学术动态

工程中心团队成员在国际学术期刊Water Resources Research发表题为“Urban Surface Thermal Runoff Generation Mechanism and Scenario Simulation”的论文

第一作者： 罗毅教授

通讯作者：张扬（博士研究生），杨昆教授

成果简介

2023年4月10日，工程中心罗毅教授团队在Water Resources Research（IF:6.159）上发表题为“Urban Surface Thermal Runoff Generation Mechanism and Scenario Simulation”的论文。该论文结合流体力学、传热学，运用数值模拟方法建立了地表、地表-空气和地表-水之间的传热模型，阐明了真实条件下地表热负荷引起的地表径流加热过程，量化了各驱动因素对地表径流温度的贡献率。（Water Resources Research是美国地球物理学会（AGU）的王牌期刊，创刊于1965年，享有斐然的学术声誉及口碑。该期刊为中科院（地球科学）1区Top期刊。）

内容简介

引言

夏季降雨时，地表形成热径流，城市湖泊将成为地表径流的最终接收水体。加热的径流最终会流入湖中，导致湖泊表面水温突然增加。短期内，这一过程可能危及湖泊系统的养分循环和生产力，影响溶解氧浓度和蓝藻大量繁殖。从长远来看，LSWT的变化将改变湖泊的结构和数量。

图文导读

夏季，天气由晴天转降雨是地表热径流形成的条件之一。降雨前下垫面接收到太阳辐射传递的能量，随着降雨的持续进行，下垫面积累的热量通过热传导转移到地表径流中使其升温。因此，降雨前不同下垫面的热量积累是地表热径流升温的前提，晴天转降雨的天气条件为揭示降雨过程中下垫面径流的加热效应提供了良好的初始条件。探索太阳辐射下地表温度变化规律将为揭示地表径流温度的升高提供理论支撑。

本文利用热环境监测站在2020年7月26日早上6点至下午4点监测的混凝土和草坪时序温度数据与地表-空气传热模型中混凝土、草坪温度数值模拟结果进行对比，验证了模型的精度。

从地表-空气传热模型结果可以看出，4种下垫面的地表温度变化趋势基本一致。但由于下垫面物理参数不同，温度变化特性也不同。4个下垫面底部温度均大于初始温度但小于最高温度，表明随着深度的增加，环境因素对下垫面剖面温度的影响逐渐减弱。与其他表面类型相比，沥青和混凝土具有较低的比热容和较高的热导率，因此它们表现出更强的温度分层。然而，沥青较高的辐射吸收率使其温度高于其他表面类型。由于混凝土的导热率较高，混凝土的表面温度不如沥青高，下垫面导热率越高，从表面传递到更深层的热量就越多，从而使得表层温度上升不明显。透水砖的内部温度梯度不如沥青和混凝土大，这是由于透水砖的多孔特性会迅速蒸发并散发热量。草坪的温度梯度最不明显，因为草坪表面的浅色辐射吸收率低，同时，草坪是多孔的，含水量高，导热率低，使得草坪具有显着的蒸发降温效果，有效冷却地表及周围环境。

该研究将每个因子以增量形式进行输入作为模型的初始条件，并模拟计算地表径流温度数值，综合分析了城市气象条件、水文条件和常见下垫面类型对地表径流温度上升的贡献率和影响程度。

小结

在城镇化发展迅速的今天，不透水地表的扩张导致一系列环境生态问题。城市中的降雨形成地表径流将下垫面中大量的热量带入收纳水体，造成水生生态严重危害，同时对流域内生物多样性构成威胁。因此构建热径流温度模型并探究城市中地表径流温度的变化机制，可为城市规划管理部门提供水温预测数据，为治理城市环境提供一定的参考，具有一定的实际意义。

论文链接：10.1029/2022WR033881