姚靈燁 許亙昱 趙立華 YAO Lingye, XU Genyu, ZHAO Lihua

0 引言

城市下墊面在一定程度上塑造了近地大氣物理環(huán)境，其能量分配特征顯著影響近地氣候[1]。城市下墊面主要通過三種途徑對近地氣候產(chǎn)生影響：一是下墊面與大氣之間的輻射交換；二是下墊面與近地空氣的對流換熱；三是自然下墊面（土壤、綠化植被、水體等）通過蒸散發(fā)與周圍環(huán)境的水汽交換。實測表明，城市下墊面的改變可引起近地空氣溫度的變化，其影響程度在白天和夜間可分別達17%和25%[2]。城市地區(qū)由自然下墊面（土壤、綠化植被、水體）向非自然下墊面（不透水硬質(zhì)鋪裝）的改變，是引起城市熱島效應(yīng)的主要原因之一。作為城市地區(qū)典型的自然下墊面，水體對城市氣候具有重要的調(diào)節(jié)作用。水體通過蒸發(fā)冷卻、對流換熱、輻射吸收等物理過程對周邊環(huán)境的空氣溫度、濕度、輻射、地表溫度、氣流等微氣候要素產(chǎn)生影響，而這些物理過程主要受水體的凈輻射、顯熱、潛熱和蓄熱等能量分配的影響[3]。明確典型城市水體的能量分配特征和變化規(guī)律，不僅有助于理解水體如何影響周邊熱環(huán)境，也能更好地運用水體在高密度城市地區(qū)的氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)，對于改善人居環(huán)境和建設(shè)氣候適應(yīng)型城市具有重要的實踐價值[4-5]。

相較于對水體熱效應(yīng)的直接觀測，即對水溫、水體周邊溫度、濕度等熱環(huán)境參數(shù)的觀測，水體能量平衡觀測關(guān)注整個水體系統(tǒng)中能量的輸入、輸出和轉(zhuǎn)換，包括太陽輻射的輸入、水體的輻射傳輸、對流換熱、蒸發(fā)以及蓄熱等，通過對這些物理過程的觀測和量化，從而得到水體能量收支的具體情況。然而，目前關(guān)于水體能量平衡觀測與分析的研究相對較少。菅原広史（Sugawara）和成田健一（Narita）[6]采用渦度相關(guān)法，在夏季七、八月白天時段對日本東京市中心的一條河流進行了能量平衡觀測，結(jié)果表明同一河流不同深度的河段表現(xiàn)出不同的熱效應(yīng)，原因在于不同深度河段的能量分配不同：對于深水段（2 m），蓄熱和潛熱占總凈輻射的比例分別為70%和10%，而在淺水段（幾厘米）這兩個能量分項的占比分別為20%和40%；齊靜靜等[7]根據(jù)總體傳輸法，在夏季最熱月的白天時段對松花江哈爾濱段開展能量平衡觀測，結(jié)果表明河流在不同天氣條件下的能量分配特征不同，在晴天蓄熱、潛熱、顯熱占總凈輻射的比例分別為98%、1.8%、0.2%，在雨天分別為39%、51%、10%；索爾塞洛娃（Solcerova）等[8]利用分布式溫度測量法，在荷蘭典型夏季夜間時段，對位于代爾夫特理工校園內(nèi)的池塘開展了近一個月連續(xù)觀測，得到夏季夜間池塘的能量分配整體特征，即凈長波輻射、潛熱、顯熱、地面通量占池塘蓄熱量的比例分別為43%、39%、11%、7%。上述研究多關(guān)注動態(tài)水體，研究時段集中在夏季，采用的觀測方法存在各類適用條件和限制。例如，渦度相關(guān)法通常適用于平坦均勻的理想水平表面，但在實際復雜場景中需進行坐標旋轉(zhuǎn)法修正；總體傳輸法的關(guān)鍵在于確定計算湍流通量的Bulk系數(shù)，而常規(guī)氣象觀測通常缺乏計算該系數(shù)所需的參數(shù)，如湍流特征參數(shù)和溫濕度梯度等，因此難以直接確定該系數(shù)，且不適用于靜風狀態(tài)；分布式溫度測量法僅適用于沒有太陽輻射的夜間，無法考慮白天的情況。相比之下，波文比能量平衡法將波文比和能量平衡方程相結(jié)合[9]，能夠利用常規(guī)氣象觀測參數(shù)量化水體的各能量分項，可同時考慮白天和夜間的情況，且在靜風狀態(tài)下也同樣適用。該方法計算簡單、可行性強，有效克服了前述觀測方法的局限性，適用于基于常規(guī)氣象觀測的城市靜態(tài)水體能量平衡研究。

我國濕熱地區(qū)河網(wǎng)密布、水系發(fā)達，水體與人居環(huán)境息息相關(guān)。同時，濕熱地區(qū)常年高溫高濕，隨著全球氣候變暖加劇，濕熱地區(qū)的城市熱環(huán)境問題比其他地區(qū)更甚，因此，利用水體改善城市熱環(huán)境對于濕熱地區(qū)氣候適應(yīng)型城市建設(shè)具有重要意義。此外，水體的熱效應(yīng)因地而異[3]，濕熱地區(qū)水體對氣候變化的響應(yīng)與其他地區(qū)不同，可從能量交換的角度進一步分析其物理特征。

當前，針對濕熱地區(qū)水體在不同季節(jié)的晝夜連續(xù)能量平衡觀測與分析仍是一個空白。本文基于能量平衡理論，在濕熱地區(qū)典型城市廣州選取位于老城區(qū)的荔灣湖作為研究對象，采用波文比能量平衡法通過冬、夏兩季的連續(xù)系統(tǒng)性觀測，探究該湖泊能量分項的分配特征和變化規(guī)律，為靜態(tài)水體的氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)提供可參考的量化方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對象

廣州（22°26′N–23°56′N, 112°57′E–114°3′E）地處亞熱帶沿海地區(qū)，屬海洋性亞熱帶季風氣候，柯本氣候分類為亞熱帶濕熱氣候（Cfa）[10]。廣州雨量充沛、光熱充足、夏熱冬暖，是我國濕熱地區(qū)的典型代表城市。廣州常年高溫高濕，年平均氣溫22 ℃，平均相對濕度77%，年平均降水量1 923 mm，平均降水日數(shù)達149天，雨季多集中在四至九月，最熱月為七月，月平均氣溫29.4 ℃，相對濕度75%；最冷月為一月，月平均氣溫13.6 ℃，相對濕度71%[11]。

廣州市內(nèi)河網(wǎng)密布，河流水系發(fā)達，水域面積廣闊。荔灣湖作為廣州市五大人工湖之一，地處老城西關(guān)泮塘密集建成區(qū)，位于周邊社區(qū)居民的15分鐘生活圈活動半徑內(nèi)，是高密度城區(qū)內(nèi)的公共開放空間。與位于市郊的湖泊相比，荔灣湖對城市人居環(huán)境的影響更為直接和重要。因此，本研究選取荔灣湖為研究對象。荔灣湖坐落于占地270 000 m2的荔灣湖公園內(nèi)，湖泊的水面面積達167 400 m2，水面占比62%，周長約3 km，年平均水深1.5～2.0 m，湖泊周邊為低矮緊湊的居住區(qū)和高密度商業(yè)街區(qū)。

1.2 能量平衡觀測

在位于荔灣湖中央30 m×23 m的水上觀景臺搭建能量平衡觀測平臺，觀測平臺下墊面主要為混凝土，東北側(cè)有若干高度在10～20 m之間的椰子樹和一個約2.5 m高的涼亭（圖1）。能量平衡觀測平臺由四分量凈輻射儀、水溫傳感器、溫濕度自記儀以及自動氣象站組成（圖2），對各微氣候參數(shù)進行連續(xù)系統(tǒng)性觀測（表1）。

表1 湖泊能量平衡觀測的測試參數(shù)及儀器Tab.1 test parameter and instrument of lake energy balance observation

圖1 荔灣湖能量平衡觀測場地Fig.1 energy balance observation site of Liwan Lake

圖2 能量平衡觀測現(xiàn)場儀器照片F(xiàn)ig.2 photograph of instruments for energy balance observation site

在測試期間，湖泊沒有通過進排水管的人為排熱或水流進出，即無人為熱或外部湍流擾動，水面保持相對穩(wěn)定平靜，其能量平衡過程可用簡化的能量平衡方程公式（1）表示：

其中，Q為入射水面的凈輻射通量；QH為由水面和上方空氣之間的溫度差驅(qū)動的顯熱通量；QE為由蒸發(fā)引起的潛熱通量；QS為湖泊內(nèi)部的凈蓄熱量變化，即得熱或熱損失。單位為W/m2。各能量分項的測試原理及方法如下：

1.2.1 凈輻射通量Q*

凈輻射通量Q*由四分量凈輻射儀測量的入射、出射水面的短波K↓、K↑和長波輻射L↓、L↑直接得到。

1.2.2 顯熱QH和潛熱QE通量

根據(jù)波文比能量平衡法[12,13]，首先按照公式（3）～（6）計算顯熱和潛熱通量的比值波文比B；然后由公式（7）、（8）[14]計算潛熱通量QE；則顯熱通量QH可根據(jù)公式（9）由B和QE間接計算得到。

其中，Cp為空氣熱容，J/kg·℃，這里取1 006.43；Tws為水面溫度（℃）；Ta為空氣溫度（℃）；L為蒸發(fā)潛熱（J/kg）；qs為飽和含濕量（kg/kg）；qa為空氣含濕量（kg/kg）；esa為飽和蒸汽壓（hPa）；ea為環(huán)境空氣溫度下的蒸汽壓（hPa）；Pa為大氣壓強（hPa）；E為水面蒸發(fā)率（mm/s）；u為1.5 m高度的風速（m/s）。

1.2.3 蓄熱通量Qs

余項蓄熱通量Qs由能量平衡差值法間接計算得出。

1.3 數(shù)據(jù)分析時段

荔灣湖能量平衡觀測時間為冬季2021年11月—2022年1月，夏季2022年5—7月。根據(jù)Yang等[15]提出的溫度日較差（Diurnal Temperature Range，簡稱DTR）法，將天氣條件分為三類：“理想”天：DTR≥10 ℃且前24 h無降雨；雨天：氣象站記錄有雨，即雨量Prcp>0 mm；其他天：除“理想”天和雨天以外的天氣。該方法的適用性已在廣州地區(qū)得到驗證[16]。用兩個季節(jié)在三種天氣條件下的平均日變化來展現(xiàn)各能量分項的變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊各能量分項的變化特征

2.1.1 凈輻射通量Q*

總體而言，凈輻射通量Q*的晝夜變化、季節(jié)差異、天氣條件差異的變化趨勢和表現(xiàn)規(guī)律顯著受太陽輻射影響（圖3）。從晝夜變化來看，Q*表現(xiàn)為白天正值、夜間負值的晝夜變化規(guī)律，即白天的太陽短波輻射為湖泊的主要熱源，而夜間以長波冷卻的形式釋放熱量。就季節(jié)差異而言，凈輻射通量Q*在夏季顯著高于冬季。在不同天氣條件下，晴朗少云的“理想”天的Q*強度顯著高于雨天和多云等其他天氣條件，夏季峰值在三種天氣條件下分別約為750、100、400 W/m2，在冬季分別約為550、110、250 W/m2。

圖3 湖泊在夏、冬兩季的（a）“理想”天、（b）雨天、（c）其他天的凈輻射通量Q*平均日變化曲線Fig.3 diurnal variations of net radiation flux under ideal days, rainy days, and other days in summer and winter

2.1.2 顯熱QH和潛熱QE通量

湖面與大氣間的湍流交換（涉及顯熱QH和潛熱QE）在近地微氣候中發(fā)揮著重要作用，顯熱直接影響空氣溫度，潛熱影響空氣濕度。從晝夜變化的角度觀察QH（圖4），可以發(fā)現(xiàn)在白天湖泊從大氣吸收熱量形成負QH，此時水面通常比空氣更涼爽；相反，在夜間湖泊會向大氣傳遞熱量形成正QH，此時水溫高于氣溫。從季節(jié)差異而言，夏冬兩季的QH日變化差異較小，但值得關(guān)注的是，冬季由于水溫與氣溫差較大，通過熱傳導和熱對流傳遞的QH量級大于夏季。考慮到不同天氣條件，在晴朗少云的“理想”天，陽光直射到湖面，從而直接升高水面溫度，產(chǎn)生QH；而在雨天和其他天氣（陰天或多云）條件下，由于太陽輻射受到遮擋，湖面溫度相對較低，此時QH減小。需要注意的是，在降雨期間，環(huán)境氣溫會顯著下降，而水溫也會受影響。根據(jù)對一次20 min約5 mm降雨事件的實測[17]，由降雨引起的能量下降為80 W/m2，而在此期間的入射太陽輻射為400 W/m2，與太陽輻射相比，降雨造成的能量下降相對較小。同時，每單位水面的熱容量約為1.2×106Jm-2k-1，進一步分散了降雨對水溫的影響。因此降雨對湖泊顯熱交換的影響較為有限。

對于潛熱通量QE（圖5），從晝夜變化來看，全天QE均為正值，呈現(xiàn)出白天高、夜間低的“單谷單峰”型態(tài)，意味著湖泊通過蒸發(fā)持續(xù)向環(huán)境釋放熱量。在夜間和清晨QE較為平穩(wěn)，而在白天，由于受到太陽輻射和大氣穩(wěn)定度的影響，水面與環(huán)境空氣的水汽壓差趨于峰值，此時QE也同步達到峰值。就季節(jié)差異而言，由于廣州夏季氣候高溫高濕且多變，大氣層結(jié)活動劇烈，導致水蒸汽分壓力不穩(wěn)定狀態(tài)頻繁出現(xiàn)，因此湖泊對大氣的加濕作用不明顯；冬季空氣相對干燥，水面與空氣的水汽壓差增大，蒸發(fā)量也隨之增加，湖泊對大氣的加濕作用較為明顯。在不同天氣條件下，與顯熱通量相比，潛熱通量受天氣的影響作用更為顯著。QE在晴朗少云的“理想”天氣顯著高于雨天或其他天。雨天的高相對濕度會減緩湖泊的蒸發(fā)速率，這是由于雨天空氣中的水汽含量已經(jīng)較高，導致相對較少的水分分子從湖面蒸發(fā)到空氣中，即蒸發(fā)量減小。

圖5 湖泊在夏、冬兩季的（a）“理想”天、（b）雨天、（c）其他天的顯熱通量QE平均日變化柱狀圖Fig.5 diurnal variations of latent heat flux under ideal days, rainy days, and other days in summer and winter

2.1.3 蓄熱通量Qs

湖泊凈輻射通量Q*和水體蓄熱通量Qs之間的晝夜變化關(guān)系如圖6所示。日出后，湖泊吸收了很大一部分太陽輻射，因此大部分Q*在上午轉(zhuǎn)移到Qs中，此時Qs/Q*＜1；到了中午，大氣的熱不穩(wěn)定性增強了湖面與大氣之間的湍流交換，隨著湖面變暖，Q*和Qs達到平衡，使得Qs/Q*趨近于1，此時更多的能量被轉(zhuǎn)化到湍流通量QH和QE中；日落后，凈輻射通量Q*（此時Q*為凈長波輻射冷卻項）迅速消耗能量，同時湍流通量減弱，因此湖泊中儲存的熱量開始釋放，從而使Qs/Q*≥1。從季節(jié)差異和天氣條件差異而言，Qs/Q*的比值在兩個季節(jié)三種天氣條件下的變化趨勢趨于一致，差異較小。

圖6 湖泊在（a）夏季和（b）冬季的“理想”天、雨天、其他天的Qs/Q*比值日變化曲線Fig.6 diurnal variations of Qs/Q* under ideal days, rainy days, and other days in summerand winter圖4 湖泊在夏、冬兩季的（a）“理想”天、（b）雨天、（c）其他天的顯熱通量QH平均日變化柱狀圖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

對湖泊冬夏兩季的各能量分項Q*、QH、QE、Qs的月平均值進行了統(tǒng)計（圖7）?？傮w而言，各能量分項表現(xiàn)為夏季高、冬季低的分布模式。在各能量分項中，除十一、十二月外（冬季的入射太陽輻射相對較?。?，凈輻射通量Q*是各分項中最大的能量通量，其峰值出現(xiàn)在七月約135 W/m2，最小值出現(xiàn)在一月約25 W/m2。顯熱通量QH在各能量分項中最小，并在每個月保持相對穩(wěn)定，其在冬夏兩季的變化范圍為2～5 W/m2。潛熱通量QE在測試期間均為正，其峰值出現(xiàn)在七月約46 W/m2，最小值出現(xiàn)在一月約17 W/m2。在夏季，蓄熱通量Qs是僅次于Q*的能量項，其峰值出現(xiàn)在七月約為90 W/m2；在冬季的十一、十二月，蓄熱項Qs為負，意味著湖泊作為熱源向大氣釋放熱量。

圖7 各能量分項的月平均分布柱狀圖Fig.7 distribution of the monthly average of each energy component

圖8進一步統(tǒng)計了各能量分項的月均日累計占比。在夏季，蓄熱通量Qs在湖泊的能量平衡中所占比例最高（最高達74%），即湖面的大部分凈輻射分配給了蓄熱Qs，而這與通常認為的水體的冷卻效應(yīng)主要與蒸發(fā)有關(guān)、大部分熱量通過蒸發(fā)散失的有所不同，這可能與測試期間的高濕度和低風速等氣候條件有關(guān)；在冬季，十一、十二月的Qs為負，即蓄熱項作為湖泊的一部分熱源，未參與能量消耗。相較于Qs，湍流通量QH和QE在高溫高濕的夏季所占比例較低；在相對干燥涼爽的冬季，當太陽輻射為大氣升溫和水面蒸發(fā)提供能量時，QH和QE所占比例上升，且大部分能量分配給了QE，占比最高達93%。

圖8 月平均能量分項占比柱狀圖Fig.8 percentages of the monthly average of each energy component

3 討論

表2總結(jié)了本研究與其他類似水體能量平衡研究的異同點。由表2可知，現(xiàn)有的水體能量平衡研究主要涉及溪流、河流、池塘等不同類型的水體，這些水體在大小、形狀、水深以及動靜狀態(tài)等方面具有不同特征，并處于不同的氣候背景下；觀測的時間跨度從幾天到一個月不等，主要集中在夏季白天時段，而對夜間熱效應(yīng)的關(guān)注相對較少。相比之下，本研究總結(jié)并發(fā)展了基于常規(guī)氣象參數(shù)的波文比能量平衡觀測法，并采用該方法對濕熱地區(qū)城市湖泊開展了為期六個月的冬、夏兩季連續(xù)系統(tǒng)觀測，涵蓋不同季節(jié)和晝夜時段，同時考慮了不同的天氣條件。綜合各項研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水體的白天降溫效應(yīng)主要受益于蓄熱和蒸發(fā)；夜間的增溫效應(yīng)主要是由于白天累積的熱量在夜間釋放造成，各能量分配比例受多種因素影響，包括水深、天氣條件、季節(jié)變化和分析時段等。此外，水體的動靜狀態(tài)也影響著水體的能量分配特征。動態(tài)水體如溪流或河流的湍流混合會消耗能量并釋放水汽，間接影響水體的整體能量平衡狀態(tài)。

表2 本研究與其他類似水體能量平衡研究的比較tab.2 comparison of this study with other similar water energy balance studies

水體能量平衡研究不僅有助于解釋水體所呈現(xiàn)的熱效應(yīng)規(guī)律，闡明水體對熱環(huán)境的作用機理，并且對于城市氣候模型的優(yōu)化也至關(guān)重要。在多數(shù)城市氣候模型中，模擬城市表面與大氣之間湍流交換的關(guān)鍵在于確定表面吸收的太陽輻射轉(zhuǎn)化為顯熱和潛熱的比例[1]。本研究通過對水體能量分配特征的實際觀測，提供了熱力學過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為模型中水體下墊面的能量轉(zhuǎn)化比例提供實證參考，進而有助于提高模型的準確度和可靠性。

4 結(jié)論

水體作為風景園林規(guī)劃設(shè)計的重要要素，對于調(diào)節(jié)城市氣候至關(guān)重要。通過深入剖析水體的能量分配特征，可以更準確地評估其在空氣溫濕度、地表溫度、局地風環(huán)境等方面的影響程度，進而為風景園林規(guī)劃設(shè)計提供科學依據(jù)。本文基于能量平衡理論，總結(jié)并發(fā)展了基于常規(guī)氣象觀測參數(shù)、適用于城市靜態(tài)水體的波文比能量平衡觀測法，并在濕熱地區(qū)典型城市廣州通過對荔灣湖冬、夏兩季的連續(xù)系統(tǒng)性觀測，得到了該湖泊各能量分項在不同季節(jié)和不同天氣條件下的分配特征和變化規(guī)律。主要結(jié)論總結(jié)如下：

第一，輻射項在湖泊的能量平衡中具有雙重作用，在白天短波輻射是湖泊的主要能量輸入源，在夜間長波輻射冷卻是湖泊的重要散熱形式之一。

第二，天氣條件對湖泊各能量分項的影響不同，凈輻射通量Q*和潛熱通量QE在三種天氣條件下的排序為：“理想”天>其他天>雨天，而顯熱通量QH在這三種天氣下的差異較小。降雨對QH的影響程度較小，而對QE的影響較大。

第三，季節(jié)對湖泊的能量分配產(chǎn)生顯著影響。在高溫高濕的夏季，蓄熱通量Qs的平均日累計占比最大（最高為74%），即湖面大部分凈輻射分配給了蓄熱；在涼爽干燥的冬季，QE占比最大（最高為93%），即湖泊的大部分能量輸入轉(zhuǎn)化為了潛熱。

圖表來源：

圖1-2：作者拍攝

圖3-8：作者繪制

表1-2：作者繪制