高反照率城市建筑对城市高温及人体健康的影响_王斌.pdf

第 42 卷第 6 期气象科学Vol 42，No62022 年 12 月Journal of the Meteorological SciencesDec，2022王斌，王咏薇，杨大虎高反照率城市建筑对城市高温及人体健康的影响气象科学，2022，42(6):754-768WANG Bin，WANG Yongwei，YANG DahuThe impact of high albedo urban buildings on urban high temperature and human healthJournal of the Meteorological Sciences，2022，42(6):754-768高反照率城市建筑对城市高温及人体健康的影响王斌王咏薇杨大虎(南京信息工程大学 大气环境中心/大气物理学院，南京 210044)摘要采用 WFv3.9.1 模式和多层城市冠层模型的 BEP/BEM 方案耦合，以江苏省 2017 年 7月 2028 日一次高温热浪过程为背景，研究了高反照率墙面、路面及屋顶对城市高温及人体健康的影响。研究结果表明:(1)与普通建筑物表面算例(CT)相比，城市中建筑物越高大密集的区域，降温幅度越明显。金融区白天时段(0719 时，北京时间)高反照率墙面算例(WALL)、高反照率路面算例(OAD)、高反照率屋顶算例(OOF)，以及全部使用高反照率表面的算例(ALL)2 m高气温白天平均降低 0.14、0.44、0.75、1.54;最大降温分别达 0.98、1.06、1.53、2.71。同时，WALL、OAD、OOF、ALL 算例可使得整个城市区域白天平均降温分别达到 0.14、0.43、0.64、1.26。(2)当城市采用高反照率表面材料，高温得到一定程度缓解时，对于人体舒适度及死亡率也存在一定的影响。在高温热浪期间相较于 CT 算例，13 时，ALL 算例在低密度住宅区、高密度住宅区、金融区的人体舒适度(THI)最大分别可降低 0.93、1.11、1.48;热相关急诊率和死亡率最大可降低 2.9%、4.8%、9.5%和 3.4%、5.6%、10.9%。关键词高反照率建筑;WF 模式;城市高温;人体健康分类号:X16doi:1012306/2021jms0082文献标识码:A收稿日期(eceived):2021-06-15;修改稿日期(evised):2021-09-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(41675016)通信作者(Corresponding author):王咏薇(WANG Yongwei)wyw nuisteducnThe impact of high albedo urban buildings on urban hightemperatureand human healthWANG BinWANG YongweiYANG Dahu(Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment，International Joint Laboratory on Climate and Environment Change(ILCEC)，School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)AbstractIn this paper，with the heatwave during July 20-28，2017 in Jiangsu Province as thebackground，a research was conducted on the influence of high-albedo walls，roads and roofs to urbanheat and human health through coupling of WF v3.9.1 mode and BEP/BEM scheme of multi-storyurban canopy model esults suggest:(1)compared with the ordinary cement calculation instance(CT)，the taller and denser the buildings in cities，the more significant the temperature reduction Theaverage temperature reduction at a height of 2 m in high-albedo wall calculation instance(WALL)，high-albedo road calculation instance(OAD)，high-albedo roof calculation instance(OOF)and all high-albedo surface(ALL)is 0.14，0.44，0.75 and 1.54 respectively at daytime(07 00 BST-19 00BST)in financial districts;and 0.98，1.06，1.53 and 2.71 at maximum respectively Meanwhile，the calculation instances of WALL，OAD，OOF and ALL will bring an average temperature reductionby 0.14，0.43，0.64 and 1.26 respectively in day time in the whole urban area(2)While theadoption of high-albedo surface materials alleviates heat to some extent，there are also certain influencesto humans comfort and death rate During a heatwave，compared with CT calculation instance，at1300 BST，ALL calculation instance lowers the Temperature Humidity Index(THI)by 0.93，1.11 and1.48 in low-density residential districts，high-density residential districts and financial districtsrespectively;the heat-related emergency treatment rate and death rate is reduced by 2.9%，4.8%，9.5%and 3.4%，5.6%，10.9%at maximum respectivelyKey wordshigh albedo architecture;WF mode;urban high temperature;human health引言高温热浪对能源经济收支1-3、生态环境系统4、劳动生产率5、人体健康6-7 等都存在广泛的影响，是近年天气气候领域热点研究的话题。当前全球气候变暖、城市化进程不断加快，高温热浪天气频发。高温天气对城市居民的健康产生直接影响7，引发热胁迫、中暑或高温导致的死亡8。如果平均温度上升 1，全球每年将有约 35 万人死亡9。随着全球气候变暖和城市热岛效应的加剧，高温热浪事件频发，并对人体健康产生严重影响，甚至导致死亡率上升10-13。为了缓解城市高温，科学家们做了一系列的研究。其中各种冷却屋顶等绿色建筑引起了极大的关注。冷却屋顶类型包括高反照率屋顶14-16、绿色植被屋顶17-18、太阳能屋顶19-21 以及一些新型建筑物材料22-24。高反照率表面屋顶相较于普通屋顶能够反射更多的太阳短波辐射，使得城市表面降温。Vahmani，et al14 在洛杉矶等大城市使用高反照率屋顶后发现，城市白天平均 2 m 气温降低了0.9。当全球铺设高反照率屋顶材料时，城市日最高气温可下降 0.6，日最低气温下降 0.316。绿色植被屋顶是利用植被的蒸腾作用减少释放到空气中的感热达到降温的目的。Sharma，etal17 发现绿色植被屋顶有助于降低城市感热减缓城市热岛并能有效节约冷却能源需求。太阳能屋顶则是通过直接吸收太阳辐射将其转化为电能，从而达到降温与节约能源的目的18-19。近年来，不少学者也致力于研究新型冷却屋顶材料。例如热致变色屋顶20，它能够根据屋顶表面温度动态调整反照率来影响屋顶的辐射收支，理论上冷却负荷可降低 6.59%，热负荷减少 5.87%。我国学者们运用数值模式模拟研究了这些冷却屋顶材料应用在北京17，21、上海22、重庆23、南京24-25 等大城市后的城市气候调节效应。结果表明，如果应用这些屋顶，能够有效降温，使得城市高温得到一定程度的缓解。但在实际建筑物的工程应用中，高反照率屋顶由于其更具有可操作性以及高降温效率等特性，目前使用最广泛。随着科技的发展，在新能源、材料学以及绿色建筑领域，科学家们研究发现冷却墙面及地面同样能够降低城市高温，缓解城市热岛。高反射率的外墙材料能够有效地控制墙面的温度，从而抑制建筑物室内温度的上升26。Moujaes，et al27 在拉斯维加斯建造了一幢墙面和屋顶反照率为 0.8 的高反照率住宅，模拟对比结果发现:反射墙体和屋顶的外表面比普通住宅的降低 33.6%的冷负荷，大大降低了空调使用率，实现了节能减排。也有研究表明提高沥青路面反射率，可以有效控制沥青路面温度升高28，最大降幅可达 15 以上29。然而高反射墙面材料以及地面材料运用到天气气候模式中，进行天气气候及局地热环境影响的研究还未开展。此外高温可对人类视觉和人体热舒适以及死亡率等产生显著影响30。在对 2003 年夏季欧洲的高温热浪事件研究中发现数万人因高温热浪死亡31。许遐祯等32 研究发现近 60 a 来，南京市高温热浪造成城市居民死亡率逐年增加，热相关死亡率最高达 20%。热浪期间的最低、平均和最高温度都和人群中暑及死亡有关33-34。但当前针对冷却城市建筑材料的研究多集中在局地气候环境，对于局地热环境改变之后人体健康的影响较少涉及。随着中国城市化进程不断加快，高反照率建筑材料由于其低碳节能的特性，预计在未来会有更广泛的应用前景。基于以上背景，本文通过中尺度区域模式(Weather esearch and Forecasting Model，WF)和多层城市冠层模型的 BEP/BEM 方案，评估了高反照率墙面、路面以及屋顶对于城市高温的缓解能力及人体健康方面的影响。预期为城市降碳节能规划、降温策略制定等提供理论支持。1研究方法11模拟区域及方案选择本文选取江苏省一次持续高温热浪过程(2017年 7 月 2028 日)作 为 模 拟 时 间 段。采 用5576 期王斌，等:高反照率城市建筑对城市高温及人体健康的影响WFv3.9.1 展开研究，模式使用了 3 重嵌套(图1a)，中心经纬度为(33.828N，118.992E)，从外层到内层的格点数分别为48/50、100/118 和193/208，分辨率依次为 27、9 和 3 km。最内层包含了江苏省全省以及周边地区。3 重嵌套的垂直层数设置为 43层，土壤层数为 4 层，1 km 以下共有 13 层。初边值条件为 6 h 一次的 NCEP 再分析资料。图 1b 展示了模拟区域下垫面土地类型，共将下垫面类型分为20 种，其中城市下垫面分为低密度住宅区、高密度住宅区和金融区三种。地形资料使用的是分辨率为 1 km 的 MODIS 数据，在最内层嵌套区域主要的下