复杂城市几何形态下城市冠层反照率的城市尺度三维辐射传输模拟

《Building and Environment》：City-scale 3D radiative transfer simulation of urban canopy albedo over complex urban geometry

　　

摘要
城市表面主要由低反照率、高热容量的材料构成，它们吸收了大量入射短波辐射，是导致城市过度升温的因素之一。降温、高反照率材料被广泛提出作为一种缓解措施，但在实际城市中，由于平面密度存在强烈的空间变化，仍不清楚应当优先处理哪些表面——屋顶、墙面还是地面。我们针对广州这一问题，利用三维蒙特卡洛光线追踪模型，在真实城市尺度上对约110万栋建筑物的短波辐射进行求解。我们首先表明，尽管城市冠层反照率随太阳高度角变化显著，但这种变化对每日反射短波能量的影响很小，从而为在单一代表性时刻进行高效的城市尺度模拟提供了依据。在城市尺度上，城市冠层反照率对高反照率材料的响应同时取决于所处理的表面类型和平面密度：随密度增加，屋顶增亮的效果越来越强，而墙面和地面增亮的效果则越来越弱。两种响应在平面密度约为0.4处交叉，低于该阈值时，处理墙面和地面可获得比处理屋顶更大的反照率增益，高于该阈值时，屋顶处理更为有效。由于所分析的绝大部分城市区域位于该阈值以下，在这些区域处理墙面和地面是更有效的策略，这表明基于反照率的缓解措施应当按表面类型和地方形态加以针对性部署，而不是统一应用。

引言
随着城市化的加速，城市经历了持续的空间扩张，同时城市建筑形态的复杂性不断增大。这些变化从根本上改变了城市下垫面，导致不透水材料广泛覆盖，并对城市热环境产生显著影响[1]，[2]。城市表面主要由低反照率、高热容量的材料构成，导致短波辐射吸收增加。这些表面的热学和辐射特性显著改变了城市环境中的短波能量传输过程，从而促成城市热岛效应的形成，即城市区域的温度高于其周边农村地区[3]。因此，极端城市高温的风险大幅上升。一项评估了全球13,115个城市的发现，1983年至2016年间全球城市人口暴露于极端高温的比例几乎增加了两倍[4]。

为缓解城市高温，人们提出了多种策略，包括增加水体[5]、增加城市植被[6]，[7]，以及应用高反照率材料[8]，[9]。其中，使用高反照率材料可减少城市表面对太阳辐射的吸收[10]，从而改变城市热环境。在此背景下，城市冠层反照率（）是一个关键参数，用于量化城市表面如何与入射太阳辐射相互作用并与大气交换能量。城市反照率也会随时间变化：卫星观测显示，1986年至2020年间其呈下降趋势[11]。

提高表面反照率是缓解城市高温的有效手段，但其效益在很大程度上取决于材料应用的位置和方式。提高表面反照率可减少城市表面对太阳能的吸收，导致表面温度降低，进而影响城市大气的热状况。数值实验的结果表明，改变城市表面的反射率对于改变城市反照率非常有效，尤其是与屋顶表面相关的改变[12]。实施冷屋顶可以改善室外热舒适性[8]，[13]，并降低城市气温、风速和平均辐射温度，同时提高相对湿度[14]。冷路面可以降低人行道表面温度[15]和年均表面气温[16]。除热环境外，冷材料还可以减少建筑物制冷能耗[15]，[17]。同样地，在热浪期间，对所有表面全面应用高反照率材料可使能耗需求最多降低5%[18]。在全球尺度上，Ouyang等人[19]报告称，城市化导致的反照率下降已经产生了可测量的增温效应，并预测在未来城市扩张情景下，若无缓解措施，这一效应将进一步加剧。然而，高反射材料也会带来不良副作用，包括眩光增强以及在行人高度增强太阳辐射的漫反射，可能损害行人的热舒适性。在城市街谷中，高反射表面可能通过增强对反射太阳辐射的暴露而增加行人的热应力[20]。单独提高墙面或地面任一反照率都会降低被处理表面的温度，但由于太阳辐射在城市街谷中的增强反射，可能会提高相对表面的温度[21]。

城市冠层反照率被定义为城市区域上反射短波辐射与入射短波辐射之比[22]。在城市环境中，建筑物之间的相互遮荫效应十分显著。人们通过缩尺实验和数值模拟研究了城市形态对城市反照率的影响。缩尺实验通常受实验设施和条件的限制，难以准确复现真实城市环境。虽然缩尺实验能够产生高质量的数据，但通常依赖于简化的标准化建筑模块，且在模拟尺度上受到限制[23]。类似地，传统数值模拟也受计算方法和资源的限制。基于辐射度的模型（如SOLENE）根据城市表面之间的视角因子计算城市反照率，捕捉建筑立面之间短波辐射的交换、吸收和多次反射[24]，[25]，但其计算成本随几何复杂度和表面面元数量的增加而迅速上升[26]。因此，视角因子方法往往需要简化，例如限制计算场景的复杂度（假定建筑高度一致[24]）、使用天视角因子进行简化计算[26]，或将模拟限制在理想化的城市几何形态中[27]。因此，这些方法难以表征真实城市的完整三维几何结构，从而限制了其在城市尺度上分辨冷材料在不同表面类型上表现的能力。

城市形态在建筑之间的对流和辐射热交换中起关键作用[28]，并通过辐射的多次反射和城市表面间的遮荫效应影响城市冠层反照率层[29]。它还影响室外热舒适性。关于广州骑楼街的研究发现，建筑形态在塑造热环境方面起着关键作用，而连续的骑楼走廊可以提高行人降温效率并改善炎热潮湿岭南地区的室外热舒适性[30]，[31]。研究发现，冷材料对城市反照率的影响随建筑密度而变化。在缩尺实验中，冷屋顶涂料使白天平均城市反照率从0.16提高到0.26（在 情况下），从0.19提高到0.34（在 情况下），表明在更密集的城市格局中反照率响应更强[32]。在不同建筑密度条件下，应用于水平面（屋顶和地面）与垂直面（立面）的反射材料的冷却效果存在差异[33]。城市反照率在中密度条件下达到最低值，此时太阳辐射的吸收最大[26]，[27]，而空中观测也发现，建筑覆盖率更高、街谷宽高比更大的区域城市反照率更低[34]。街谷宽高比在控制城市街谷反照率方面起关键作用[35]，并影响反照率增强策略在不同城市表面上的有效性[36]。值得注意的是，城市街谷反照率代表局限于街谷内的辐射过程，不包含屋顶贡献，而城市冠层反照率则涵盖整个城市系统，为评估城市辐射行为提供了更全面的指标。虽然这些研究已表明建筑密度和表面类型都很重要，但冷材料的按表面特性表现在由多样建筑形态构成的城市尺度城市景观中随密度如何变化，尚未得到量化。

在以往的工作中，我们使用了采用蒙特卡洛光线追踪（MCRT）方法的PyUray模型，研究了城市冠层内的辐射过程，发现城市形态参数对各类城市表面上的辐射吸收有不同的影响[29]。MCRT方法追踪大量光线，通过显式分辨遮荫、多次反射和辐射俘获效应，能够准确表征复杂三维城市环境中的辐射传输。而基于辐射度的方法则利用城市表面之间的视角因子计算辐射交换，其视角因子计算量随几何复杂度和表面元数量急剧增加。MCRT方法可以利用大规模GPU并行化，以高计算效率模拟大量光子轨迹。其与GPU并行计算的兼容性使其特别适合PyUray模型中的高分辨率城市模拟。

本研究探讨城市冠层反照率在城市尺度上如何响应表面反照率修改，以及这些响应如何随当地建筑密度变化。我们进行了一系列受控的反照率情景，将代表性材料反照率分别应用于屋顶、墙面和地面，或应用于所有表面。随后使用PyUray模型模拟这些情景下的城市冠层反照率，从而评估不同表面反照率修改策略的辐射有效性。我们发现，最有效的表面取决于平面密度，在 附近发生反转，因此在低密度区域和紧凑城市中心之间，部署优先次序不同。在此，PyUray充当的是使这种按表面与密度分辨的比较在真实城市尺度上得以实现的工具，而不是它本身就是研究的贡献。

章节摘要
方法学
城市冠层反照率模拟的总体工作流程如图1所示。首先，我们从建筑足迹和高度数据集中重建三维建筑模型。其次，我们从Python包pvlib[37]中收集太阳数据，包括太阳角度、直接和漫射太阳辐射。这两类数据作为PyUray模型的输入。第三，我们分析太阳高度角对城市冠层反照率的影响，以量化其对太阳能的作用。最后，我们执行PyUray
太阳高度角对城市冠层反照率和能量收支的影响
太阳高度角对材料反照率有显著影响，在太阳角度较低时尤为明显。本节考察在估算每日太阳能吸收时是否可以忽略太阳高度角的影响。为此，我们对四个代表性城市区域进行2024年整年的模拟，采用七种表面反照率配置，量化白天城市冠层反照率（）及其对太阳高度角的依赖关系。

高反照率材料在城市尺度上对城市冠层反照率的影响
第3节表明，尽管城市冠层反照率随太阳高度角变化，但规定一个固定的代表性反照率对每日反射短波辐射仅引入很小的误差。因此，无需解析完整的昼夜循环即可近似每日能量收支，这也是在整个城市上实现计算可行的关键。对四个代表性城区进行的全年模拟表明，城市冠层反照率呈现

结论
本研究考察了在真实城市中应当何处部署冷材料以提高其总反照率，从而评估其对城市辐射环境的潜在影响。我们使用GPU并行的蒙特卡洛光线追踪模型，模拟了广州约110万栋建筑物的三维短波辐射传输，并量化了屋顶、墙面和地面表面对城市尺度反照率收支的贡献。

模拟结果显示，太阳高度角强烈

CRediT作者贡献声明
Liangxin Tong：撰写——初稿、可视化、方法学、调查。Jiang-Tao Hu：撰写——审阅与编辑、软件、方法学。Shiyi Hu：方法学、调查。Shuo-Jun Mei：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。Ting Sun：撰写——审阅与编辑、监督、调查、概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能被认为会影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到了2023年海外博士后人才项目，中国（资助编号：BH2023009）、国家自然科学基金委员会（资助编号：42305076和U2442212）以及广东省自然科学基金（资助编号：2024A1515010173）的支持。Shuo-Jun Mei博士和Ting Sun博士得到了英国皇家学会（资助编号：IECNSFC242040）和（资助编号：W2421048）的国际交流资助。

Liangxin Tong|Jiang-Tao Hu|Shiyi Hu|Shuo-Jun Mei|Ting Sun
中山大学大气科学学院，中国珠海