城市街区形态及屋顶材料对辐射通量影响的分析

论文总字数：22928字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1 引言 3

2数据与模型 4

2.1 观测数据 4

2.2 城市冠层模型 4

2.3 城市冠层模型中的参数及其设置 6

2.4 本文模拟算例 6

3城市冠层模型模拟效果的验证 7

3.1夏季算例模拟效果分析 7

3.2 冬季算例模拟效果分析 10

4街区形态及建筑材料对城市地表辐射及热通量的影响 13

4.1 建筑物形态参数的敏感性试验 13

4.1.1 建筑物宽度变化的影响 13

4.1.2 街道宽度变化的影响 14

4.1.3 建筑物高度变化的影响 15

4.2 屋顶材料的敏感性试验 15

5结论 17

6展望 18

参考文献 18

致谢 21

城市街区形态及屋顶材料对辐射热通量影响的分析

张蕾

, China

Abstract: With the rapid development of urbanization, it has brought a series of problems to human beings. Urban canopy model was developed to simulate the canopy structure which composed of unique anthropogenic underlying surface in urban. In this paper, observed data about radiation and flux of a summer example (July 17, 2005) and a winter example (March 1, 2006) were selected to evaluate the existing urban canopy models, then sensitivity tests were carried out to analyze the influence of block shape and building materials on radiation and flux in urban canopy model. The study found that the urban canopy model has been able to accurately simulate the characteristics of surface energy budget balance in the actual canopy, furthermore, the long and short wave radiation on the roof and the sensible heat flux and heat storage flux on the surface of canopy can be calculated reasonably, and the error can be controlled within a reasonable range, daily variation characteristics about temperatures on different surfaces in the canopy are in line with the actual. Overall, the model has good simulation performance. Sensitivity tests show that some parameters such as the building width, street width and building height are significantly effect on the output of the surface temperature and albedo; the change of roof materials also has a great influence on the radiation and heat flux and surface temperature. That is to say, the block morphology parameters and roof materials have a high sensitivity to the model output.

Key words: urban canopy model; energy budget; block morphology; roof materials

1 引言

城市表面一般由不同的街道峡谷、建筑物和植被组成，由于城市形态的复杂性，潜在的障碍物对低气流和热构造产生了巨大的影响。随着全球经济的扩张，城市化进程也在加快，城市正在不断发展和扩建，城市发展过程中的每一个微小变化都会对周边大气环境带来巨大的影响^[1]。城市化导致了城市地区土地利用的变化，并形成了城市冠层。实地测量^[2]和风洞试验^[3]表明，城市区域的流场特征、湍流运动能量（TKE）和切应力对大气污染物散布和相关大气质量产生了极大的影响。

一方面，城市的扩张、人口的集中使局地气候发生了很大的变化，城市热岛现象是最直接的证据，热岛效应将直接危害城市居民的健康^[4-5]。为了缓解城市热岛效应，科学家们开展了一系列研究，研究结果表明冷却屋顶的设计，包括提高城市表面的反照率^[6-7]以及使用绿色植物屋顶，能够有效的平衡城市地表能量中多余的热量^[8-9]。因此建筑物材料的选择对于缓解城市热岛效应能起到一定的作用。

另一方面，随着自然下垫面被复杂的城市表面所代替，建筑物占地面积的大小、城市布局以及街道间距大小等的改变都对局地的大气环境产生很大影响，并通过热量、水汽、动量和物质交换而影响到中尺度气象场。何晓凤等^[10]研究指出随着数值模拟技术的发展，人们开始越来越多地借助数值模式研究城市问题。Grimmond等^[11]也指出，城市表面对热通量、水汽通量、动量通量的影响需要在数值模式的表面方案中得以体现。在数值模式中，表面能量平衡（SEB）是确定近地表动力和热力分布的一个关键因素。因此，为了改善城市区域数值天气预报模式、大气质量预报模式、甚至是全球气候模式的模拟能力，对城市表面能量平衡有一个精确描述显得尤为重要^[12]。这就要求我们在原有研究的基础上，不断改善模式中的地表能量平衡参数化方案，从而提高模式在城市区域的模拟能力。

有几种方案可以模拟城市表面条件的复杂性。第一种方法是运用包括表面粗糙度、反照率、发射率、热容量、热传导等在内的物理、空气动力学特征变量来表示城市地表能量收支，即所谓的板模型^[13]；第二种方法是运用基于单一植被模型的^[14]单层城市冠层模型^[15-16]，考虑建筑物影响的单层冠层方案的优点在于冠层内不分层，将建筑物表面作为一个整体，考虑各表面对热通量的贡献。计算过程与其它方案相比较为简单，所需确定的参数相对较少。然而也正是因为该方案在冠层内不分层，而没有考虑到建筑物结构对气流的拖曳作用以及对湍能生消的影响；第三种方法是多层城市冠层模型^[17-18]，它考虑了地面建筑物密度的垂直分布，或者是建筑物高度在邻近尺度的差异，综合考虑了建筑物冠层对湍流动能生消、流场拖曳作用、辐射及能量平衡等的影响，且有较为完善的物理机制。但正是由于该模式对城市冠层内的过程考虑得比较全面，因而方案较为繁琐，模式也相对复杂一些^[19]。当前，方案众多，需要确定的参数众多，因此，方案的准确性评估以及参数的合理确定工作仍然非常重要。

本文基于已有的城市冠层模型，运用中国大城市南京的辐射及通量观测数据，分别对模型冬季和夏季的模拟效果做出评估；为更好地理解模式并对其进行优化，本文改变了模式中的物理参数（如建筑物形态参数、反照率等），讨论城市街区形态及建筑材料对模式的敏感性，从而为发展城市冠层模式，确定关键参数，使其能够合理的模拟中国大城市的地表能量及通量的平衡过程；同时探索屋顶材料对城市冠层的影响，从而在一定程度上缓解城市热效应。

2 数据与模型

2.1 观测数据

我们采用在南京进行的边界层观测试验中楼顶辐射及能量平衡的观测资料进行计算检验。观测试验于2005年夏季（7月17日－31日）和2006年冬季（2月21日－3月5日），分别在城市和郊区两个观测地点进行。设置秦淮区内楼高为21m的市委党校教学楼顶为城市辐射平衡观测点（118.78E，32.04N），观测场地是20m*10m的灰白色水泥楼顶。这里街道纵横，建筑物密集度较高且参差不齐，是典型的居民区和商业区，人为下垫面面积大于总面积的90%，自然下垫面（如植被等）较少，可作为城市下垫面的典型代表^[20]。

2.2 城市冠层模型

本文所用城市冠层模式是2007年由王咏薇等建立所得^[20]。该模型中城市冠层形态如图1所示。在模式中，街道和建筑物由无限延伸的具有正方形水平截面和均匀表面性质的规则阵列表示。定义主轴线平行于街道，且从上往下按顺时针方向测得，它与北-南方向之间的夹角为ω。太阳高度角为α，从街道轴线方向测得的太阳方位角为β。该模型适用于任何时间和地点，能预测建筑物街区内东、西、南、北、屋顶及地面每个面的能量平衡和表面温度，并通过面积加权得到冠层内总的向上的辐射和湍流通量。

街道轴线

B

B

D

D

H

街道轴线

S

N

太阳

α

β

ω

图1 本文采用的城市冠层形态（参考文献[20-21]）