城市屋頂儲(chǔ)熱特征的觀測(cè)與分析

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1、萬方數(shù)據(jù)第29卷第6期20嘴年6月太陽能學(xué)報(bào)AcrAENERGIAESOIARISSIMCAV01．29。No．6Jull．，2008城市屋頂儲(chǔ)熱特征的觀測(cè)與分析王成剛1’2，孫鑒濘2，蔣維楣2(1．南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院。南京210044；2．南京大學(xué)大氣科學(xué)系，南京210093)摘要：利用2005～2006年夏、冬兩季南京城市邊界層外場(chǎng)試驗(yàn)中湍流通量觀測(cè)資料，對(duì)城市屋頂儲(chǔ)熱特征進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明：屋頂儲(chǔ)熱項(xiàng)在地表能量收支過程中的作用明顯大于感熱和潛熱。儲(chǔ)熱項(xiàng)與凈輻射的比值，在夏季白天為0．75，夜間為1

2、．20；冬季白天為O．80，夜間為o．95。并給出了夏、冬兩季屋頂儲(chǔ)熱項(xiàng)參數(shù)化方案0HM(objectiveHysteresisModel)的擬合系數(shù)，與相關(guān)研究結(jié)果比較表明，所得系數(shù)能較好地反映南京地區(qū)屋頂?shù)膬?chǔ)熱特征。關(guān)鍵詞：城市下墊面；屋頂儲(chǔ)熱；地表能量平衡；參數(shù)化方案中圖分類號(hào)：粥1l文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與觀測(cè)儀器城市化進(jìn)程對(duì)城市氣候，乃至區(qū)域氣候的影響越來越受到人們的關(guān)注，其中，城市熱島效應(yīng)(uHI)日益突顯，近年來我國(guó)很多城市在夏季都出現(xiàn)了40℃以上的高溫天氣，且高溫天氣出現(xiàn)的頻率及范圍呈遞增趨勢(shì)。

3、與此同時(shí)，居民用電量也明顯增長(zhǎng)，一些地區(qū)還出現(xiàn)拉閘限電及電荒等情況。城市區(qū)域硬地面積的增長(zhǎng)和綠地面積的大幅縮減是熱島形成的主要因素?。與自然下墊面相比，城市人為下墊面(建筑物，道路)的導(dǎo)熱率和熱容量明顯要大，表明城市下墊面對(duì)太陽能具有吸熱快、儲(chǔ)熱多的特性[20]。其中，建筑物屋頂?shù)膬?chǔ)熱特征最具城市代表性。相關(guān)研究表明【4]，在城市高密度建筑區(qū)，屋頂面積通常占城市總體面積的30％以上，而且屋頂所用建筑材料(水泥、瀝青)的熱力學(xué)性質(zhì)與城市道路接近，因此，城市屋頂熱力學(xué)特性的研究很大程度上代表了城市下墊面的熱力特性。本文利用

4、2005。2006年夏、冬兩季南京城市邊界層外場(chǎng)試驗(yàn)中湍流通量觀測(cè)資料，分析研究了城市屋頂儲(chǔ)熱特性，對(duì)屋頂儲(chǔ)熱(△p。)的收支過程進(jìn)行了討論，并給出了△Q。參數(shù)化方案及其擬合系數(shù)。這些結(jié)果對(duì)城市高溫的形成及建筑物節(jié)能等方面的研究提供了參考依據(jù)。1．1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地本次觀測(cè)試驗(yàn)分別于2005年7月17日。31日和2006年2月17日。3月10日兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行，共計(jì)36d。觀測(cè)地點(diǎn)位于南京市白下路市委黨校教學(xué)樓樓頂(32．04N，118．79E)，建筑物南北朝向，樓高21m，觀測(cè)場(chǎng)地為20m×10m灰白色水泥樓板，樓頂厚度約為30

5、cm。以觀測(cè)點(diǎn)為中心lkm范圍內(nèi)主要是居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，街道縱橫、建筑物密集、參差起伏，屬典型城市下墊面。1．2觀測(cè)儀器本文通過外場(chǎng)實(shí)測(cè)資料對(duì)城市屋頂?shù)膬?chǔ)熱特征進(jìn)行分析。其中，凈輻射(R。)、感熱通量密度(日)和潛熱通量密度(塒)分別由輻射和微氣象觀測(cè)儀器獲取。①輻射觀測(cè)儀器(Ⅺpp&‰en，ModelcNRl)安裝在距樓頂1．2m高度處，用于測(cè)量向上，向下的短波和長(zhǎng)波輻射；②微氣象觀測(cè)系統(tǒng)包括超聲風(fēng)速儀(cSAr乃)和二氧化碳／水汽脈動(dòng)分析儀(“7500)，分別用來測(cè)量三維脈動(dòng)風(fēng)速、虛溫和空氣中水汽，二氧化碳脈動(dòng)含量，

6、傳感器距離樓頂高度2．2m。這兩套觀測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量、采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算及存貯由cR5000采集器完成。數(shù)據(jù)采樣頻率為10Hz，并且每10Illin自動(dòng)生成一組平均值。收稿日期：2006-12．20通訊作者：王成剛，(19r78一)，講師、博士，主要從事大氣物理與大氣探測(cè)方面的研究。wcgnju@163．∞m萬方數(shù)據(jù)6期王成剛等：城市屋頂儲(chǔ)熱特征的觀測(cè)與分析2資料處理近年來渦度相關(guān)(EddvCorrelation，EC)方法被廣泛應(yīng)用于地表能量平衡的研究，如HUBD(，皿IFE，GAME，Tibet等大型觀測(cè)試驗(yàn)都采用了這一方

7、法，并取得了一些成果[5以1。但研究結(jié)果也表明，數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)分析結(jié)果有重要影響。本文在資料使用前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。首先，剔除降水時(shí)段內(nèi)的觀測(cè)資料，主要是降水粒子的垂直速度會(huì)干擾三維超聲風(fēng)速的探測(cè)；其次，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去野點(diǎn)、去趨勢(shì)及低頻修正[9“¨；此外，采用平面擬合(PlaIlarfit)法m1對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，使平均側(cè)風(fēng)和垂直風(fēng)速達(dá)到最小，并對(duì)水汽通量密度進(jìn)行了訂正。由于各感應(yīng)器安裝高度距離樓板很近，源區(qū)域較小，因此，認(rèn)為源區(qū)域即為樓頂平面。處理后的尺n日、皿資料取半小時(shí)一次平均，全天共48個(gè)時(shí)次。夏季可用

8、資料11d，冬季9d。其中，天空云系小于l／5的晴好天氣有9d，其余為多云天氣。3結(jié)果與分析3．1城市屋頂儲(chǔ)熱特征分析現(xiàn)階段，由于觀測(cè)方法與測(cè)量技術(shù)的限制，△Q．很難直接測(cè)得，通常由“余差法”計(jì)算H】，即(1)式：△Q。=尺。一日一皿(1)該式物理意義表明，地表獲取的凈輻射能量除了用于感熱釋放及潛熱釋放之外，其余能量都被儲(chǔ)熱項(xiàng)吸收