复杂辐射场对城市微气候的影响*

西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室 刘大龙

西安建筑科技大学 宋庆雨

西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室 刘加平

0 引言

城市微气候(microclimate)是在区域大气候基础上，由下垫面、人为排热、地形方位等多种因素共同作用形成的局部的特殊性气候类型[1]。其范围主要在城市边界层内，受地面影响显著[2]。城市微气候直接决定着城市的环境状况，它在改善人居环境、提升城市生活品质等方面起着重要的作用。

太阳辐射是地球最主要的热源，是气候形成最主要的因素，在城市气候中同样如此。气象参数可分为2类：太阳辐射和气温、相对湿度等。下垫面是城市气候形成的关键人为要素，也是太阳辐射作用于城市的重要载体。不同的下垫面对辐射具有不同的反射、吸收特性，对微气候产生重要影响[3]。随着城市化进程的加快，城市中的高密度与高容积率使得建筑间距越来越小，建筑的围合空间越来越大，从而影响着辐射在城市空间中的分布[4]。下垫面、建筑布局已成为影响城市中辐射场的关键要素，文献[5]指出它们是影响城市微气候的重要因素。

城市微气候已成为研究热点。目前该领域研究集中于微气候类型[6]、微气候热舒适度评价[7-8]、园林设计要素与微气候的内在关联[5,9]、人与微气候的关系[10]、城市化对微气候的影响[11-12]、城市微气候的设计改造方法[13]等方面，但是对于微气候的内在微观机理研究方面，特别是太阳辐射与气候要素之间的关系方面的研究较少。本文以辐射为研究对象，从气候微观角度来阐释辐射对于其他气象参数的影响机制，为更好地利用辐射资源进行微气候营造奠定基础。

1 城市复杂辐射场的特征

太阳辐射是城市的最主要热源，对于城市微气候起着至关重要的作用。在城市中，因为硬化的下垫面、建筑的密集分布，在城市空间中存在太阳直射辐射、散射辐射、天空长波辐射、地面反射辐射、建筑表面反射辐射等多种辐射组成要素，这些辐射要素与下垫面及建筑的布局共同形成了城市辐射场。

城市辐射场具有如下特征：1) 辐射场的组成成分复杂多样。有短波辐射、长波辐射；有直射辐射、散射辐射，还有反射辐射。如图1所示。不同类型辐射的强度、作用方式不同。2) 硬化的下垫面、密集的建筑群、建筑的围合空间形成了更多的反射辐射。既有太阳短波辐射的反射，也有长波辐射的反射；既有下垫面、建筑表面间的多次反射，也有建筑之间的多次反射，如图2所示。3) 密集的建筑群，特别是高层建筑，显著地增大了城市中太阳辐射的吸收面，造成城市中的长波辐射强度更高，如图3所示。4) 下垫面是城市中一个主要的太阳辐射作用体，下垫面的多样性使得城市辐射场具有显著的多样性、复杂性。城市中下垫面形式多样，包括混凝土、沥青、石材、铺砖、绿化场地、水体等，不同材质的下垫面具有不同的热反射、传热、蓄放热特性。5) 太阳辐射的周期性变化产生了气候的季节性变化，这种太阳辐射的变化使得辐射场具有典型的动态性，这种辐射动态性主导了微气候的变化规律。

注：qs,D为太阳直射辐射；qs,d为太阳散射辐射；ql，a为天空长波辐射；ql,g为地面长波辐射；ql,w为墙面长波辐射；qrs为综合短波反射辐射；qrl为综合长波反射辐射。

图2 多次的反射辐射

图3 建筑发射的长波辐射

具备上述特征的城市辐射场具有显著的多样性、动态性和复杂性，因此称其为城市复杂辐射场。它对城市微气候具有重要影响。

2 城市辐射场的影响因素分析

硬化的下垫面和密集的建筑布局是产生城市复杂辐射场的2个主要原因，因此本文从这两方面来分析其与辐射场之间的关系。

2.1 影响因素及模拟工具的选择

下垫面的不同实质是地面材料的不同。本研究中假设下垫面为单一材料，且有较大的厚度。短波、长波辐射对下垫面材料的热作用，与材料对辐射的反射性、吸收性及材料本身的传热性和蓄热性相关。对于灰体，其反射比与吸收比之和为1，即反射性强则吸收性弱，因此通过材料的反射比来分析下垫面对辐射的作用。下垫面的传热主要指材料接收辐射后内部的导热传热。有研究选择热惯量、热扩散率来分析下垫面的传热特性[14]，但考虑模拟软件的使用，本文选择了材料的导热系数来分析，同时还分析了空间围合方式对辐射场的影响。

本文通过改变材料的反射比、导热系数和建筑的围合方式来分析不同下垫面与辐射场的量化关系。实验测试难以控制上述参数的变化幅度和范围，模拟技术是实现该研究的有效方式。在城市微气候研究领域，数值模拟技术已经成为主要的量化研究方式[15-16]。但是微气候模拟工具众多，模拟工具的选择对分析结果具有重要影响。笔者所在课题组通过对比分析[17]，发现ENVI-met更适合于城市辐射场的模拟。

ENVI-met模拟设置如下：模拟地点为西安(东经108.97°，北纬34.25°)，海拔为405 m。模拟空间尺寸为5 m×5 m×45 m(长×宽×高)；围合空间中建筑高度为15 m(5层)。模拟时长为24 h，冬季模拟日为冬至日，夏季为夏至日。计算间隔为60 min。气象参数来自于JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》。下垫面材料性能参数如表1所示。

表1 各下垫面物性参数

2.2 下垫面反射比对辐射场的影响

使用ENVI-met模拟下垫面材料反射比从0.1渐变到0.8时，来自下垫面的反射辐射和长波辐射的变化规律，选择开敞空间，分别模拟冬季和夏季典型日的情况，结果如图4、5所示。

图4 反射比与下垫面反射辐射的关系

图5 反射比与下垫面长波辐射的关系

由图4可以看出：随着下垫面反射比的增大，下垫面的短波反射辐射呈增强趋势，当反射比大于0.5时反射辐射明显增强；中午太阳短波辐射最强，使得中午的反射辐射也最强；夏季的反射辐射强度明显大于冬季。这些说明反射比与下垫面的反射辐射强度呈正相关，且反射比对短波反射辐射影响显著。由图5可以看出：随着下垫面反射比的增大，下垫面的长波辐射强度不断减小；下垫面反射短波辐射越多，则吸收热量越少，因此其长波辐射强度就越弱；反射比与长波辐射之间呈现显著的负相关；在一天中，03:00—05:00的长波辐射强度较大。可见长波辐射变化与太阳辐射存在明显延迟性，其与下垫面材料本身的蓄放热特性紧密相关。夏季的长波辐射强度明显大于冬季。

2.3 下垫面材料导热系数对辐射场的影响

使用ENVI-met模拟下垫面材料导热系数从1 W/(m·K)渐变到4 W/(m·K)时对辐射场的影响。其他模拟设置与2.1节相同，分别模拟了冬季和夏季典型日下垫面长波辐射的变化规律，结果如图6所示。

图6 导热系数与长波辐射的关系

由图6可以看出：随着下垫面导热系数的增大，其发射的长波辐射呈减小趋势；冬夏季具有相同的变化规律，夏季长波辐射强度显著高于冬季。虽然冬夏季长波辐射随导热系数的变化规律相同，但过程却不同。夏季，下垫面从室外吸收热量，热流从室外流向地面。假定下垫面下边界的大地恒温，下垫面材料与大地均为实体材料。当同样强度的热流从室外流向下垫面时，根据傅里叶导热定律，导热系数大的材料温度梯度小，即意味着导热系数大的下垫面温度更接近地温，比导热系数小的下垫面温度低，所以其发射的长波辐射强度低。冬季，热流从地面流向室外，地面材料导热系数越大，大地热流散失越多，等价于地面保温能力越弱，则地表温度越低，其发射的长波辐射越弱。

2.4 建筑围合度对辐射场的影响

建筑之间的围合对太阳辐射具有很强的遮挡、扩散作用，对长短波辐射都有较强的反射作用，特别是在紧密围合情况下。选用建筑表面围合系数(B)[18]量化不同的建筑围合度，其计算公式为B=S/A，其中S为总建筑围护面积，通常为除去地表的建筑表面面积之和，A为街区占地面积。B取值如表2所示。围合系数越大，建筑围合度越高。使用ENVI-met模拟围合系数从2.30到0.61的8种情况下，混凝土下垫面和沥青下垫面的反射、长波辐射变化规律，结果如图7、8所示。

表2 建筑表面围合系数的取值

图7 不同围合系数下的反射辐射

图8 不同围合系数下的长波辐射

由于冬季辐射较弱，所以只给出了夏季的模拟结果。由图7可以看出：随着围合系数的增大，混凝土(水泥)下垫面的反射辐射总体呈现减小趋势，但变化过程略有起伏；沥青下垫面的反射辐射呈现单调增大趋势。混凝土下垫面的反射比约为0.25，明显大于沥青下垫面的0.10，因此混凝土下垫面的反射辐射更强，特别是在围合度低、空间较为开敞的情况下。

反射辐射主要来自于太阳短波辐射，当围合度增大时，围合空间中接收到的直射辐射显著降低。对混凝土下垫面，因反射比高，所以反射辐射减少明显。围合度变化中反射辐射略有增大的原因是，某些高围合度空间(如围合系数为1.43)对太阳直射辐射的遮挡反倒比低围合度空间(如围合系数为1.16)弱。对沥青下垫面，随着围合度增大，因反射比低，太阳辐射的减少对反射辐射影响较弱。同时，因为围合度高，导致城市辐射的“陷阱效应”作用[19]加大，反射辐射反倒略有增强。

由图8可以看出：当围合系数在0.61～1.43之间变化时，混凝土和沥青下垫面的长波辐射变化都很平缓，混凝土下垫面呈现略微增长趋势，沥青下垫面反之。但当围合系数增大到1.80时，2种下垫面的长波辐射突然增大，其原因是建筑间距减小后，建筑表面发射的长波辐射及建筑表面对地面长波辐射的反射使其增大。而沥青下垫面围合系数为2.30时长波辐射的突然减少，是因为过高的围合度会显著降低接收到的太阳辐射，使得地面吸收热量降低，因此发射的长波辐射减少。沥青下垫面的发射率高于混凝土下垫面，因此沥青下垫面上方的长波辐射强于混凝土下垫面。混凝土下垫面的长波辐射最大值出现时间早于沥青下垫面，其延迟时间比沥青下垫面短。

3 辐射场对城市气象参数的影响

下垫面上方辐射场的变化必将影响其微气候，因此对辐射与气温、相对湿度的关系进行了模拟分析。下垫面参数变化引起的不是单一辐射量的变化，而是直射、反射和长波辐射的系统改变。为分析辐射量变化对微气候的影响，使用地表净辐射量来表征辐射场强度，它等于太阳直射辐射、散射辐射与大气逆辐射之和减去地表反射和发射的短波与长波辐射。

3.1 反射比变化的辐射场对温湿度的影响

反射比对下垫面上方辐射场强度的影响显著，因此选取了混凝土、沥青、草地下垫面，分析不同下垫面在反射比变化情况下辐射场如何影响微气候。混凝土下垫面的反射比分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，沥青下垫面的反射比分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，草地下垫面的反射比分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。以西安为例，采用ENVI-met模拟地表净辐射量与温湿度的关系，夏季的模拟结果如图9所示。反射比越大，对应的地表净辐射量越大，图9用地表净辐射量作为横坐标，表示了下垫面的不同反射比。

由图9可以看出：地表净辐射越强，则气温越高，而相对湿度却越小；草地、混凝土、沥青下垫面的长波发射率分别为0.40、0.85、0.95，所以沥青下垫面的辐射场对温湿度的影响最显著，其次为混凝土下垫面，最弱的是草地下垫面。西安夏季日均气温为26～32 ℃，日均相对湿度为65%～70%，单纯辐射作用下模拟获得的气温(集中于33～37 ℃)高于实际气温，而相对湿度(集中于34%～38%)则低于实际的相对湿度，且相对湿度的差距大于气温的差距，据此可知相对湿度的其他影响因素对其有重要影响。因此辐射场对气温的作用强于对相对湿度的作用。

3.2 建筑围合度变化的辐射场对气温的影响

与围合度对辐射场影响的分析相对应，也将其影响下辐射场与气温的关系进行了模拟分析。以西安为例，采用ENVI-met模拟地表净辐射量与气温的关系，结果如图10所示。围合系数从2.30变化到0.61时，净辐射量呈现增大趋势，即随着围合度变小，净辐射量增大，混凝土下垫面的净辐射量增加幅度大于沥青下垫面。

由图10可以看出：地表净辐射量的增减与气温同趋势；夏季辐射场对气温的影响强于冬季。在图10a中，夏季沥青下垫面，在围合系数较大时地表净辐射量出现了负值，表明此时下垫面接收到的辐射量小于反射和发射的辐射量。沥青下垫面无论在冬季还是夏季对气温的影响都强于混凝土下垫面。对比分析图9、10，不同方式引起的辐射变化对气温的作用程度不同。

4 结语

本文提出了城市复杂辐射场的概念并分析了其特性。采用气候模拟方法，从下垫面热特性及建筑围合角度研究了城市辐射场的变化规律。夏季的辐射强度变化幅度大于冬季。下垫面反射比、导热系数及空间围合度都会对辐射场产生显著影响。反射比增大，反射辐射增强，而长波辐射减弱。导热性越高的下垫面，其辐射场越弱。随着围合度的增大，围合空间中下垫面的反射辐射总体呈降低趋势，但对于反射比低的下垫面(沥青)，反射辐射存在小幅的增长趋势。在建筑围合空间中下垫面对辐射场的影响比开敞空间更显著。长波辐射发射率大的下垫面对微气候影响更为显著；辐射场对气温的影响强于相对湿度。不同方式引起的地面净辐射的变化对温度的作用幅度不同。各地辐射强度显著不同，其对城市微气候的影响程度必然存在差异，但通过辐射影响微气候的机理是相同的。