城市热岛效应之“白屋顶”研究
1 引言
在近地面等温线图上，郊区气温相对较低，而市区则形成一个明显的高温区，如同露出水面的岛屿，被形象地称之为“城市热岛”。城市热岛中心，气温一般比周围郊区1°读左右，最高可达6°以上。
图1 城市热岛效应示意图
城市热岛效应的形成主要有以下原因：
(1) 城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏油路面和各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性。这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面如绿地、水面等升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面。
(2) 人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料，每天都在向外排放大量的热量。
(3) 城市里中绿地、林木和水体的减少。随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。
(4) 城市中的大气污染。城市中的机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些物质会吸收下垫面热辐射，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。
预防、降低城市热岛效应的方法有多种，建筑物淡色化以增加热量的反射就是一种简单、有效的方法，其中以“白屋顶”计划最为著名。
早期的屋顶采用焦油涂层材料制成，目的在于防水。在冬季，黑色屋顶可以增加热量，对建筑物来说不是坏事。但在其它季节特别是夏季，黑色的屋顶也加重了城市的热岛效应。
为此，纽约哥伦比亚大学的斯图尔特加芬(Stuart Gaffin)开展了一项关于屋顶颜色对温度影响的研究。他发现，白色屋顶可以降低城市的热岛效应。
2011年7月22日，遭遇热浪袭击的纽约城市用电量突破纪录。研究显示：在这最热的一天中，纽约市一些深色的、具有吸光表面的传统屋顶的测量温度达到了170华氏度(约76.7摄氏度)；而一种白色屋面材料，其测量温度相对要低大约42华氏度(23.3摄氏度)。
图2“白屋顶”计划示意图
加芬的研究表明，在2011年整个夏季，这种白色屋顶的温度峰值比典型的黑色屋顶平均降低了43华氏度(23.9摄氏度)，这是第一个白色屋顶可以减少城市热岛效应的科学结论。相关研究论文已发表在2012年3月7日《环境研究快报》网络版上。
但是，对于“白屋顶”计划也有一些反对意见。
斯坦福大学土木与环境工程学教授马克.雅各布森声称通过计算机模拟显示：白屋顶实际上并不能冷却城市地表，相反会导致全球变暖。原因在于：白屋顶提高了空气稳定性，使云量减少，而云量的减少会导致更多的阳光照射到地面。
导致热岛效应的原因众多，人们也先后提出了研究热岛效应的多种方法，大致可分为气象资料分析法、布点观测法、遥感法和数学模型模拟法等。
根据题意，本文选用建筑群热时间常数(Cluster Thermal Time Constant，CTTC)模型，从黑白屋顶对阳光的吸收和对空辐射的差异角度，对“白屋顶”计划对降低城市热岛效应方面的作用进行了一些研究。
2 数学模型的建立
以色列环境学家H. Swaid 和M. E. Hoffman在研究太阳辐射所引起的温升效果时，将建筑群简化成为周期性起伏的“城市峡谷”，提出了所谓CTTC模型，即把特定地点的温度视为几个单独因素作用的叠加
表1各时段太阳辐射模拟数据
时刻 | 6:00 | 7:00 | 8:00 | 9:00 | 10:00 | 11:00 |
辐射强度 | 213.6 | 417.7 | 607.9 | 771.3 | 896.7 | 975.5 |
12:00 | 13:00 | 14:00 | 15:00 | 16:00 | 17:00 | 18:00 |
1002.4 | 975.5 | 896.7 | 771.3 | 607.9 | 417.7 | 213.6 |
