梁槚, 覃英宏, 譚康豪

(廣西大學 土木建筑工程學院；廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧，530004)

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反射路面對城市峽谷反射率的影響

梁槚, 覃英宏, 譚康豪

(廣西大學 土木建筑工程學院；廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧，530004)

摘要：太陽輻射在城市峽谷內形成多重反射，加劇城市熱島效應。峽谷太陽輻射吸收量與城市結構、墻體和路面反射率及時間顯著相關。建立城市峽谷反射率數值模型，評估提高路面反射率能否有效提高城市峽谷反射率，并探討反射路面對鄰近建筑墻體的反射與散射輻射的影響。通過現場觀測數據驗證數值模型的可靠性。研究結果表明：建筑物高度與路面寬度之比(縱橫比)是城市峽谷反射率最關鍵的影響因素，當峽谷縱橫比<1.0時，路面反射作用較為明顯；而且，相對于冬季，夏季時峽谷內反射路面能向鄰近建筑物反射更多的額外散射輻射，而峽谷走向對額外散射輻射的影響較小。當峽谷縱橫比<1.0時，建議采用反射路面緩解城市熱島。

關鍵詞：縱橫比；反射路面；鄰近建筑物；城市峽谷；反射率

城市結構包括建筑墻體、屋頂及道路，道路與建筑兩側的空氣形成類似于峽谷的地貌特征稱為城市峽谷。城市峽谷內部吸收或反射太陽輻射不同于平坦地面，城市峽谷內部某一面的反射輻射被其他面阻攔不能直接“逃出”峽谷，形成多重反射。而多重反射極大地增加城市峽谷太陽輻射吸收量，進而加劇城市熱島效應。

AIDA等[1-2]通過實驗測試不同季節(jié)不同峽谷走向的城市峽谷反射率，結果表明,城市峽谷反射率隨時間變化并與峽谷走向有關?；诖藢嶒?，研究人員采用數值模型研究城市峽谷高反射率墻體材料的隔熱性能[3]、城市峽谷反射率[4]、日平均加權反射率[5]以及城市峽谷反射率日變化[6]。研究發(fā)現，城市峽谷反射率明顯低于路面和建筑墻體的反射率。提高路面反射率是提高城市峽谷反射率的一種有效方法[7-8]。而路面反射率是可控的，其大小取決于路面材料及其齡期，通常在0.20～0.80之間。研究還表明，采用淺色骨料[9-10]、高反射率的路面鋪筑材料[11-13]或者在路面涂反射涂料[14]的反射瀝青路面比傳統(tǒng)瀝青路面反射更多的太陽輻射；采用白色填充料[15]、淺色水泥基體[16]或者白色面層技術[17]的反射水泥混凝土路面也比傳統(tǒng)水泥路面反射更多的太陽輻射。這些研究結果證實反射路面能夠有效地降低路面溫度，但這些研究均測量平坦路面的溫度，而提高城市峽谷路面反射率能否有效提高城市峽谷反射率尚未證實。

筆者基于城市峽谷不同結構面之間的多重反射建立城市峽谷反射率數值模型，并用實驗觀測值驗證模型的可靠性。通過改變模型參數，查證路面反射率對城市峽谷反射率的影響，同時探討反射路面能否向鄰近建筑物反射可觀的額外散射輻射。

1建立模型

1.1太陽位置

城市路面和建筑墻體是否受太陽直接輻射與太陽位置有關。而太陽位置隨太陽赤緯角、太陽天頂角、太陽方位角及太陽時角而變化。其中太陽赤緯角δ由式(1)計算[18]

(1)

式中：N為日序，即1月1日為N=1；12月31日為N=365。

太陽天頂角θ由式(2)計算[19-20]

(2)

式中：φ為地球表面觀測者所處的緯度；ω為太陽時角。

太陽時角ω可由式(3)計算[19]

(3)

其中，一天內太陽時角在負值與正值之間變化，日出前為π/2，正午時分為0，日落后為-π/2。

太陽方位角γ可由式(4)計算[5,21]

(4)

(5)

為便于計算，取時間序列為日出至日落的偶數，則時間序列日出至日落為θ=0。正午時分(θ=0)的反射率由正午時分模擬的反射率采用內插法求出。

根據式(1)～(5)可估算城市峽谷內某個面為陰面或陽面的時間。圖1是典型的城市峽谷圖，如果不存在陽面墻體，那么太陽直接輻射在x軸上的陰影長度x0可由式(6)計算

(6)

式中：h為建筑物高度；γc為峽谷走向，東西方向時為0，南北方向時為π/2。

圖1　城市峽谷的直接輻射受太陽時角的影響Fig.1　A schematic show of beam radiation to an infinite-long canyon

當太陽入射角較小時(x0≥w)，圖1(a)向陽墻體僅有一部分受到太陽直接輻射，而路面和背陰墻體沒有受到太陽直接輻射，此時向陽墻體上受太陽直接輻射的長度z為

(7)

當太陽入射角較大時(x0

(8)

1.2太陽直接輻射與太陽散射輻射

峽谷內的路面與建筑墻體受太陽直接輻射和散射輻射作用。根據Orgill和Hollands的模型[22]，直接輻射強度 Ib和散射輻射強度 Id可按式(9)計算

(9)

式中：I為瞬時太陽輻射強度，單位W/m2，I=Id+Ib;kT為天空清晰度，晴朗無云時取kT=1.0，陰天時取kT=0。

一天內瞬時太陽輻射強度I呈余弦分布，其中,日出前與日落后為0，正午時分最大[23]

(10)

式中:I0為單日最大太陽輻射強度[24]

(11)

式中：S0為太陽輻射常數，其值為1 367W/m2;τ為常數，0.61≤τ≤0.81，晴天時τ取0.81。

1.3視角因子(輻射角系數)

視角因子或輻射角系數，表示離開某一表面的輻射直接投射到另一表面的百分數，與另一表面的吸收能力無關。視角因子是散射強度的決定因素，峽谷內各個面到天空的視角因子共同決定城市峽谷太陽輻射吸收量。路面到墻體和天空的視角因子可由式(12)計算[21](下標w表示路面，h表示墻體，s表示天空，下同。為便于計算，假設兩側墻體等高)：

(12a)

(12b)

墻體到天空、路面以及對面墻體的視角因子分別為[21]

目前我國的組織編制法并不健全，在中央層面只有《國務院組織法》與《國務院行政機構設置和編制管理條例》，地方政府則缺少組織法，而且組織體制和職責權限經常變動，缺乏穩(wěn)定性。為了實現用制度管權管事管人，保證權力的正確運行，必須通過組織法和編制法約束行政權力，確保國家機關按照法定權限和程序行使權力，構建起全面依法行政的制度基礎，早日實現建成法治政府的目標。［6］有必要用法律法規(guī)規(guī)定行政組織和編制。

(13a)

(13b)

(13c)

根據式(12)和式(13)可計算城市峽谷內部某一表面到另一表面的視角因子。某一表面到天空的視角因子決定到達其表面的太陽散射輻射，路面和墻體接收到的太陽散射輻射量Idw和Idh(兩面墻體的太陽散射輻射量相等)由式(14)計算[23]

(14a)

(14b)

當太陽入射角較小時，圖1(a)，墻體上僅有高度為z的表面受到太陽直接輻射，其他面為陰面。z到天空、對面墻體以及路面的視角因子分別為[21](z到自身墻體的視角因子為0)

(15a)

(15b)

(15c)

當太陽入射角較大時(圖1(b))，路面部分甚至全部受太陽直接輻射。假設寬度為x的路面受到太陽直接輻射，x到天空、鄰近x的墻體以及遠離x的墻體的視角因子分別為[21](受輻射部分到未受輻射部分的視角因子為0)

(16a)

(16b)

(16c)

1.4多重反射

多種數值模型模擬太陽輻射在城市峽谷內的多重反射[4,22,25]。筆者提出一種較為簡單的方法計算城市峽谷內部的多重反射。假設第i次多重反射左邊墻體、右邊墻體以及路面的反射量分別為Rlh,i、Rrh,i和Rw,i，這些反射除被自身以外的表面吸收，還被天空吸收，未被吸收的反射量變成對應的第i+1次反射量Rlh,i+1、Rrh,i+1和Rw,i+1，如式(17)

(17a)

(17b)

(17c)

式中：ρh和ρw分別為墻體與路面的反射率。

第i+1次左邊墻體、右邊墻體、路面及天空的輻射吸收量分別為Alh,i+1、Arh,i+1、Aw,i+1及As,i+1，如式(18)

(18a)

(18b)

(18c)

(18d)

第一次反射循環(huán)時，墻體或部分路面為陽面，受太陽直接輻射的表面比未受太陽直接輻射的表面反射更多的太陽輻射。陽面到其它表面或天空的輻射包括2個部分：整個表面的散射輻射和受照射部分的直接輻射。這些反射量和相應的吸收量的初始值為Rlh,1、Rrh,1、Rw,1、Alh,1、Arh,1、Aw,1及As,1。由于直接輻射隨太陽位置而變化，因此，計算時需明確太陽位置。

當太陽入射角較小時，部分墻體為陽面，因此，初始值計算如下：

(19a)

(19b)

(19c)

(19d)

(19e)

(19f)

(19g)

當太陽入射角較大時，部分路面為陽面，因此，初始值計算

(20a)

(20b)

(20c)

(20d)

(20e)

(20f)

(20g)

由于式(17)～(20)計算反射量與吸收量較為繁瑣，本文采用求和法。計算每次迭代過程中反射量與吸收量，驗證其與城市峽谷內部的太陽輻射量是否相等。

1.5反射率

根據城市峽谷內的太陽總輻射量及峽谷向天空反射的輻射量，城市峽谷的反射率可由式(21)計算。

(21)

式中：n為迭代次數。式(21)表明城市峽谷反射率ρc與建筑物高度h、路面寬度w、墻體反射率ρh、路面反射率ρw、路基走向γc、太陽位置、時間、直接輻射以及散射輻射等參數有關。通過式(17)～(20)的關系式可估算參數的關系，進而計算出城市峽谷反射率。

城市峽谷反射率計算的流程圖如圖2所示。

圖2　城市峽谷反射率計算的流程圖Fig.2　Flowchat of lalculation arban canyon

2驗證模型

采用文獻[1]中的試驗觀測值驗證數值模型的可靠性，該試驗測量人造城市峽谷反射率。人造城市峽谷模型用水泥磚做建筑物墻體與屋頂，水泥磚墻體之間的部分做城市路面。試驗所用人造城市峽谷的縱橫比為1.0，但峽谷走向不同。試驗觀測地緯度為35.28°，晴朗天氣。

為驗證模型，將墻體和屋頂反射率和城市峽谷路面反射率疊加即為觀測反射率。鑒于墻體和路面同為水泥混凝土材料，假定墻體與屋頂反射率ρh及路面反射率ρw為測量平坦混凝土地面的反射率 (如圖3)。用線性內插法計算特定時間的平坦混凝土地面的反射率。圖3對比不同季節(jié)的試驗觀測值與模擬值，試驗觀測值與模擬值的偏差較小，表明數值模型具有可靠性，而該偏差可能是因為試驗觀測地不確定的氣象條件與人為因素造成的。

圖3　不同時間的城市峪谷反射率Fig.3　The UCA varies with solar

3模型的應用

城市峽谷反射率依賴于縱橫比、墻體和路面的反射率、太陽位置及城市峽谷走向。為簡化問題，本次模擬假設平坦混凝土地面的反射率為常數。以廣西南寧(φ=22.8°)為例，除有特別說明外，本次模擬均采用以下參數值：h/w=1.0、ρh=0.4、ρw=0.4、kT=1.0及N=173(夏至)。

3.1灰色路面和淺色墻體的城市峽谷反射率

淺色墻體的實際反射率為0.40，灰黑色路面的反射率為0.10。不同走向和縱橫比的城市峽谷反射率變化情況如圖4所示。根據圖4，城市峽谷反射率呈M型，日出后反射率迅速增大，之后達到最大值，正午時分反射率最小。

城市峽谷反射率隨太陽位置而變化。當太陽入射角較小時，散射輻射占主導作用，且整個峽谷均受散射輻射作用，導致城市峽谷反射率較低。其根本原因是散射輻射到達峽谷后發(fā)生多重反射，與平坦地面相比峽谷反射到天空的輻射較少；隨著太陽入射角增大，直接輻射占主導作用，太陽直接輻射照射到墻體上，一部分太陽輻射被反射到路面及對面墻體，另一部分被反射到天空。由于受直接輻射的墻體對天空的視角因子小于1/2，城市峽谷反射率的最大值小于0.2(0.4/2)(如圖4)。峽谷真實的最大反射率為0.04～0.06，小于0.2，這是因為散射輻射的低反射率抑制了城市峽谷反射率。最大反射率出現在太陽直接輻射照射到路面時，路面受輻射的部分也隨著時間的推移而減少，路面的反射減少導致城市峽谷反射率降低。

除太陽位置外，時間與路基走向是影響城市峽谷反射率另兩個重要因素。對于東西走向的城市峽谷，其反射率冬季較夏季大，原因在于冬季太陽直接輻射照射到墻體的時間較夏季長；而對于南北走向的城市峽谷，其反射率夏季較冬季大，原因在于太陽直接輻射首先照射到東面墻體，然后是路面，最后是西面墻體。對東西走向的城市峽谷，最大輻射量出現在日出后不久，因為日出后路面受直接輻射(如圖4(a)和4(b))；而對南北走向的峽谷，太陽直接輻射需要一定的時間才能照射到路面，因此，城市峽谷反射率最大值出現在日出后和日落前的1～2 h(如圖4(c)和4(d))。

縱橫比是影響城市峽谷反射率的關鍵因素，縱橫比大的城市峽谷反射率小。深峽谷內部某一表面反射的輻射被其他面吸收的可能性比淺峽谷大，從而導致深峽谷太陽輻射吸收量比淺峽谷大。根據圖4，正午時分縱橫比為4.0時的城市峽谷反射率較縱橫比為0.25或1.0時低，說明墻體吸收較多的路面反射輻射。

3.2不同路面反射率的城市峽谷反射率

路面反射率的大小取決于路面材料。養(yǎng)護期的灰色水泥混凝土路面反射率為0.35～0.40，老化的水泥混凝土路面反射率為0.20～0.30，反射率減小的原因在于輪胎和路面的摩擦及路面摻雜的泥土使路面顏色加深。新鋪筑的瀝青混凝土路面反射率約為0.05，而老化的瀝青混凝土路面反射率為0.10～0.15，其原因在于路面磨損骨料外露路面顏色變淺致使反射率變大。為研究不同路面反射率對城市峽谷反射率的影響，本文模擬峽谷墻體反射率為0.40

時，不同路面反射率(ρw=0.10、0.20、0.30、0.40)的城市峽谷反射率。根據圖5(b)，冬季東西走向的城市峽谷反射率較穩(wěn)定，路面反射率的變化對其影響較小，這是因為太陽直接輻射主要照射南面墻體，較少到達路面。 圖5表明，提高路面反射率使城市峽谷反射率曲線由M型轉變?yōu)閃型。對于低反射率的路面，正午時分，城市峽谷反射率降低到最小，原因在于正午時分整個路面受太陽直接輻射，較低的路面反射率使其吸收較多的太陽輻射，從而降低城市峽谷反射率，導致城市峽谷反射率日變化曲線呈M型；對于高反射率的路面，由于路面相對于墻體有較大的天空的視角因子，路面受太陽直接輻射時，更多的太陽輻射被反射到天空。因此，正午時分城市峽谷反射率有所增加，城市峽谷反射率日變化曲線呈W型。

城市峽谷反射率隨著路面反射率的增大而增大。正午時分，路面的反射率每增加0.10，城市峽谷反射率增加大約0.05，其原因可能是縱橫比為1.0時，路面對天空的視角因子約為0.5。這表明，天空視角因子或者縱橫比是控制城市峽谷內部太陽輻射吸收量的主要因素。路面反射率對城市峽谷反射率的影響依賴于峽谷走向，東西走向的城市峽谷反射率日變化不同于南北走向。

圖4　不同路面反射率對城市峽谷反射率的影響墻體的反射率ρh=0.4，縱橫比h/w=1.0Fig.4　Influence of pavement albedo on the UCA the albedo of the wall ρh=0.4,

3.3太陽輻射被鄰近的建筑墻體吸收

使用冷卻路面緩解城市熱島效應獲得廣泛關注。夏季反射路面向鄰近建筑物反射太陽輻射，增加鄰近建筑物的熱存儲。為估算存儲熱量，本文模擬不同路面反射率的城市峽谷內部建筑物表面與天空的太陽輻射吸收量。

3.3.1夏季圖6為夏季東西走向峽谷的路面與墻體的太陽輻射吸收量。圖6(c)表明，正午時分，路面的反射率每提高0.10，其相應的吸收量減少100 W/m2。其中，該減少量的一半被反射到天空，另一半分別被2個墻體吸收，吸收量均為25 W/m2(如

南北走向的峽谷具有同樣的太陽吸收量分配模式(如圖7)，但具體的能量分配過程不同。對南北走向的峽谷，隨著時間變化太陽輻射先后照射東面墻體、路面以及西面墻體。盡管存在這種差別，但天空仍吸收路面輻射量的1/2，每面墻體各吸收1/4。

圖5　不同路面反射率對城市峪谷反射率的影響，墻體的反射率ρh=0.4,縱橫比h/w=1.0Fig.5　Influence of pavement albedo on the UCA the albedo of the wall

圖6　夏季(東西走向,6/22)路面反射率對建筑墻體的能量吸收量的影響ΔA表示ρw=0.20, 0.30, 0.40時的吸收量與ρw=0.10時的吸收量的差值Fig.6　Influence of the pavement reflectivity on the energy absorption of the building walls during the summertime(Street orientation: E-W; Date: June 22)Note: The subplots at the second row are the absorption at ρw=0.20, 0.30, 0.40 minus the absorption at

3.3.2冬季反射路面向鄰近建筑物反射太陽輻射，促使建筑物存儲熱量。本文分別模擬峽谷東西走向與南北走向時峽谷內部不同面與天空的吸收量(圖8、9)。圖8表明，南面墻體比北面墻體和路面

圖7　冬季(南北走向,12/22)路面反射率對建筑墻體的能量吸收量的影響ΔA表示ρw=0.20,0.30,0.40時的吸收量與ρw=0.10時的吸收量的差值Fig.7　Influence of the pavement reflectivity on the solar absorption of the building walls during wintertime(Street orientation: N-S; Date: December 22)The subplots at the second row are the absorption at ρw=0.20, 0.30, 0.40 minus the absorption at

圖8　冬季(東西走向,12/22)路面反射率對建筑墻體的能量吸收量的影響ΔA表示ρw=0.20,0.30,0.40時的吸收量與ρw=0.10時的吸收量的差值Fig.8　Influence of the pavement reflectivity on the energy absorption of the building walls(Street orientation: E-W; Date: December 22)The subplots at the second row are the absorption at ρw=0.20, 0.30, 0.40 minus the absorption at

圖9　冬季(南北走向,12/22)路面反射率對建筑墻體的能量吸收量的影響ΔA表示ρw=0.20,0.30,0.40時的吸收量與ρw=0.10時的吸收量的差值Fig.9　Influence of the pavement reflectivity on the energy absorption of the building walls(Street orientation: E-W; Date: December 22)The subplots at the second row are the absorption at ρw=0.20, 0.30, 0.40 minus the absorption at

吸收較多的太陽輻射，因為太陽方位角遠離路面方位角，導致南面墻體受太陽直接輻射的時間長，而路面受太陽直接輻射的時間短。路面的反射率每增加0.10，路面向天空和墻體反射的太陽輻射約增大15 W/m2，每面墻體總的額外吸收輻射大約為4 W/m2(15/2/2)。圖9反映峽谷南北走向時峽谷內部表面與天空吸收的額外輻射。南北走向的路面比東西走向的路面的照射時間更長，路面散射更多的熱量。正午時分，路面的反射率每增加0.10，路面對天空與墻體的額外輻射量大約為8～10 W/m2。

4結論

提出城市峽谷反射率的理論計算模型，通過對比分析人造城市峽谷反射率試驗觀測值和理論計算值，驗證了該數值模型的可靠性。分析模型得到如下結論:

1) 峽谷縱橫比是影響城市峽谷反射率的決定性因素，而其它因素影響相對較小。當峽谷縱橫比<1.0時，提高路面的反射率才能有效提高城市峽谷反射率。

2) 城市峽谷內部的反射路面能夠向鄰近建筑物反射可觀的額外散射輻射。冬季時額外的太陽輻射反射到路面的反射量僅為夏季的1/5。東西走向峽谷的反射率與南北走向峽谷反射率沒有明顯區(qū)別。當峽谷縱橫比<1.0時，建議峽谷路面采用反射路面緩解城市熱島。

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(編輯郭飛)

Influence of reflective cool pavements on the albedo of urban canyon

Liang Jia, Qin Yinghong, Tan Kanghao

(College of Civil Engineering and Architecture；Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety of Guangxi, Guangxi University, Nanning 530004, P. R. China)

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 building’s 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

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.019

收稿日期：2015-07-08

基金項目：國家自然科學基金(51478126)

作者簡介：梁槚(1990-)，男，主要從事路面材料研究，(E-mail)liangjiahs@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No. 61374187)

中圖分類號：TU111

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)03-0129-09

覃英宏(通信作者)，男，博士，教授，(E-mail)yqin1@mtu.edu。

Received:2015-07-08

Author brief：Liang Jia(1990-)，main research interest:pavement，(E-mail)liangjiahs@163.com。

Qin Yinghong(corresponding author)，PhD,professor，(E-mail)yqin1@mtu.edu。