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基于缩尺尺度外场实验的高密度城市热环境与能量平衡研究

缩尺尺度外场实验；温度日循环；储热；城市能量平衡

目前国内外关于高楼密集型城市地区的城市热环境和地表能量平衡实验研究还很少。本文通过SOMUCH实验平台，利用热电偶和开路协方差系统在缩尺尺度外场实验中研究了高楼密集型城市地区的城市热环境和地表能量平衡特征。实验场地位于广东省广州市中山大学东校区（23°4′N，113°23′E），实验时间从2017年10月到12月。理想城市模型由2900个水泥模型组成，每个水泥模型高1.2m，长0.5m，宽0.5m，厚度1.5cm，一共58行，50列。每个模型之间的距离即街道宽度为0.5m，故此理想三维城市街谷的高宽比为H/W=2.4，建筑密度为λ_p=0.25，迎风面积密度为λ_f=0.6。实验面积为2900m²，地面为不透水水泥地面，实验场地周围相对空旷，主导风向远离周围建筑，并且通过风洞实验评估了九个风向下周围建筑物的影响。大多数时候模型是中空的，为了提高城市储热，我们在2017年10月测量了建筑模型装满水的条件下的地表能量平衡特征。我们也在晴天和阴天之间进行实验对比，以分析城市地表能量平衡在各种天气条件下的不同特征。我们还通过热电偶在建筑物表面和建筑物模型内测量温度变化来计算建筑物表面热通量。

本文研究了建筑模型内外不同表面温度和空气温度的昼夜循环。太阳直接辐射是影响不同表面温度的关键参数，导致东墙和西墙温度峰值分别出现在上午和下午，南墙温度大于北墙。墙体高度和方向是影响墙体温度分布的两个重要因素。高楼密集的城市结构为垂直墙体的下层提供了明显的遮阳作用。在白天，所有四个方向的墙体温度的较高值都出现在上层高度，然后温度逐渐向下层高度下降。

我们用两种建筑模型（中空模型和加水模型）来研究城市储热对温度和湍流通量的影响。由于储热，加水模型的平均日温度范围（DTR）比中空模型（平均DTR=15.5℃）要小5.5℃。此外，在10:00~16:00之间，50%~60%的净辐射(Q*)被分配到加水模型的储热中，大约是中空模型的2倍。对于中空模型，显热和潜热通量之和（Q_H+Q_E）对Q*的大多数部分有贡献。天空条件在地表能量交换中起着重要作用。Q*和太阳辐射的昼夜变化在晴天只显示一个峰值，在阴天由于云层的影响，则更为复杂。在晴天，Q_H+Q_E和Q*几乎同时达到最大值，而在阴天，Q_H+Q_E比Q*晚几个小时达到最大值。平均反照率主要受太阳高度角和天空条件的影响，本文的平均反照率范围在0.21至0.23之间。