復(fù)雜輻射場對城市微氣候的影響*

西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國家重點實驗室 劉大龍

西安建筑科技大學(xué) 宋慶雨

西安建筑科技大學(xué) 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(qū)域大氣候基礎(chǔ)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(nèi)，受地面影響顯著[2]。城市微氣候直接決定著城市的環(huán)境狀況，它在改善人居環(huán)境、提升城市生活品質(zhì)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(shù)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(guān)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(chǎn)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(guān)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(lǐng)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(shè)計要素與微氣候的內(nèi)在關(guān)聯(lián)[5,9]、人與微氣候的關(guān)系[10]、城市化對微氣候的影響[11-12]、城市微氣候的設(shè)計改造方法[13]等方面，但是對于微氣候的內(nèi)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(guān)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(shù)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(chǔ)。

1 城市復(fù)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(guān)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(fù)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(fù)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(zhì)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(chǎn)生了氣候的季節(jié)性變化，這種太陽輻射的變化使得輻射場具有典型的動態(tài)性，這種輻射動態(tài)性主導(dǎo)了微氣候的變化規(guī)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(fā)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(tài)性和復(fù)雜性，因此稱其為城市復(fù)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(chǎn)生城市復(fù)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(guān)系。

2.1 影響因素及模擬工具的選擇

下墊面的不同實質(zhì)是地面材料的不同。本研究中假設(shè)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(guān)。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(nèi)部的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)和建筑的圍合方式來分析不同下墊面與輻射場的量化關(guān)系。實驗測試難以控制上述參數(shù)的變化幅度和范圍，模擬技術(shù)是實現(xiàn)該研究的有效方式。在城市微氣候研究領(lǐng)域，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)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(jié)果具有重要影響。筆者所在課題組通過對比分析[17]，發(fā)現(xiàn)ENVI-met更適合于城市輻射場的模擬。

ENVI-met模擬設(shè)置如下：模擬地點為西安(東經(jīng)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(shù)來自于JGJ/T 346—2014《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標準》。下墊面材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 各下墊面物性參數(shù)

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(guī)律，選擇開敞空間，分別模擬冬季和夏季典型日的情況，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 反射比與下墊面反射輻射的關(guān)系

圖5 反射比與下墊面長波輻射的關(guān)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(guān)，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小；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(xiàn)顯著的負相關(guān)；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(guān)。夏季的長波輻射強度明顯大于冬季。

2.3 下墊面材料導(dǎo)熱系數(shù)對輻射場的影響

使用ENVI-met模擬下墊面材料導(dǎo)熱系數(shù)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(shè)置與2.1節(jié)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(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6 導(dǎo)熱系數(shù)與長波輻射的關(guān)系

由圖6可以看出：隨著下墊面導(dǎo)熱系數(shù)的增大，其發(fā)射的長波輻射呈減小趨勢；冬夏季具有相同的變化規(guī)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(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)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(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，導(dǎo)熱系數(shù)大的材料溫度梯度小，即意味著導(dǎo)熱系數(shù)大的下墊面溫度更接近地溫，比導(dǎo)熱系數(shù)小的下墊面溫度低，所以其發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)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(fā)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(shù)(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(qū)占地面積。B取值如表2所示。圍合系數(shù)越大，建筑圍合度越高。使用ENVI-met模擬圍合系數(shù)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(guī)律，結(jié)果如圖7、8所示。

表2 建筑表面圍合系數(shù)的取值

圖7 不同圍合系數(shù)下的反射輻射

圖8 不同圍合系數(shù)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(jié)果。由圖7可以看出：隨著圍合系數(shù)的增大，混凝土(水泥)下墊面的反射輻射總體呈現(xiàn)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(xiàn)單調(diào)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(shù)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(shù)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(dǎo)致城市輻射的“陷阱效應(yīng)”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(shù)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(xiàn)略微增長趨勢，瀝青下墊面反之。但當圍合系數(shù)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(fā)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(shù)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(fā)射的長波輻射減少。瀝青下墊面的發(fā)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。混凝土下墊面的長波輻射最大值出現(xiàn)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(shù)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(guān)系進行了模擬分析。下墊面參數(shù)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(tǒng)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(fā)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。混凝土下墊面的反射比分別為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(guān)系，夏季的模擬結(jié)果如圖9所示。反射比越大，對應(yīng)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(fā)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(jù)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(yīng)，也將其影響下輻射場與氣溫的關(guān)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(guān)系，結(jié)果如圖10所示。圍合系數(shù)從2.30變化到0.61時，凈輻射量呈現(xiàn)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(shù)較大時地表凈輻射量出現(xiàn)了負值，表明此時下墊面接收到的輻射量小于反射和發(fā)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(jié)語

本文提出了城市復(fù)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(guī)律。夏季的輻射強度變化幅度大于冬季。下墊面反射比、導(dǎo)熱系數(shù)及空間圍合度都會對輻射場產(chǎn)生顯著影響。反射比增大，反射輻射增強，而長波輻射減弱。導(dǎo)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(fā)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。