湿热地区城市静态水体能量分配特征研究*——以广州荔湾湖为例

姚灵烨 许亘昱 赵立华 YAO Lingye, XU Genyu, ZHAO Lihua

0 引言

城市下垫面在一定程度上塑造了近地大气物理环境，其能量分配特征显著影响近地气候[1]。城市下垫面主要通过三种途径对近地气候产生影响：一是下垫面与大气之间的辐射交换；二是下垫面与近地空气的对流换热；三是自然下垫面（土壤、绿化植被、水体等）通过蒸散发与周围环境的水汽交换。实测表明，城市下垫面的改变可引起近地空气温度的变化，其影响程度在白天和夜间可分别达17%和25%[2]。城市地区由自然下垫面（土壤、绿化植被、水体）向非自然下垫面（不透水硬质铺装）的改变，是引起城市热岛效应的主要原因之一。作为城市地区典型的自然下垫面，水体对城市气候具有重要的调节作用。水体通过蒸发冷却、对流换热、辐射吸收等物理过程对周边环境的空气温度、湿度、辐射、地表温度、气流等微气候要素产生影响，而这些物理过程主要受水体的净辐射、显热、潜热和蓄热等能量分配的影响[3]。明确典型城市水体的能量分配特征和变化规律，不仅有助于理解水体如何影响周边热环境，也能更好地运用水体在高密度城市地区的气候调节效应，对于改善人居环境和建设气候适应型城市具有重要的实践价值[4-5]。

相较于对水体热效应的直接观测，即对水温、水体周边温度、湿度等热环境参数的观测，水体能量平衡观测关注整个水体系统中能量的输入、输出和转换，包括太阳辐射的输入、水体的辐射传输、对流换热、蒸发以及蓄热等，通过对这些物理过程的观测和量化，从而得到水体能量收支的具体情况。然而，目前关于水体能量平衡观测与分析的研究相对较少。菅原広史（Sugawara）和成田健一（Narita）[6]采用涡度相关法，在夏季七、八月白天时段对日本东京市中心的一条河流进行了能量平衡观测，结果表明同一河流不同深度的河段表现出不同的热效应，原因在于不同深度河段的能量分配不同：对于深水段（2 m），蓄热和潜热占总净辐射的比例分别为70%和10%，而在浅水段（几厘米）这两个能量分项的占比分别为20%和40%；齐静静等[7]根据总体传输法，在夏季最热月的白天时段对松花江哈尔滨段开展能量平衡观测，结果表明河流在不同天气条件下的能量分配特征不同，在晴天蓄热、潜热、显热占总净辐射的比例分别为98%、1.8%、0.2%，在雨天分别为39%、51%、10%；索尔塞洛娃（Solcerova）等[8]利用分布式温度测量法，在荷兰典型夏季夜间时段，对位于代尔夫特理工校园内的池塘开展了近一个月连续观测，得到夏季夜间池塘的能量分配整体特征，即净长波辐射、潜热、显热、地面通量占池塘蓄热量的比例分别为43%、39%、11%、7%。上述研究多关注动态水体，研究时段集中在夏季，采用的观测方法存在各类适用条件和限制。例如，涡度相关法通常适用于平坦均匀的理想水平表面，但在实际复杂场景中需进行坐标旋转法修正；总体传输法的关键在于确定计算湍流通量的Bulk系数，而常规气象观测通常缺乏计算该系数所需的参数，如湍流特征参数和温湿度梯度等，因此难以直接确定该系数，且不适用于静风状态；分布式温度测量法仅适用于没有太阳辐射的夜间，无法考虑白天的情况。相比之下，波文比能量平衡法将波文比和能量平衡方程相结合[9]，能够利用常规气象观测参数量化水体的各能量分项，可同时考虑白天和夜间的情况，且在静风状态下也同样适用。该方法计算简单、可行性强，有效克服了前述观测方法的局限性，适用于基于常规气象观测的城市静态水体能量平衡研究。

我国湿热地区河网密布、水系发达，水体与人居环境息息相关。同时，湿热地区常年高温高湿，随着全球气候变暖加剧，湿热地区的城市热环境问题比其他地区更甚，因此，利用水体改善城市热环境对于湿热地区气候适应型城市建设具有重要意义。此外，水体的热效应因地而异[3]，湿热地区水体对气候变化的响应与其他地区不同，可从能量交换的角度进一步分析其物理特征。

当前，针对湿热地区水体在不同季节的昼夜连续能量平衡观测与分析仍是一个空白。本文基于能量平衡理论，在湿热地区典型城市广州选取位于老城区的荔湾湖作为研究对象，采用波文比能量平衡法通过冬、夏两季的连续系统性观测，探究该湖泊能量分项的分配特征和变化规律，为静态水体的气候调节效应提供可参考的量化方法和基础数据。

1 研究方法

1.1 研究对象

广州（22°26′N–23°56′N, 112°57′E–114°3′E）地处亚热带沿海地区，属海洋性亚热带季风气候，柯本气候分类为亚热带湿热气候（Cfa）[10]。广州雨量充沛、光热充足、夏热冬暖，是我国湿热地区的典型代表城市。广州常年高温高湿，年平均气温22 ℃，平均相对湿度77%，年平均降水量1 923 mm，平均降水日数达149天，雨季多集中在四至九月，最热月为七月，月平均气温29.4 ℃，相对湿度75%；最冷月为一月，月平均气温13.6 ℃，相对湿度71%[11]。

广州市内河网密布，河流水系发达，水域面积广阔。荔湾湖作为广州市五大人工湖之一，地处老城西关泮塘密集建成区，位于周边社区居民的15分钟生活圈活动半径内，是高密度城区内的公共开放空间。与位于市郊的湖泊相比，荔湾湖对城市人居环境的影响更为直接和重要。因此，本研究选取荔湾湖为研究对象。荔湾湖坐落于占地270 000 m2的荔湾湖公园内，湖泊的水面面积达167 400 m2，水面占比62%，周长约3 km，年平均水深1.5～2.0 m，湖泊周边为低矮紧凑的居住区和高密度商业街区。

1.2 能量平衡观测

在位于荔湾湖中央30 m×23 m的水上观景台搭建能量平衡观测平台，观测平台下垫面主要为混凝土，东北侧有若干高度在10～20 m之间的椰子树和一个约2.5 m高的凉亭（图1）。能量平衡观测平台由四分量净辐射仪、水温传感器、温湿度自记仪以及自动气象站组成（图2），对各微气候参数进行连续系统性观测（表1）。

表1 湖泊能量平衡观测的测试参数及仪器Tab.1 test parameter and instrument of lake energy balance observation

图1 荔湾湖能量平衡观测场地Fig.1 energy balance observation site of Liwan Lake

图2 能量平衡观测现场仪器照片Fig.2 photograph of instruments for energy balance observation site

在测试期间，湖泊没有通过进排水管的人为排热或水流进出，即无人为热或外部湍流扰动，水面保持相对稳定平静，其能量平衡过程可用简化的能量平衡方程公式（1）表示：

其中，Q为入射水面的净辐射通量；QH为由水面和上方空气之间的温度差驱动的显热通量；QE为由蒸发引起的潜热通量；QS为湖泊内部的净蓄热量变化，即得热或热损失。单位为W/m2。各能量分项的测试原理及方法如下：

1.2.1 净辐射通量Q*

净辐射通量Q*由四分量净辐射仪测量的入射、出射水面的短波K↓、K↑和长波辐射L↓、L↑直接得到。

1.2.2 显热QH和潜热QE通量

根据波文比能量平衡法[12,13]，首先按照公式（3）～（6）计算显热和潜热通量的比值波文比B；然后由公式（7）、（8）[14]计算潜热通量QE；则显热通量QH可根据公式（9）由B和QE间接计算得到。

其中，Cp为空气热容，J/kg·℃，这里取1 006.43；Tws为水面温度（℃）；Ta为空气温度（℃）；L为蒸发潜热（J/kg）；qs为饱和含湿量（kg/kg）；qa为空气含湿量（kg/kg）；esa为饱和蒸汽压（hPa）；ea为环境空气温度下的蒸汽压（hPa）；Pa为大气压强（hPa）；E为水面蒸发率（mm/s）；u为1.5 m高度的风速（m/s）。

1.2.3 蓄热通量Qs

余项蓄热通量Qs由能量平衡差值法间接计算得出。

1.3 数据分析时段

荔湾湖能量平衡观测时间为冬季2021年11月—2022年1月，夏季2022年5—7月。根据Yang等[15]提出的温度日较差（Diurnal Temperature Range，简称DTR）法，将天气条件分为三类：“理想”天：DTR≥10 ℃且前24 h无降雨；雨天：气象站记录有雨，即雨量Prcp>0 mm；其他天：除“理想”天和雨天以外的天气。该方法的适用性已在广州地区得到验证[16]。用两个季节在三种天气条件下的平均日变化来展现各能量分项的变化特征。

2 结果与分析

2.1 湖泊各能量分项的变化特征

2.1.1 净辐射通量Q*

总体而言，净辐射通量Q*的昼夜变化、季节差异、天气条件差异的变化趋势和表现规律显著受太阳辐射影响（图3）。从昼夜变化来看，Q*表现为白天正值、夜间负值的昼夜变化规律，即白天的太阳短波辐射为湖泊的主要热源，而夜间以长波冷却的形式释放热量。就季节差异而言，净辐射通量Q*在夏季显著高于冬季。在不同天气条件下，晴朗少云的“理想”天的Q*强度显著高于雨天和多云等其他天气条件，夏季峰值在三种天气条件下分别约为750、100、400 W/m2，在冬季分别约为550、110、250 W/m2。

图3 湖泊在夏、冬两季的（a）“理想”天、（b）雨天、（c）其他天的净辐射通量Q*平均日变化曲线Fig.3 diurnal variations of net radiation flux under ideal days, rainy days, and other days in summer and winter

2.1.2 显热QH和潜热QE通量

湖面与大气间的湍流交换（涉及显热QH和潜热QE）在近地微气候中发挥着重要作用，显热直接影响空气温度，潜热影响空气湿度。从昼夜变化的角度观察QH（图4），可以发现在白天湖泊从大气吸收热量形成负QH，此时水面通常比空气更凉爽；相反，在夜间湖泊会向大气传递热量形成正QH，此时水温高于气温。从季节差异而言，夏冬两季的QH日变化差异较小，但值得关注的是，冬季由于水温与气温差较大，通过热传导和热对流传递的QH量级大于夏季。考虑到不同天气条件，在晴朗少云的“理想”天，阳光直射到湖面，从而直接升高水面温度，产生QH；而在雨天和其他天气（阴天或多云）条件下，由于太阳辐射受到遮挡，湖面温度相对较低，此时QH减小。需要注意的是，在降雨期间，环境气温会显著下降，而水温也会受影响。根据对一次20 min约5 mm降雨事件的实测[17]，由降雨引起的能量下降为80 W/m2，而在此期间的入射太阳辐射为400 W/m2，与太阳辐射相比，降雨造成的能量下降相对较小。同时，每单位水面的热容量约为1.2×106Jm-2k-1，进一步分散了降雨对水温的影响。因此降雨对湖泊显热交换的影响较为有限。

对于潜热通量QE（图5），从昼夜变化来看，全天QE均为正值，呈现出白天高、夜间低的“单谷单峰”型态，意味着湖泊通过蒸发持续向环境释放热量。在夜间和清晨QE较为平稳，而在白天，由于受到太阳辐射和大气稳定度的影响，水面与环境空气的水汽压差趋于峰值，此时QE也同步达到峰值。就季节差异而言，由于广州夏季气候高温高湿且多变，大气层结活动剧烈，导致水蒸汽分压力不稳定状态频繁出现，因此湖泊对大气的加湿作用不明显；冬季空气相对干燥，水面与空气的水汽压差增大，蒸发量也随之增加，湖泊对大气的加湿作用较为明显。在不同天气条件下，与显热通量相比，潜热通量受天气的影响作用更为显著。QE在晴朗少云的“理想”天气显著高于雨天或其他天。雨天的高相对湿度会减缓湖泊的蒸发速率，这是由于雨天空气中的水汽含量已经较高，导致相对较少的水分分子从湖面蒸发到空气中，即蒸发量减小。

图5 湖泊在夏、冬两季的（a）“理想”天、（b）雨天、（c）其他天的显热通量QE平均日变化柱状图Fig.5 diurnal variations of latent heat flux under ideal days, rainy days, and other days in summer and winter

2.1.3 蓄热通量Qs

湖泊净辐射通量Q*和水体蓄热通量Qs之间的昼夜变化关系如图6所示。日出后，湖泊吸收了很大一部分太阳辐射，因此大部分Q*在上午转移到Qs中，此时Qs/Q*＜1；到了中午，大气的热不稳定性增强了湖面与大气之间的湍流交换，随着湖面变暖，Q*和Qs达到平衡，使得Qs/Q*趋近于1，此时更多的能量被转化到湍流通量QH和QE中；日落后，净辐射通量Q*（此时Q*为净长波辐射冷却项）迅速消耗能量，同时湍流通量减弱，因此湖泊中储存的热量开始释放，从而使Qs/Q*≥1。从季节差异和天气条件差异而言，Qs/Q*的比值在两个季节三种天气条件下的变化趋势趋于一致，差异较小。

图6 湖泊在（a）夏季和（b）冬季的“理想”天、雨天、其他天的Qs/Q*比值日变化曲线Fig.6 diurnal variations of Qs/Q* under ideal days, rainy days, and other days in summerand winter图4 湖泊在夏、冬两季的（a）“理想”天、（b）雨天、（c）其他天的显热通量QH平均日变化柱状图Fig.4 diurnal variations of sensible heat flux under ideal days, rainy days, and other days in summer and winter

2.2 湖泊的能量分配特征

对湖泊冬夏两季的各能量分项Q*、QH、QE、Qs的月平均值进行了统计（图7）。总体而言，各能量分项表现为夏季高、冬季低的分布模式。在各能量分项中，除十一、十二月外（冬季的入射太阳辐射相对较小），净辐射通量Q*是各分项中最大的能量通量，其峰值出现在七月约135 W/m2，最小值出现在一月约25 W/m2。显热通量QH在各能量分项中最小，并在每个月保持相对稳定，其在冬夏两季的变化范围为2～5 W/m2。潜热通量QE在测试期间均为正，其峰值出现在七月约46 W/m2，最小值出现在一月约17 W/m2。在夏季，蓄热通量Qs是仅次于Q*的能量项，其峰值出现在七月约为90 W/m2；在冬季的十一、十二月，蓄热项Qs为负，意味着湖泊作为热源向大气释放热量。

图7 各能量分项的月平均分布柱状图Fig.7 distribution of the monthly average of each energy component

图8进一步统计了各能量分项的月均日累计占比。在夏季，蓄热通量Qs在湖泊的能量平衡中所占比例最高（最高达74%），即湖面的大部分净辐射分配给了蓄热Qs，而这与通常认为的水体的冷却效应主要与蒸发有关、大部分热量通过蒸发散失的有所不同，这可能与测试期间的高湿度和低风速等气候条件有关；在冬季，十一、十二月的Qs为负，即蓄热项作为湖泊的一部分热源，未参与能量消耗。相较于Qs，湍流通量QH和QE在高温高湿的夏季所占比例较低；在相对干燥凉爽的冬季，当太阳辐射为大气升温和水面蒸发提供能量时，QH和QE所占比例上升，且大部分能量分配给了QE，占比最高达93%。

图8 月平均能量分项占比柱状图Fig.8 percentages of the monthly average of each energy component

3 讨论

表2总结了本研究与其他类似水体能量平衡研究的异同点。由表2可知，现有的水体能量平衡研究主要涉及溪流、河流、池塘等不同类型的水体，这些水体在大小、形状、水深以及动静状态等方面具有不同特征，并处于不同的气候背景下；观测的时间跨度从几天到一个月不等，主要集中在夏季白天时段，而对夜间热效应的关注相对较少。相比之下，本研究总结并发展了基于常规气象参数的波文比能量平衡观测法，并采用该方法对湿热地区城市湖泊开展了为期六个月的冬、夏两季连续系统观测，涵盖不同季节和昼夜时段，同时考虑了不同的天气条件。综合各项研究结果可以发现，水体的白天降温效应主要受益于蓄热和蒸发；夜间的增温效应主要是由于白天累积的热量在夜间释放造成，各能量分配比例受多种因素影响，包括水深、天气条件、季节变化和分析时段等。此外，水体的动静状态也影响着水体的能量分配特征。动态水体如溪流或河流的湍流混合会消耗能量并释放水汽，间接影响水体的整体能量平衡状态。

表2 本研究与其他类似水体能量平衡研究的比较tab.2 comparison of this study with other similar water energy balance studies

水体能量平衡研究不仅有助于解释水体所呈现的热效应规律，阐明水体对热环境的作用机理，并且对于城市气候模型的优化也至关重要。在多数城市气候模型中，模拟城市表面与大气之间湍流交换的关键在于确定表面吸收的太阳辐射转化为显热和潜热的比例[1]。本研究通过对水体能量分配特征的实际观测，提供了热力学过程中的关键数据，为模型中水体下垫面的能量转化比例提供实证参考，进而有助于提高模型的准确度和可靠性。

4 结论

水体作为风景园林规划设计的重要要素，对于调节城市气候至关重要。通过深入剖析水体的能量分配特征，可以更准确地评估其在空气温湿度、地表温度、局地风环境等方面的影响程度，进而为风景园林规划设计提供科学依据。本文基于能量平衡理论，总结并发展了基于常规气象观测参数、适用于城市静态水体的波文比能量平衡观测法，并在湿热地区典型城市广州通过对荔湾湖冬、夏两季的连续系统性观测，得到了该湖泊各能量分项在不同季节和不同天气条件下的分配特征和变化规律。主要结论总结如下：

第一，辐射项在湖泊的能量平衡中具有双重作用，在白天短波辐射是湖泊的主要能量输入源，在夜间长波辐射冷却是湖泊的重要散热形式之一。

第二，天气条件对湖泊各能量分项的影响不同，净辐射通量Q*和潜热通量QE在三种天气条件下的排序为：“理想”天>其他天>雨天，而显热通量QH在这三种天气下的差异较小。降雨对QH的影响程度较小，而对QE的影响较大。

第三，季节对湖泊的能量分配产生显著影响。在高温高湿的夏季，蓄热通量Qs的平均日累计占比最大（最高为74%），即湖面大部分净辐射分配给了蓄热；在凉爽干燥的冬季，QE占比最大（最高为93%），即湖泊的大部分能量输入转化为了潜热。

图表来源：

图1-2：作者拍摄

图3-8：作者绘制

表1-2：作者绘制