自20世纪80年代以来，我国经济高速发展，城市化过程迅速推进. 城市化过程伴随高强度的区域性人类活动强迫[1]，人为热排放、地表性质改变等因素造成了城市地区温度高于郊区的温度，即“城市热岛”效应（urban heat island, UHI）. UHI与城市规模、人口密度、建筑密度等密切相关，在我国经济发达的城市群，如长三角、珠三角、京津冀地区，这种现象尤为显著. 在全球气候变暖、高温灾害频发的大背景下，城市热岛效应使城市居民在极端高温期受到更严重的热胁迫，发病率和死亡率显著增加[2]；此外，城市热岛效应将促使城市建筑对空调能耗的需求显著增加[3]，空调运转向室外排放大量的热，进一步加剧了城市热岛效应.
近年来，针对城市热岛效应缓解的研究受到广泛关注. UHI很大程度上受到建筑材料的热力学性能的影响，改变建筑围护结构的性能是缓解UHI影响的一种潜在方法[4]. 建筑物的屋顶占城市表面的20%~25%，屋顶接收的太阳辐射可以轻易将屋顶表面升温至50~60 °C[5]，增加了室内过热风险，因此冷却屋顶成为目前科研领域关注的城市降温技术. 该技术主要分为2种：1）增加屋顶反照率，减少屋顶接收的太阳短波辐射；2）增加屋顶绿化，将能量更多地分配为潜热. 郭良辰等[6]利用耦合了城市单层冠层方案（urban canopy model, UCM）的天气预报模式（weather research and forecasting model，WRF），以南京为例，模拟不同高反照率和不同比例绿色屋顶的安装对城市高温的缓解效应. 结果表明，反照率为0.8的高反照率屋顶和100%的绿色屋顶有相似的降温效果，白天平均降温0.5 °C，夜间平均降温0.1~0.2 °C，一天最大降温0.9 °C. 周晓宇等[7,5]针对北京、墨尔本、新加坡的研究得到类似的结论. 周晓宇[7]指出应用冷却屋顶减弱了垂直方向湍流运动，不利于城区污染物扩散. Touchaei等[8]使用WRF模式对蒙特利尔（气候寒冷地区）的研究指出，增加城市反照率可以节省夏季制冷能耗18 kW·h/(100m2). Kolokotroni等[9]使用EnergyPlus对赤道附近3个国家的单栋建筑模拟表明，冷屋顶可以节约190 kW·h/(m2·a)的冷却负荷.
本文选取高温频发的杭州市作为研究对象，在更新城市土地利用数据的基础上，使用耦合多层城市冠层参数化方案及建筑物能量交换模型（BEP+BEM）[11]的WRF模式进行数值模拟，研究高反照率屋顶对杭州市夏季城市热岛效应及空调耗能的影响，从而为城市规划提供科学依据.
1. 模式及方法
1.1. 模式及方法
新一代中尺度数值WRF耦合城市冠层参数化方案，是探究城市气象微物理过程的有效手段[12]. 模拟使用WRF v3.8版本，采用考虑建筑物能量交换的多层城市冠层方案（BEP+BEM）. BEP[13]方案相比单层城市冠层方案（UCM）[14]对城市冠层内垂直方向的物理结构描述更详细，考虑城市建筑高度参差不齐、密度非均匀的特征，但该方案未考虑绿屋顶的参数应用. BEP+BEM方案基于BEP方案增加了室内外热量通过空调系统及自然通风过程的相互交换过程. 该方案利用室内总显热负荷与空调系统冷却/加热室内空气所需的显热负荷的差值，求解室内温度随时间的变化，根据室内总潜热负荷与空调系统提供的潜热负荷的差值对室内空气湿度进行相应的处理[11]：
式中：ρ为空气密度，cp为空气的比定压热容，V为建筑体积，T为大气温度，tb为建筑温度，ww为建筑物水质量分数，l为比潜热，Hin、Hout分别为室内总显热负荷、空调系统冷却室内空气所需的显热负荷，Ein、Eout分别为室内总潜热负荷、空调系统提供的潜热负荷.
通过壁面（窗、墙壁、屋顶）的对流换热、通风设备换热和居住者人为热，获得室内总显热负荷：
式中：Hwin、Hwall分别为窗户及墙壁的对流换热，Hequip、Hoccup、Hvent分别为设备散热、居住者的人为热、自然通风换热，Event、Eoccup分别为自然通风和居住者的潜热负荷.
计算空调系统能耗及对城市冠层排放的热量：
式中：Ec为冷却耗能，COP为制冷系数，Qc为建筑向冠层排放的热流量.
1.2. 模拟区域
模拟使用Lambert投影方式，水平方向采用3层嵌套，模拟区域中心为（30.2°N，118.6°E），水平网格数分别为60×60、100×100、120×120，水平网格分辨率分别为25、5、1 km，其中最内层包含杭州主城区，如图1所示；垂直方向为45层，顶层气压为5 000 Pa，对靠近地面的网格进行非均匀加密处理，其中20层位于2 km以下.
图 1
图 1 WRF模式的3层嵌套区域及d03区域土地利用类型
Fig.1 Three layers of nested domains and land use types of d03 domain for WRF model
试验根据遥感夜灯指数（NTL）和归一化植被指数（NDVI）计算获取的人居指数（HSI），将城市土地分为低密度居住区（LR）、高密度居住区（HR）、商业区（CM）3类. 在MODIS土地利用数据基础上对城市区域进行更新，使得模拟结果更接近杭州市真实的城市化状况（见图1（b））.
1.3. 算例设置
据统计2017年7月—8月杭州市高温日（最高气温超过35 °C）多达40 d，其中最长持续18 d，呈现夏季典型高温热浪时期. 选取模拟起始时间为2017年7月20日08：00（北京时，下同），结束时间为2017年7月28日08：00，其中前48 h作为缓冲时长，不作分析，所选时间段杭州市日最高气温均达到35 °C以上.
模式中城市表面传统屋顶的平均反照率为0.2，根据涂层或屋顶材料的类型可知，高反照率屋顶的反照率通常为0.65~0.80（一些较新的技术可以达到0.85甚至更高[20]），但冷涂层随着时间的推移会降解和受到污垢积累的影响[21]，从而降低表面反照率. 研究共设计4组理想数值模拟试验方案，模拟杭州市城市区域应用不同反照率屋顶的情景. 传统屋顶反照率设置为0.2（CTRL，对照案例），高反照率屋顶的反照率分别设置为0.4（ALB1）、0.6（ALB2）、0.85（ALB3）. 此外，商业区（CM）、高密度居住区（HR）、低密度居住区（LR）这3类城市区域的差异主要体现在建筑高度、密集程度和人口密度的不同. 具体参数如表1所示. 表中，wb、ws分别为建筑和街道平均宽度，αs,w为街道及墙面反照率，dp为人口密度，Tac为空调目标温度，tac为空调运转时间.
表 1 模拟案例（CTRL、ALB1、ALB2、ALB3）参数设置
Tab.1
| 土地类型 | 建筑平均高度类型 | wb / m | ws / m | αs,w | dp /(人·m–2) | Tac/K | COP | tac / h |
| 注：1）百分数表示各类型建筑所占的比例. | ||||||||
| LR | 5 m, 15%1）；10 m, 70%； 15 m, 15% | 13 | 30 | 0.2 | 0.01 | 298 | 3.5 | 24 |
| HR | 10 m, 20%；15 m, 60%； 20 m, 20% | 17 | 25 | 0.2 | 0.01 | 298 | 3.5 | 24 |
| CM | 15 m, 10%；20 m, 25%； 25 m, 40%；30 m, 25% | 20 | 20 | 0.2 | 0.02 | 297 | 3.5 | 24 |
2. 模式评估
选取杭州站（30.14°N，120.1°E）、萧山站（30.18°N，120.28°E）和紫金港站（30.31°N，120.08°E）等观测站的主要气象要素资料，开展模式评估. 如图2所示为对照案例（CTRL）中的2 m温度t、相对湿度RH、10 m水平风速WS10的模拟值和观测值的比较.图中，NMB为标准化平均偏差，NME为标准化平均误差，R为相关系数.
图 2
图 2 CTRL案例2 m气温、相对湿度和10 m风速的模拟值与观测值对比
Fig.2 Simulated and observed 2 m temperature、relative humidity and 10 m wind speed
从图2可知，t的模拟值和观测值的相关系数均大于0.90，日变化总体趋势吻合较好，但在高值区有所低估，这主要是由于该方案未考虑白天交通、工业等人为热的影响；RH的相关系数均大于0.70，较准确地模拟了变化趋势；WS10的模拟值和观测值的变化趋势基本一致，但数值上整体偏低，主要是由于模式设置的陆面参数与实际地形存在偏差，同时夏季风速较低是模拟精度较低的重要原因. 总体而言，选用的模式对杭州市模拟时段的2 m温度具有较准确的模拟能力，能够较好地表征10 m风速和相对湿度的变化趋势，可为下文结果分析提供精确的数据基础.
3. 结果分析
3.1. 高反照率屋顶对城市热岛效应的影响
如图3所示为传统屋顶（CTRL）和高反照率屋顶（ALB3）2组试验城市区域的t、地表温度tsk、屋顶表面温度tR、热岛强度UHII、10 m风速及行星边界层高度HPBL在夜间（00：00—7：00）、白天（10：00—18：00）的平均值及其差值的日变化，所有数值均为城市区域的网格平均值. 图中，T03表示03：00，其余同；∆t、∆tsk、∆tR、∆UHII、∆WS10、∆HPBL分别为ALB3和CTRL2组试验的t、tsk、tR、UHII、WS10、HPBL的差值.
图 3
图 3 CTRL和ALB3案例在城市区域的各变量的平均值及差值的日变化
Fig.3 Daily change of mean and difference of parameters in CTRL and ALB3 urban areas
从图3可以看出，上午8—12时太阳短波辐射逐渐增强，地表接收的净辐射量不断积累并转化为感热通量用以增加城市气温，下午2—3时近地面气温达到最高. 高反照率屋顶在白天反射了大量的太阳短波辐射，减少了建筑接收的净辐射总量，转化的感热通量相应减少，tR最高降低15.2 °C，降幅达到29.5%. tsk显著降低，最高降温3.73 °C，t降温集中在0.4~0.8 °C，平均降温0.45 °C，最高降温0.76 °C. 夜间t降温集中在0.1~0.5 °C，平均降温0.21 °C，这是由于白天屋顶储热减少，即使在没有太阳辐射的夜间对市区也有一定的降温效果.
由图3可知，使用传统屋顶的杭州市具有显著的城市热岛现象，白天城区t平均比郊区高1.39 °C，夜间UHII高于白天的均值，为1.60 °C. 这是由于白天近地面的湍流交换作用强于夜间，白天城市和郊区空气的混合作用较强. 在使用高反照率屋顶后，市区气温降低，促使城市热岛强度降低0.2~0.6 °C，最高降幅为52.3%，由此可见，采用高反照率屋顶使得城市热岛效应得到显著缓解.
屋顶反照率的增加改变了地表能量平衡，将影响该地区湍流动量的输送及城市边界层的发展. 从图3可知，与CTRL相比，ALB3白天城市地区WS10平均减小了0.39 m/s，HPBL平均降低了77.8 m，边界层更稳定，从而抑制了湍流交换，这可能会使污染物聚集在近地面不易扩散，影响城市空气质量. 夜间较低的温度和较低的边界层高度使得城市湍流作用维持在一个较低的水平，高反照率屋顶对城市地区夜间风速的影响有限.
3.2. 高反照率屋顶对建筑耗能的影响
屋顶是建筑围护结构的组成部分，屋顶蓄热一部分转化为感热通量用以大气增温，另一部分传导至建筑室内空间，增加空调的制冷负荷和人为热排放. 该试验采用BEP+BEM方案，模拟高反照率屋顶对建筑空调系统耗能的影响，设定空调目标温度为25 °C. 如图4所示为ALB3及CTRL城市区域的空调耗能EAC、空调释放感热的平均值EAC−SH及其差值的时间序列分布.
图 4
图 4 CTRL及ALB3城市区域的空调耗能及空调释放感热的日变化
Fig.4 Daily change of air-conditioning energy comsuption and sensible heat realsed by air-conditiong in CTRL and ALB3 urban areas
由图3、4可知，空调系统的耗能与温度变化趋势具有一致性. 理想高反照率屋顶使城市区域白天t降低0.45 °C的同时，空调系统耗能降低0.91 W/m2，最高降低1.14 W/m2，但由于夜间气温较低，与空调目标温度温差较小，对夜间空调能耗的影响有限，全天平均降幅约为5.3%. 如图5所示为CTRL案例空调耗能峰值、ALB3及CTRL案例的空调耗能在峰值期和在白天的差值ΔEAC. 高峰需求是发电、输电资源规划的一个重要指标. CTRL案例中的空调耗能最大峰值为45.22 W/m2，ALB3案例中的峰值期最高降耗为2.39 W/m2. 王咏薇等[22]的研究表明，城市空调系统的运转对城市白天气温的影响不明显，但夜间气温普遍升高0.6 °C以上. 在冷屋顶案例下，空调系统对外释放的感热通量白天减少4.03 W/m2，有效减少了空调排热7.1%. 增加屋顶反照率，一方面能够缓解夏季高温天气叠加城市热岛效应导致的空调能耗压力，另一方面减少空调系统向大气中排放的人为热，缓解热岛效应的加剧.
图 5
图 5 CTRL及ALB3案例的空调耗能比较
Fig.5 Comparison of air-conditioning energy consumption of CTRL and ALB3
3.3. 不同城市区域和不同高反照率屋顶的比较
如图6（a）、（b）所示为传统屋顶案例（CTRL）夜间和白天的t，如图6（c）、（d）所示为ALB3案例与CTRL案例的t差值. 如表2所示为CTRL和ALB3不同城市区域白天模拟结果的对比, 变量为2 m温度、热岛效应、10 m风速以及空调耗能. 结合图5、6及表2可知，增加屋顶反照率对城市气象要素和空调耗能的影响具有空间异质性. 密集的城市建筑、较多的高蓄热建筑材料（如道路沥青）、较少的绿化面积、更多的人为热排放等因素使得商业区和高密度居住区有着更高的近地面气温和热岛强度，居民经受着更严重的热胁迫和更多潜在的健康风险；增加屋顶反照率后，CM和HR的t降幅分别为15.6%和15.3%，降温效果接近，而LR地区建筑物密度较低，高反照率屋顶面积较少，降温效果略差. CM区域有着更高的气温和更高的边界层，利于增强城市区域的湍流作用，但是密集建筑增加了下垫面的粗糙度，削弱了大气对流，减小了风速；应用高反照率屋顶后，3类城市区域的风速减小12%~14%. 在空调能耗上，3类城市区域的数值差距更显著，这是因为空调能耗需求不仅和环境变量有关，而且取决于区域内的建筑类别.
表 2 CTRL（对照组）和ALB3（屋顶反照率为0.85）不同城市区域白天的模拟结果对比
Tab.2
| 城市区域类型 | 案例名称 | t / °C | UHII / °C | WS10 /（m·s−1） | EAC /（W·m−2） |
| CM | CTRL | 37.60 | 2.26 | 2.43 | 41.48 |
| CM | ALB3 | 37.10 | 1.93 | 2.08 | 39.88 |
| CM | ALB3−CTRL | −0.50 | −0.32 | −0.35 | −1.61 |
| HR | CTRL | 37.06 | 1.72 | 2.85 | 19.96 |
| HR | ALB3 | 36.52 | 1.36 | 2.45 | 18.57 |
| HR | ALB3−CTRL | −0.53 | −0.35 | −0.40 | −1.38 |
| LR | CTRL | 36.49 | 1.15 | 3.03 | 6.77 |
| LR | ALB3 | 36.07 | 0.91 | 2.64 | 6.14 |
| LR | ALB3−CTRL | −0.42 | −0.24 | −0.39 | −0.63 |
图 6
图 6 CTRL和ALB3案例夜间和白天的2 m气温比较
Fig.6 Comparison of 2 m temperature in nighttime and daytime in CTRL and ALB3
如图7所示，分别为不同案例的各数值对比. 总体来看，屋顶反照率αa和t、UHII、WS10、EAC呈现较强的线性负相关. 屋顶反照率每增加0.1，城市区域的t平均降低0.059 °C，UHII降低0.034 °C，WS10平均降低0.029 m/s，EAC降低0.077 W/m2，在CM、HR、LR 3类区域均呈现相似的线性关系. 这些结果表明，高反照率屋顶需要一定程度的维护，避免由于空气颗粒物污染、材料老化等原因降低了反照率，影响使用效果.
图 7
图 7 屋顶不同反照率与城区t、UHII、WS10、EAC的线性关系
Fig.7 Linear relationship between different albedo and t, UHII, WS10, EAC in urban areas
4. 结 论
（1）采用BEP+BEM方案模拟可知，反照率为0.85的屋顶比传统屋顶白天平均降温0.45 °C，夜间平均降温0.21 °C，减小了城市热岛强度，缓解了城市热岛效应；白天的空调制冷负荷降低0.91 W/m2，可以为杭州市节省约5.3%用于空调系统的电力支出.
（2）针对不同类型城市区域的研究显示，高反照率屋顶对商业区和高密度居住区的t、UHII、EAC的日间影响相近且大于低密度居住区；对不同区域WS10的影响差异性不显著；不同反照率的屋顶在3类区域与各研究要素均呈线性负相关.
（3）高反照率屋顶在降低近地面气温和空调能耗上的效果目前是有限的，但它使得UHII最高降低52.3%，t最高降低0.76 °C，峰值空调能耗最高降低2.39 W/m2. 高反照率屋顶对于缓解城市热岛效应以及在极端气候条件下降低热浪期间的极端温度和极端能耗具有一定的积极意义.
（4）在我国城市夏季高温事件频发、用电负荷攀升的背景下，验证了采用BEP+BEM方案对城市热岛及空调能耗的评估具有可行性，可以为城市合理规划提供技术指导及科学依据.
参考文献
夏季长三角城市群热岛效应及其对大气边界层结构影响的数值模拟
[J].
Simulation of urban heat island effect and its impact on atmospheric boundary layer structure over Yangtze River Delta region in summer
[J].
Characterizing the urban heat island in current and future climates in New Jersey
[J].
On the energy impact of urban heat island and global warming on buildings
[J].DOI:10.1016/j.enbuild.2014.07.022 [本文引用: 1]
Potential benefits of cool roofs in reducing heat-related mortality during heatwaves in a European city
[J].DOI:10.1016/j.envint.2019.02.065 [本文引用: 2]
Green and cool roofs’ urban heat island mitigation potential in tropical climate
[J].DOI:10.1016/j.solener.2018.08.006 [本文引用: 3]
冷却屋顶对南京夏季高温天气的缓解作用
[J].
Mitigative effect of cool roof on summer high temperature in Nanjing area
[J].
冷却屋顶对北京城市热环境影响的模拟研究
[J].
A simulation study on the influence roof on the thermal environment in Beijing
[J].
Energy savings potentials of commercial buildings by urban heat island reduction strategies in Montreal (Canada)
[J].DOI:10.1016/j.enbuild.2015.10.018 [本文引用: 1]
Cool roofs: high tech low cost solution for energy efficiency and thermal comfort in low rise low income houses in high solar radiation countries
[J].DOI:10.1016/j.enbuild.2018.07.005 [本文引用: 3]
WRF simulations of urban heat island under hot-weather synoptic conditions: the case study of Hangzhou City, China
[J].DOI:10.1016/j.atmosres.2013.12.005 [本文引用: 1]
A new building energy model coupled with an urban canopy parameterization for urban climate simulations-Part I: formulation, verification and a sensitive analysis of the model
[J].
城市形态参数对边界层气象条件影响的模拟
[J].
Assessment of urban morphological structure parameters effects on meteorological fields in planetary boundary layer
[J].
An urban surface exchange parameterization for mesoscale models
[J].DOI:10.1023/A:1016099921195 [本文引用: 1]
A simple single-layer urban canopy model for atmospheric models: Comparison with multi-layer and slab models
[J].DOI:10.1023/A:1019207923078 [本文引用: 1]
Coupling an advanced land surface – hydrology model with the Penn state –NCAR MM5 modeling system. Part I: model implementation and sensitivity
[J].DOI:10.1175/1520-0493(2001)129<0569:CAALSH>2.0.CO;2 [本文引用: 1]
Bulk parameterization of the snow field in a cloud model
[J].DOI:10.1175/1520-0450(1983)022<1065:BPOTSF>2.0.CO;2 [本文引用: 1]
Radiative transfer for inhomogeneous atmospheres: RRTM, a validated correlated-k model for the longwave
[J].DOI:10.1029/97JD00237 [本文引用: 1]
Intercomparing shortwave radiation codes for climate studies
[J].DOI:10.1029/90JD00290 [本文引用: 1]
Improvement of the K-profile model for the planetary boundary layer based on large eddy simulation data
[J].DOI:10.1023/A:1022146015946 [本文引用: 1]
Using advanced cool materials in the urban built environment to mitigate heat islands and improve thermal comfort conditions
[J].DOI:10.1016/j.solener.2010.12.023 [本文引用: 1]
Long-term performance of high-albedo roof coatings
[J].DOI:10.1016/S0378-7788(96)01005-5 [本文引用: 1]
