城市热岛效应之“白屋顶”研究
城市热岛效应之“白屋顶”研究
1 引言
在近地面等温线图上，郊区气温相对较低，而市区则形成一个明显的高温区，如同露出水面的岛屿，被形象地称之为“城市热岛”。城市热岛中心，气温一般比周围郊区1°读左右，最高可达6°以上。
图1 城市热岛效应示意图
城市热岛效应的形成主要有以下原因：
(1) 城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏油路面和各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性。这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面如绿地、水面等升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面。
(2) 人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料，每天都在向外排放大量的热量。
(3) 城市里中绿地、林木和水体的减少。随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。
(4) 城市中的大气污染。城市中的机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些物质会吸收下垫面热辐射，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。
预防、降低城市热岛效应的方法有多种，建筑物淡色化以增加热量的反射就是一种简单、有效的方法，其中以“白屋顶”计划最为著名。
早期的屋顶采用焦油涂层材料制成，目的在于防水。在冬季，黑色屋顶可以增加热量，对建筑物来说不是坏事。但在其它季节特别是夏季，黑色的屋顶也加重了城市的热岛效应。
为此，纽约哥伦比亚大学的斯图尔特加芬(Stuart Gaffin)开展了一项关于屋顶颜色对温度影响的研究。他发现，白色屋顶可以降低城市的热岛效应。
2011年7月22日，遭遇热浪袭击的纽约城市用电量突破纪录。研究显示：在这最热的一天中，纽约市一些深色的、具有吸光表面的传统屋顶的测量温度达到了170华氏度(约76.7摄氏度)；而一种白色屋面材料，其测量温度相对要低大约42华氏度(23.3摄氏度)。
图2“白屋顶”计划示意图
加芬的研究表明，在2011年整个夏季，这种白色屋顶的温度峰值比典型的黑色屋顶平均降低了43华氏度(23.9摄氏度)，这是第一个白色屋顶可以减少城市热岛效应的科学结论。相关研究论文已发表在2012年3月7日《环境研究快报》网络版上。
但是，对于“白屋顶”计划也有一些反对意见。
斯坦福大学土木与环境工程学教授马克.雅各布森声称通过计算机模拟显示：白屋顶实际上并不能冷却城市地表，相反会导致全球变暖。原因在于：白屋顶提高了空气稳定性，使云量减少，而云量的减少会导致更多的阳光照射到地面。
导致热岛效应的原因众多，人们也先后提出了研究热岛效应的多种方法，大致可分为气象资料分析法、布点观测法、遥感法和数学模型模拟法等。
根据题意，本文选用建筑群热时间常数(Cluster Thermal Time Constant，CTTC)模型，从黑白屋顶对阳光的吸收和对空辐射的差异角度，对“白屋顶”计划对降低城市热岛效应方面的作用进行了一些研究。
2 数学模型的建立
以色列环境学家H. Swaid 和M. E. Hoffman在研究太阳辐射所引起的温升效果时，将建筑群简化成为周期性起伏的“城市峡谷”，提出了所谓CTTC模型，即把特定地点的温度视为几个单独因素作用的叠加
表1各时段太阳辐射模拟数据
时刻 |
6:00 |
7:00 |
8:00 |
9:00 |
10:00 |
11:00 |
辐射强度 |
213.6 |
417.7 |
607.9 |
771.3 |
896.7 |
975.5 |
12:00 |
13:00 |
14:00 |
15:00 |
16:00 |
17:00 |
18:00 |
1002.4 |
975.5 |
896.7 |
771.3 |
607.9 |
417.7 |
213.6 |
参考文献
[1] 但尚铭, 许辉熙, 叶强等. 我国城市热岛效应研究方法综述[J]. 四川环境, 27(4): 88-91, 2008.
[2] 桑建国. 城市热岛效应的分析解[J]. 气象学报, 44(2): 251-255, 1986.
[3] 边海, 铁学熊. 天津市夜间热岛的数值模拟[J]. 地理学报, 43(2): 150-158, 1988.
[4] 李小风. 热岛效应强迫下的中尺度环流的动力特征及极限风速的一种解析表达[J]. 地理学报, 48(3): 327-335, 1990.
[5] Swaid H, Hoffman M E. Prediction of urban temperature variations using the analytical CTTC model [J]. Energy and Building, 14: 313-324, 1990.
[6] Elnahls M M, Williamson J J. An improvement of the CTTC model for prediction urban air temperature [J]. Energy and Building, 25: 41-49, 1997.
[7] 王菲, 肖勇全. 太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨[J]. 山东建筑工程学院学报, 19(1): 59-62, 2004.
[8] 李超, 魏合理, 徐青山等. 一种基于地面气温的地表出射长波辐射的计算方案[J]. 激光与红外, 39(4): 399-402, 2009.
附录
1 屋顶吸收太阳辐射所引起的温升计算程序
restart:
Tb:=26.36:
m:=0.9:
Fa:=0.4:
Wa:=0.4:
CTTCg:=8:
CTTCw:=6:
PSA:=0.1:
epsilon:=0.9:
hr:=0.57:
U:=4:
It:=[213.6,417.7,607.9,771.3,896.7,975.5,1002.4,975.5,896.7,771.3,607.9,417.7,213.6]:
CTTC:=(1-Fa)*CTTCg+Wa*CTTCw:
Ipen:=[]:
for i from 2 to nops(It) do
Ipen:=[op(Ipen),(It[i]-It[i-1])*(1-PSA)]:
od:
h:=epsilon*hr+hc:
hc:=5.8+4.1*U:
T:=t->m/h*sum(Ipen[k]*(1-exp(-(t-k)/CTTC)),k=1..t):
L1:=[]:
for i from 1 to nops(Ipen) do
L1:=[op(L1),[i+5,T(i)]]:
od:
L1;
plot(L1,ytickmarks=4,labels=[Time,Temperature],labeldirections=[HORIZONTAL,VERTICAL]);
注：本程序计算、绘制的是m=0.90时的温升结果。
2 屋顶对天空长波辐射所引起的温降计算程序
restart:
Tb:=26.36:
epsilonr:=0.9:
Fa:=0.4:
Wa:=0.4:
CTTCg:=8:
CTTCw:=6:
PSA:=0.1:
epsilon:=0.9:
hr:=0.57:
U:=4:
T:=[0,0.68,1.91,3.53,5.35,7.20,8.90,10.29,11.24,11.64,11.45,10.65]:
It:=[]:
for i from 1 to nops(T) do
It:=[op(It),6.33*(T[i]+Tb)+296]:
od:
CTTC:=(1-Fa)*CTTCg+Wa*CTTCw:
Ipen:=[]:
for i from 2 to nops(It) do
Ipen:=[op(Ipen),(It[i]-It[i-1])*(1-PSA)]:
od:
h:=epsilon*hr+hc:
hc:=5.8+4.1*U:
T:=t->epsilonr/h*sum(Ipen[k]*(1-exp(-(t-k)/CTTC)),k=1..t):
L1:=[]:
for i from 1 to nops(Ipen) do
L1:=[op(L1),[i+5,T(i)]]:
od:
L1;
plot(L1,ytickmarks=4,labels=[Time,Temperature],labeldirections=[HORIZONTAL,VERTICAL]);