，T是气温，U是相对湿度，V是风速。计算后的SSD值越高，意味着舒适度越低，即人体感知越不舒适。

2 模拟结果评估

为了检验WRF模式下的UCM对福州市的模拟效果，本文利用2013年7月29日08时至8月11日08时的福州城区及郊区自动气象站观测数据与同时期CTRL模拟得到的2 m气温(T2)及相对湿度(RH)及10 m风速(WS)进行对比分析，结果如图2所示。图中模拟的气温和相对湿度不仅与观测值的变化趋势相似，而且峰谷值的出现时间基本一致，总体来说模拟结果与实际观测结果相差较小。图2(a)中，8月2日08时至3日08时观测值的气温低于模拟值，偏差在5 ℃左右。图2(c)中，8月2日08时至3日08时观测值的相对湿度高于模拟值，偏差在20%左右。究其原因为2日白天受人为因素(如洒水车等)影响较大，导致相对湿度明显增加，气温下降。从10 m风速对比值看(见图2b)，模拟值总体偏大，模拟效果略差，可能原因[20-21,24]有以下三点:(1)模式格点分辨率不足导致冠层内建筑物的外形特征没有得到充分的解释；(2)冠层内10 m风速的来源为大气模式第一层风速值的对数，但实际上大气模式中第一层高于一般建筑物；(3)单层城市冠层模式中建筑物的高度差别不大，使城市下垫面的动力粗糙度数值偏低，进而导致大气模式模拟的风速偏高。

图2 福州市2013年7月29日08时至8月11日08时2 m气温(a)、10 m风速(b)、2 m相对湿度(c)的模拟值与观测值对比

3 结果与分析

3.1 冷却屋顶对城市高温的缓解作用

两种冷却屋顶(高反照率屋顶和绿色屋顶)对城市高温的缓解具有重要作用。图3为福州市2013年7月29日08时至8月11日08时冷却屋顶HR8(a、c、e)和GR5(b、d、f)与对照算例夜间(a、b)、白天(c、d)及最高温度(e、f)的平均气温差(白天指08-18时，夜间指00-07时，最高气温指14时)。分析图3(a)(b)发现：夜间两种冷却屋顶的降温幅度都为0.3～0.6 ℃，降温区域也较为相似。白天两种冷却屋顶的降温效果则明显高于夜间的(如图3c、d)，降温幅度为0.6～1.0 ℃。一天中最高气温一般出现在14时左右，此时的两种冷却屋顶降温效果最好，多集中在0.8～1.2 ℃。在建筑物比较集中的区域，降温效果更为明显，白天两种冷却屋顶在建筑密集区降温效果均达到了1.0 ℃(见图3e、f)，并且高反照率屋顶的局部地区降温效果可达1.4 ℃左右。Georgescu等[25]关于美国城市冷却屋顶的分析研究表明,夏季白天，高反照率屋顶比绿色屋顶有着更好的降温作用。这和本研究得出的结论是相同的。

两种冷却屋顶的设置之所以能达到降温的效果，主要是因为它们影响了城市的能量平衡。图4为福州市2013年7月29日08时至8月11日08时辐射通量的日变化曲线图。由图4(a)可知，使用正常屋顶时，辐射能量会转化为感热通量，导致近地表气温上升。使用高反照率屋顶时，屋顶反照率增加，使气温升高的太阳短波辐射通量减少，导致到达屋顶的总能量有所减少，因此可分配的感热通量也会相应减少，从而使气温下降。而绿色屋顶的能量平衡过程与高反照率屋顶有所不同。绿色屋顶与正常屋顶的反照率是一样的，所接收到的太阳短波辐射也是相同的，但屋顶上覆盖的植被能使潜热通量明显增加(如图4b)，因此在总能量不变的情况下，能增加近地表气温的感热通量就有所减少，从而使气温下降。此外，两种冷却屋顶对感热通量的最大影响值均出现在14时左右，故14时降温效果最明显。

图4 福州市2013年7月29日08时至8月11日08时辐射通量的日变化

3.2 不同比例冷却屋顶对城市高温的影响

屋顶反照率较高或屋顶植被覆盖率达100%时能明显缓解城市高温，但实际情况下往往不容易实现(反照率材料易老化、屋顶种植不普及等原因)。故本节探讨不同比例的反照率屋顶及不同植被覆盖率的绿色屋顶在缓解城市高温中所发挥的作用。图5为各个比例反照率屋顶(HR)和绿色屋顶(GR)与对照算例(CTRL)中4个气象因子差值的线性拟合。通过图5可以看出，不同比例的反照率屋顶和不同植被覆盖率的绿色屋顶与4个气象因子均有较强的线性关系，这与Li等[26]得到的结论一致。图5(a)中,屋顶每增加0.1的反照率,2 m气温下降0.1 ℃；绿色屋顶每增加10%的覆盖率,2 m气温下降0.062 ℃。绿色屋顶的降温效果没有高反照率屋顶的好。绿色屋顶因自身水汽蒸发导致气温下降，因此，绿色屋顶比高反照率屋顶更能促进比湿的提高(见图5b)。屋顶反照率每增加0.1，2 m比湿会增加0.06 g/kg；而绿色屋顶每增加10%的覆盖率，2 m比湿增加0.08 g/kg。此外，各个比例冷却屋顶与边界层高度同样存在一定的线性联系。图5(d)中屋顶反照率每增加0.1，边界层高度降低约24 m；绿色屋顶覆盖率每增加10%，边界层高度降低约13 m。这是由于冷却屋顶导致的气温下降，造成城市湍流作用减弱，进而降低了边界层高度，并且10 m风速也与湍流动量的输送有关[27]。不同比例的反照率屋顶和不同植被覆盖率的绿色屋顶均与10 m风速存在线性关系(见图5c)。因此，提高绿色屋顶比例和屋顶反照率，能在一定程度上减弱城市地区的风速。这一结论与周晓宇等[22]的研究结果一致。

图5 福州市2013年7月29日08时至8月11日08时各个比例反照率屋顶和绿色屋顶与对照算例2 m气温(a)、2 m比湿(b)、10 m风速(c)、边界层高度(d)差值的线性拟合

3.3 冷却屋顶对人体舒适度的影响

有研究[19,28]表明，气温适中时人体不会受到湿度太大的影响，但气温偏高或偏低时，人体热平衡对于湿度的感知会变得十分敏感。尤其是气温偏高的情况下，较高的湿度会使人体排汗受阻，进而导致热感应更加明显。风可以促进气体的流动及热量的传导，使身体热量扩散加快,导致体感温度下降。温度、湿度和风速同时决定着人体舒适度[29]。虽然使用的两种冷却屋顶在一定程度上都能使城市温度下降，但在福州市夏季高温高湿的环境下,由它们带来的湿度增加及风速减小的问题,反而可能会对人体舒适度产生影响。

图6(a)(b)(c)为不同屋顶条件下福州市2 m气温、2 m比湿和10 m风速的日变化曲线。由图6可以看出，CTRL、GR5和HR8均有着相似的日变化趋势。气温方面(图6a)，GR5和HR8降温效果基本没有差异，且相比CTRL均是在中午13时左右降温幅度最大。这也说明夏季高温天气中两种冷却屋顶都能有效缓解高温。比湿方面，GR5和HR8均会使比湿增加，其中GR5白天比湿增加量明显大于HR8的，这是白天屋顶植被更为旺盛的蒸腾作用所导致的。对比图6(a)(b)可以发现，CTRL和HR8的气温变化与比湿变化呈负相关关系，一天中气温最高时(13时左右)比湿最小；而GR5虽然也有相似的变化曲线，但其比湿最小值出现在早上。相对CTRL，从图6(c)可以看出，相比CTRL，所使用的两种冷却屋顶都能使风速有所下降，其中08-15时风速下降最明显。图6(d)为3个算例下人体舒适度指数的日变化曲线。由图可知，两种冷却屋顶在08-15时使人体舒适度指数有所增加，即此时增加了人体的不舒适度。这是因为在08-15时相对湿度和风速分别处于增大和减小的较高值，不利于增加人体舒适度。两种冷却屋顶对人体不舒适程度的影响也不同。GR5的人体舒适度指数稍大于HR8的，即使用高反照率屋顶的人体舒适度略好于使用绿色屋顶的，还说明湿度对人体舒适度的影响更大。15时之后人体舒适度指数下降，使用两种冷却屋顶均能提高人体舒适度。

图6 福州市2013年7月29日08时至8月11日08时不同屋顶条件下2 m气温(a)、2 m比湿(b)、10 m风速(c)及舒适度指数(d)的日变化

4 结 论

本研究利用耦合了单层城市冠层方案(UCM)的WRF模式，对2013年7月29日08时至8月11日08时的福州市夏季高温天气进行模拟，探讨了冷却屋顶(高反照率屋顶及绿色屋顶)对城市高温的影响。主要结论如下:

(1)夏季高温天气下两种冷却屋顶对城市均有降温效果，其中白天降温效果大于夜间的。两种冷却屋顶夜间降温幅度为0.3～0.6 ℃，白天降温幅度为0.6～1.0 ℃，14时左右降温幅度为0.8～1.2 ℃。建筑物相对集中的区域冷却屋顶的降温效果更为明显。一天中绿色屋顶的最大降温约为1.0 ℃，而高反照率屋顶的在1.4 ℃左右。

(2)两种冷却屋顶通过影响城市地表能量平衡来达到降温效果。高反照率屋顶对太阳光进行反射，使地面接收到的热量降低；而绿色屋顶则是通过调节潜热来提高城市蒸发量，从而降低城市温度。

(3)各个比例下的反照率屋顶和绿色屋顶对城市中气象要素的影响效果不同，但均为线性相关。当屋顶反照率提高0.1时，2 m气温降低0.1 ℃，边界层高度降低24 m，风速降低0.04 m/s，比湿增加0.06 g/kg；当屋顶植被覆盖率增加10%时，2 m气温降低0.062 ℃，边界层高度降低13 m，风速降低0.05 m/s，比湿增加0.08 g/kg。

(4)反照率为0.8的屋顶和植被覆盖为100%的绿色屋顶在08-15时会使人体不舒适度增加，15时之后两种冷却屋顶均能提高人体舒适度。使用高反照率屋顶的人体舒适度略高于绿色屋顶的舒适度。

在夏季高反照率屋顶和绿色屋顶的实行能对城市地区的高温天气产生一定的缓解作用，但也可能带来边界层高度降低、风速减弱等负面影响。因此，在未来的工作中需将冷却屋顶算例设置得更贴近实际情况，并在此基础上详细分析对城市的具体影响。