城市模型反射率测量方法与运用

谭康豪 覃英宏　苏益声 梁槚 庞如月

摘要：介绍了一种测试城市模型反射率的试验方法。制作10个条形和十字形的城市模型进行测试，观测路面不同反射率对城市反射率的影响，并将实测模型反射率与ASTM E191806规范计算结果进行对比。研究发现：瞬时太阳辐射强度变化值在规范允许范围内，模型计算的反射率与ASTM E191806测量值的误差在0～0.1之间。当峡谷纵横比（建筑物高度与路面宽度之比）为10时，路面反射率从0.15提高到0.65，城市峡谷反射率增幅在0～0.30之间；提高路面反射率并不能有效提高城市峡谷反射率，尤其是纵横比较大的深峡谷。城市峡谷中的多重反射抑制城市反射率的提高。同时，反射路面将给行人增加额外的辐射通量，可能带来热不适感和眩光刺眼等问题。因此，应谨慎看待反射路面作为一个缓解城市热岛效应策略。

关键词：城市峡谷；热岛效应；多重反射；反射率；纵横比；反射路面

中图分类号：TU761

文献标志码：A 文章编号：16744764（2016）02011107

Abstract： A new method of measuring the albedo of urban prototype is proposed. The method is used to measure ten urban prototypes with different pavement reflectivity and with southnorth orientation， westeast orientation and crossstreet orientation， respectively. The results are compared with those obtained by the ASTM E191806 and the modified ASTM E191806. It is found that when the variation of the incident solar intensity is less than 20 W/m2 （a tolerant error stated by ASTM E1918A）， the ASTM E191806 can either underestimate or overestimate the albedo of the urban canyon prototype up to 0.10. For an urban canyon （UC） with an aspect ratio of 1.0， an change from 0.15 to 0.65 of pavement albedo would cause an increase of the albedo of the UC from about 0.15 to 0.35 if the albedo of the roof and wall is about 0.40. Raising the albedo of the pavement in a UC is not an effective way to increase the albedo of the urban area， especially for UC with great aspect ratio. For low aspect ratio UC， raising the albedo of the pavement or of the parking lot introduces a sizable additional diffuse reflected radiation to the pedestrians. Therefore， it should be cautious to developing reflective pavements as an urban cooling strategy.

Keywords：urban canyon； urban heat island； multiple reflection； albedo； aspect ratio； reflective pavement

城市结构单元一般包括建筑墙体、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“城市街道峡谷”（Urban canyon）。城镇化的进程使得城市下垫面发生重大改变，以前的透水性地面被不透水性地面所取代，由于干燥致密的混凝土路面无法进行有效地蒸发降温，存储于城市下垫面的热量只能以湿热的形式散失到城市环境中。城市热岛效应的成因与许多因素有关，其中最根本的诱因来自太阳直接辐射。由于太阳辐射为不可控因素，控制城市峡谷的热吸收量很大程度依赖于整个城市峡谷反射率的改变。

目前，许多学者对城市峡谷反射率进行了广泛研究。Aida等[12] 在不同季节测量不同城市峡谷走向的反射率，结果表明，城市峡谷反射率随时间而变化，且不同峡谷走向差异明显。Pawlak[3]经过试验和数值计算也指出城市峡谷反射率是关于时间的函数。覃英宏等[4]采用数值模型研究反射路面对城市峡谷反射率的影响发现：在街道纵横比小于1.0时，采用反射路面能有效降低路面温度。陈志等[5]通过实验和数值模拟的方法也证明了高反射率的外墙材料能有效地控制墙面的温度，从而控制建筑物室内温度。上述研究均已表明了反射材料可以有效地减少城市建筑物和地表对太阳辐射的吸收。然而，这些研究只是单方面基于平坦建筑墙面和路面温度观测，没能从城市太阳辐射吸收量角度研究降低城市热岛的工程措施，太阳辐射可能在城市峡谷中形成的多重反射后吸收更多的热量，通过提高城市路面和墙体反射率能否有效提高整个城市反射率尚未证实。

本文将以此为出发点，介绍一种用于测试城市模型反射率的理论模型和相关试验方法，将影响路面温度的最大因素（即反射率）作为重点分析对象，探讨了路面反射率对整个城市峡谷反射率的影响，旨在了解一个城市结构的反射机理，通过提升城市反射率以降低城市太阳辐射吸收，达到减轻城市热岛效应的目的。

1 理论模型

2 实验方法

城市反射率依赖于峡谷纵横比、墙体和路面反射率、太阳位置及城市峡谷走向等因素。现实中城市峡谷两侧建筑物的形状、布局等非常复杂，为简化城市峡谷模型，试验设计峡谷纵横比为1.0，根据道路分布分别制作条型和十字型城市峡谷各5个。所有峡谷模型（除黑色模型外）的墙体和屋顶均涂布同一颜色的涂料。为探讨不同路面反射率对城市峡谷反射率的影响，在城市峡谷路面分别涂布不同反射率的涂料，其中2个城市模型（条型和十字型）的路面反射率与墙体和屋顶相同。利用Lambda750分光光度计测量5种涂料的反射光谱（见图2），运用ASTM标准入射光谱求和。其反射率分别为0148、0.271、0.417、0.535、0.654。同样，白板、黑板和黑色涂料的反射率可利用Lambda750分光光度计测量，如图3所示，ρw =0.692，ρb =0.048。

实验在广西大学东校园某混凝土路面 （22.82° N， 108.32° E）进行，从当地时间7：00开始，17：00结束。试验装置如图4所示。测量目标区域的反射率具体步骤中如下：

1） 调节仪器高度距离地面为0.5 m，调平气泡居中，在地面上画出1 m×1 m作为目标区域；

2） 保持反射仪位置不变，在反射仪正下方目标区域的位置安放白板，读取反射量Iw和入射量Ihw；

3） 保持反射仪位置不变，在目标区域用黑板替换白板，读取反射量Ib和入射量Ihb；

4） 保持反射仪位置不变，在目标区域用黑色模型替换黑板，读取反射量Icb和入射量Ihcb；

5） 保持反射仪位置不变，在目标区域用目标模型替换黑色模型，读取反射量Ic和入射量Ihc；

6） 重复步骤2）～步骤5），依次测量南北方向、东西方向和十字形方向的城市峡谷模型的反射量I和入射量Ih。

利用式（6）、（9）、（10）分别计算城市模型的反射率并进行比较，分析它们之间的误差（见图5）。结果发现修正的ASTM E191806中式（9）略高于本文式（5）结果。这是因为边缘凸起的部分的遮挡作用，导致视角因子增大吸收更多面发生较多的阴影；式（10）的计算结果既可高于也可低于式（5），原因可能来自ASTM E191806方法假设在实验过程中入射的太阳辐射量为恒定值，实验过程中某一时刻的太阳辐射强度随云层移动变化势可高于或低于太阳辐射强度的平均值，故其方差出现明显波动。此外，通过上述对比发现，即使在试验过程中采用ASTM E191806规范的限制条件，式（9）计算的反射率也同样引起0～0.1的误差。因此，测量城市模型的反射率时应谨慎直接使用公式ASTM E191806方法。

3.2 对比分析不同路面城市反射率

图6比较了3种不同城市峡谷走向的反射率。不难发现：城市峡谷反射率随太阳位置的变化而变化，且不同峡谷形状差异明显。当太阳入射角较小时（早晨时分），散射辐射占主导作用，散射辐射能照射到整个城市峡谷的每个角落，加重峡谷内的多重反射，降低其反射率。随着太阳入射角的增大，直接辐射占主导作用，峡谷中仅有少部分面积被直接照射，并发生多重反射。正午时分，太阳辐射大部分照射在路面上，相对于两侧墙体，路面的天空视角因子最小，因此，正午的城市反射率降到最低值。

由图6可见，城市峡谷反射率随着路面反射率的增大而增大。与条型峡谷相比，十字形峡谷的反射率提高幅度更加明显。这是因为十字形峡谷比条形峡谷多出约一倍的路面面积，减弱了峡谷的多重反射，更多的太阳辐射“逃逸”到天空。增加了路面反射作用。然而，路面反射率的增大却不能有效提高城市峡谷的反射率，在屋顶和墙体的反射率相同条件下（ρ=0.417），所有的城市模型反射率均低于0.4，即使把路面的反射率提高至0.652。其原因在于太阳辐射在峡谷中发生多重反射减少了返回向天空扩散的辐射，从而抑制城市峡谷反射率的有效提高。

图7表示城市峡谷日平均反射率与路面反射率间的关系。可以看出，当路面反射率低于屋顶和墙体的反射率时，十字形城市峡谷模型反射率低于条形峡谷模型反射率，且这种差异随路面反射率的增大而减小；当路面反射率大于屋顶和墙体的反射率时，十字形城市峡谷模型反射率略高于条形峡谷模型反射率。究其原因在于十字形模型多出的路面面积对城市峡谷模型反射率的贡献在路面的反射率较高时才得以体现。对条形模型而言，南北走向和东西走向的日平均城市峡谷反射率变化规律几乎一致。但当路面反射率较高时，东西走向的峡谷反射率高于南北走向；路面反射率较低时则相反。这是因为在测量时太阳位置变化有关，东西走向的模型有可能比南北走向吸收更多的太阳光。在高（低）反射路面作用下，造成东西走向的城市反射率上升（下降）。

3.3 模型反射率的运用和实践

城市热岛效应与城市下垫面性质的改变有关。传统的混凝土路面，不仅颜色深且表面粗糙，对太阳辐射的吸收率较大。城市路面白天吸收的热辐射晚间以长波辐射的形式散失到周围环境中，增加城市近地面的温度，加剧城市热岛。目前，采用高反射路面冷却技术缓解城市热岛效应措施成为科研工作者研究的热点问题。高反射路面冷却技术是指通过涂覆于道路表面的，对太阳辐射能量具有较高反射率和发射率的涂层材料，“主动”减少路面对太阳辐射吸收，不需要消耗能量就可以抑制温度上升的热反射隔热技术。但如果由路面反射的辐射量被周围的环境吸收而不是逃逸到天空，则其降温效果就大打折扣。

事实上，评估反射路面的降温效果的指标不仅仅看温度指标，还要综合考虑城市反射率、眩光效果、邻近建筑物的额外热量吸收等因素。浅峡谷可能会带来其他方面的问题。比如增加行人对路面反射的太阳辐射的吸收。根据覃英宏[4]的研究结果可知：当峡谷纵横比为1、路面反射率从0.15提高到0.50时，路面对周围环境所产生额外辐射量约为50～80 W/m2。如图8所示，假设认为某行人站立在一个无限大的停车场中间，以中午时分的辐射通量作为行人所获得的辐射量。通过改变路面反射率观察道路表面温度变化，拟合出路面最高温度和反射率的回归拟合分析方程，则：

4 结 论

提出了测量城市反射率的理论和实践，并将之与ASTM E191806规范比较，得到如下结论：

1） 当入射强度变化范围小于20 W/m2时，对比本文计算方法与ASTM E191806规范发现，两者的差值在0～0.1，本质区别在于对太阳辐射强度的选取。天空清晰度不明朗时，建议选用本文计算方法。此外，由于边缘凸起效应，在测量此类曲面反射率不能忽视视角因子的影响。

2） 当街道高宽比为1.0时，在屋顶和墙体的反射率相同条件下（ρ=0.417），路面反射率从0.15提高至0.65，城市峡谷反射率从0.15升高至0.35。提高路面反射率并不能有效提高城市峡谷反射率，尤其是纵横比越大的深峡谷，是因为峡谷中的多重反射严重地抑制了城市反射率的提高。

3） 尽管在高宽比较低的街道采用反射路面，将给行人增加了一个相当大的额外辐射通量并且带来热不适感和眩光刺眼等问题。因此，应谨慎看待反射路面作为缓解城市热岛效应策略。

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（编辑 胡 玲）