梁槚 覃英宏 谭康豪

摘要：太阳辐射在城市峡谷内形成多重反射，加剧城市热岛效应。峡谷太阳辐射吸收量与城市结构、墙体和路面反射率及时间显著相关。建立城市峡谷反射率数值模型，评估提高路面反射率能否有效提高城市峡谷反射率，并探讨反射路面对邻近建筑墙体的反射与散射辐射的影响。通过现场观测数据验证数值模型的可靠性。研究结果表明：建筑物高度与路面宽度之比（纵横比）是城市峡谷反射率最关键的影响因素，当峡谷纵横比<1.0时，路面反射作用较为明显；而且，相对于冬季，夏季时峡谷内反射路面能向邻近建筑物反射更多的额外散射辐射，而峡谷走向对额外散射辐射的影响较小。当峡谷纵横比<1.0时，建议采用反射路面缓解城市热岛。

关键词：纵横比；反射路面；邻近建筑物；城市峡谷；反射率

中图分类号：TU111

文献标志码：A 文章编号：1674-4764（2016）03-0129-09

Abstract：An urban canyon absorbs more sunlight than a flat， open surface due to multiple reflections in the canyon， increasing the urban heat island effect （UHI）. One geo-engineering idea to mitigate the UHI to make the conventional pavements more reflective and to return more radiation to the sky. The urban canyon albedo （UCA） are modeled and the model with experimental observations are validated. We investigated whether increasing the pavement albedo can raise the UCA effectively based on evaluating the reflective diffuse radiation from the pavement to adjacent building walls. It is found that the ratio of buildings height to the road's width determines the UCA whereas other factors acts secondary roles. During summertime reflective pavements in an urban canyon reflect a sizable additional diffuse radiation to the adjacent walls. Reflective pavements are recommended for only an urban canyon with an aspect ratio no greater than 1.0.

Keywords：aspect ratio； reflective pavement； adjacent building； street canyon； albedo

城市结构包括建筑墙体、屋顶及道路，道路与建筑两侧的空气形成类似于峡谷的地貌特征称为城市峡谷。城市峡谷内部吸收或反射太阳辐射不同于平坦地面，城市峡谷内部某一面的反射辐射被其他面阻拦不能直接“逃出”峡谷，形成多重反射。而多重反射极大地增加城市峡谷太阳辐射吸收量，进而加剧城市热岛效应。

AIDA等[1-2]通过实验测试不同季节不同峡谷走向的城市峡谷反射率，结果表明，城市峡谷反射率随时间变化并与峡谷走向有关。基于此实验，研究人员采用数值模型研究城市峡谷高反射率墙体材料的隔热性能[3]、城市峡谷反射率[4]、日平均加权反射率[5]以及城市峡谷反射率日变化[6]。研究发现，城市峡谷反射率明显低于路面和建筑墙体的反射率。提高路面反射率是提高城市峡谷反射率的一种有效方法[7-8]。而路面反射率是可控的，其大小取决于路面材料及其龄期，通常在0.20～0.80之间。研究还表明，采用浅色骨料[9-10]、高反射率的路面铺筑材料[11-13]或者在路面涂反射涂料[14]的反射沥青路面比传统沥青路面反射更多的太阳辐射；采用白色填充料[15]、浅色水泥基体[16]或者白色面层技术[17]的反射水泥混凝土路面也比传统水泥路面反射更多的太阳辐射。这些研究结果证实反射路面能够有效地降低路面温度，但这些研究均测量平坦路面的温度，而提高城市峡谷路面反射率能否有效提高城市峡谷反射率尚未证实。

笔者基于城市峡谷不同结构面之间的多重反射建立城市峡谷反射率数值模型，并用实验观测值验证模型的可靠性。通过改变模型参数，查证路面反射率对城市峡谷反射率的影响，同时探讨反射路面能否向邻近建筑物反射可观的额外散射辐射。

1 建立模型

1.1 太阳位置

2 验证模型

采用文献[1]中的试验观测值验证数值模型的可靠性，该试验测量人造城市峡谷反射率。人造城市峡谷模型用水泥砖做建筑物墙体与屋顶，水泥砖墙体之间的部分做城市路面。试验所用人造城市峡谷的纵横比为1.0，但峡谷走向不同。试验观测地纬度为35.28°，晴朗天气。

为验证模型，将墙体和屋顶反射率和城市峡谷路面反射率叠加即为观测反射率。鉴于墙体和路面同为水泥混凝土材料，假定墙体与屋顶反射率ρh及路面反射率ρw为测量平坦混凝土地面的反射率 （如图3）。用线性内插法计算特定时间的平坦混凝土地面的反射率。图3对比不同季节的试验观测值与模拟值，试验观测值与模拟值的偏差较小，表明数值模型具有可靠性，而该偏差可能是因为试验观测地不确定的气象条件与人为因素造成的。

3 模型的应用

城市峡谷反射率依赖于纵横比、墙体和路面的反射率、太阳位置及城市峡谷走向。为简化问题，本次模拟假设平坦混凝土地面的反射率为常数。以广西南宁（φ=22.8°）为例，除有特别说明外，本次模拟均采用以下参数值：h/w=1.0、ρh=0.4、ρw=0.4、kT=1.0及N=173（夏至）。

3.1 灰色路面和浅色墙体的城市峡谷反射率

浅色墙体的实际反射率为0.40，灰黑色路面的反射率为0.10。不同走向和纵横比的城市峡谷反射率变化情况如图4所示。根据图4，城市峡谷反射率呈M型，日出后反射率迅速增大，之后达到最大值，正午时分反射率最小。

城市峡谷反射率随太阳位置而变化。当太阳入射角较小时，散射辐射占主导作用，且整个峡谷均受散射辐射作用，导致城市峡谷反射率较低。其根本原因是散射辐射到达峡谷后发生多重反射，与平坦地面相比峡谷反射到天空的辐射较少；随着太阳入射角增大，直接辐射占主导作用，太阳直接辐射照射到墙体上，一部分太阳辐射被反射到路面及对面墙体，另一部分被反射到天空。由于受直接辐射的墙体对天空的视角因子小于1/2，城市峡谷反射率的最大值小于0.2（0.4/2）（如图4）。峡谷真实的最大反射率为0.04～0.06，小于0.2，这是因为散射辐射的低反射率抑制了城市峡谷反射率。最大反射率出现在太阳直接辐射照射到路面时，路面受辐射的部分也随着时间的推移而减少，路面的反射减少导致城市峡谷反射率降低。

除太阳位置外，时间与路基走向是影响城市峡谷反射率另两个重要因素。对于东西走向的城市峡谷，其反射率冬季较夏季大，原因在于冬季太阳直接辐射照射到墙体的时间较夏季长；而对于南北走向的城市峡谷，其反射率夏季较冬季大，原因在于太阳直接辐射首先照射到东面墙体，然后是路面，最后是西面墙体。对东西走向的城市峡谷，最大辐射量出现在日出后不久，因为日出后路面受直接辐射（如图4（a）和4（b））；而对南北走向的峡谷，太阳直接辐射需要一定的时间才能照射到路面，因此，城市峡谷反射率最大值出现在日出后和日落前的1～2 h（如图4（c）和4（d））。

纵横比是影响城市峡谷反射率的关键因素，纵横比大的城市峡谷反射率小。深峡谷内部某一表面反射的辐射被其他面吸收的可能性比浅峡谷大，从而导致深峡谷太阳辐射吸收量比浅峡谷大。根据图4，正午时分纵横比为4.0时的城市峡谷反射率较纵横比为0.25或1.0时低，说明墙体吸收较多的路面反射辐射。

3.2 不同路面反射率的城市峡谷反射率

路面反射率的大小取决于路面材料。养护期的灰色水泥混凝土路面反射率为0.35～0.40，老化的水泥混凝土路面反射率为0.20～0.30，反射率减小的原因在于轮胎和路面的摩擦及路面掺杂的泥土使路面颜色加深。新铺筑的沥青混凝土路面反射率约为0.05，而老化的沥青混凝土路面反射率为0.10～0.15，其原因在于路面磨损骨料外露路面颜色变浅致使反射率变大。为研究不同路面反射率对城市峡

谷反射率的影响，本文模拟峡谷墙体反射率为0.40

时，不同路面反射率（ρw=0.10、0.20、0.30、0.40）的城市峡谷反射率。根据图5（b），冬季东西走向的城市峡谷反射率较稳定，路面反射率的变化对其影响较小，这是因为太阳直接辐射主要照射南面墙体，较少到达路面。 图5表明，提高路面反射率使城市峡谷反射率曲线由M型转变为W型。对于低反射率的路面，正午时分，城市峡谷反射率降低到最小，原因在于正午时分整个路面受太阳直接辐射，较低的路面反射率使其吸收较多的太阳辐射，从而降低城市峡谷反射率，导致城市峡谷反射率日变化曲线呈M型；对于高反射率的路面，由于路面相对于墙体有较大的天空的视角因子，路面受太阳直接辐射时，更多的太阳辐射被反射到天空。因此，正午时分城市峡谷反射率有所增加，城市峡谷反射率日变化曲线呈W型。

城市峡谷反射率随着路面反射率的增大而增大。正午时分，路面的反射率每增加0.10，城市峡谷反射率增加大约0.05，其原因可能是纵横比为1.0时，路面对天空的视角因子约为0.5。这表明，天空视角因子或者纵横比是控制城市峡谷内部太阳辐射吸收量的主要因素。路面反射率对城市峡谷反射率的影响依赖于峡谷走向，东西走向的城市峡谷反射率日变化不同于南北走向。

4 结 论

提出城市峡谷反射率的理论计算模型，通过对比分析人造城市峡谷反射率试验观测值和理论计算值，验证了该数值模型的可靠性。分析模型得到如下结论：

1） 峡谷纵横比是影响城市峡谷反射率的决定性因素，而其它因素影响相对较小。当峡谷纵横比<1.0时，提高路面的反射率才能有效提高城市峡谷反射率。

2） 城市峡谷内部的反射路面能够向邻近建筑物反射可观的额外散射辐射。冬季时额外的太阳辐射反射到路面的反射量仅为夏季的1/5。东西走向峡谷的反射率与南北走向峡谷反射率没有明显区别。当峡谷纵横比<1.0时，建议峡谷路面采用反射路面缓解城市热岛。

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（编辑 郭飞）