超越表面冷却：亚利桑那州菲尼克斯市反射性路面热性能的全面实地评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Beyond Surface Cooling: Comprehensive Field Assessment of Reflective Pavement Thermal Performance in Phoenix, Arizona

反射路面在凤凰城的应用研究表明其地表温度较沥青降低3-4℃，但白天辐射温度升高2.4-3.0℃，导致行人热暴露增加，夜间有轻微降温。研究结合多维度监测发现反射路面在地下温度调控和结构耐久性方面效果显著，但需平衡辐射热增与地表降温的时空差异。

　　

帕克·金（Parker King）|詹妮弗·瓦诺斯（Jennifer Vanos）|扎卡里·范·托尔（Zachary Van Tol）|何塞·坎皮略（Jose Campillo）|阿里安·米德尔（Ariane Middel）

美国亚利桑那州坦佩市亚利桑那州立大学（Arizona State University, Tempe, Arizona, UNITED STATES）

摘要

反射性铺装（RP）作为一种缓解城市高温的策略已经出现，然而目前关于RP对地表及其上下层的热性能和辐射特性的实证研究非常有限。本研究在亚利桑那州菲尼克斯市评估了新型RP与周边传统沥青铺装的热性能差异，采用了一种混合方法和多领域分析手段，结合了住宅区和非住宅区的现场空气温度、地下温度以及辐射温度的监测数据。我们使用高端平均辐射温度（TMRT）测量车（MaRTy）进行了移动和固定位置的生物气象学观测，部署了高精度垂直空气温度（Tair）传感器来测量近地表温度梯度（0.5–2.0米），监测了长期地下温度和表面磨损情况，并评估了不同铺装类型的紫外线辐射水平。结果显示，与沥青相比，RP可使地表温度平均降低3.0°C。近地表温度差异较小，中午和下午16点时平均低0.2–0.3°C，日落后的2米高度处降温效果最为显著（约0.35°C）。地下温度测量显示，在夏季月份，7.6厘米深度处的日最高温度平均降低了约3–4°C。然而，RP在中午时的平均辐射温度（TMRT）比沥青高出2.4–3.0°C，这引发了对于高人流区域行人热暴露的担忧。RP的紫外线反射率与混凝土相当，略低于沥青。这些发现突显了RP作为一种热缓解工具的利弊：虽然它具有潜在的地下和结构优势，但同时也增加了行人的辐射热负荷。

引言

城市占据了全球超过一半的人口、67–72%的温室气体排放量以及67–76%的能源消耗，预计这些数字在未来几十年内还会继续增加（1,2）。这种城市化趋势通过人为热源（如汽车、空调废热等）与建筑环境内的热交换（传导和对流）相互作用，加剧了城市内部的热量变化和夜间温度升高（3,4）。理解城市过热现象对城市（尤其是沙漠城市）越来越重要，因为强烈的太阳辐射、低反照率的铺装和建筑物的普遍使用、缺乏植被以及有限的蒸发冷却作用会导致极端的地表和空气温度、更高的室内冷却负荷以及增加的人类热应力（[6], [7], [8]）。高温暴露模式也对公共卫生产生影响，对弱势群体（如无法获得适当冷却设施的人、老年人或有健康问题的人）构成更大风险（[9–11]）。

几种热缓解措施已在社区和街道层面显示出有效性。绿化空间、水体、遮阳设施和城市树木冠层的实施已被证明可以有效减少城市过热（[16], [17], [18]）。此外，通过推广公共交通和步行出行方式以及用更环保的铺装材料替代传统铺装，有助于平衡城市能源预算。然而，在炎热干燥的城市中引入植被需要精心设计和持续维护，选择适应沙漠环境的低用水量植物以最大化冷却效果和生态效益（21,22）。

一种相对较新的热缓解策略主要由地方决策者控制，涉及铺装材料的替代方案，特别是反射性铺装（RP）（23,24）。RP涂层可以附着在现有的沥青混凝土（AC）上，这项技术已在屋顶和路面铺装中得到应用（25, [26], [27]）。在道路表面，RP通过提高反照率来降低表面温度，将更多的入射辐射反射出去（28,29），通常安装后的反射率约为38%，而传统沥青的反射率仅为12%。随着城市继续寻找可行的快速解决方案来应对城市过热问题，一系列实验室、现场和模拟研究表明RP在影响空气和表面温度、耐久性等方面具有独特潜力（26,30）。

许多城市气候研究（包括观测和建模）通过地表温度（T_surf）和空气温度（T_air）等指标量化了RP的冷却效果（[31], [32], [33], [34], [35]）。最近的观测工作还通过测量总人体热负荷并考虑辐射暴露来评估RP的影响（24,32,36），这需要量化平均辐射温度（T_MRT）。T_MRT是一个衡量人体接收到的短波和长波辐射总和的热指标（37,38）。由于RP反射了更多入射的太阳辐射，行人在RP表面行走时所承受的热应力在中午甚至清晨都会加剧（39,36）。总体而言，在炎热干燥的气候条件下，检查T_MRT尤为重要，因为RP在这些条件下具有最高的性能潜力，T_MRT是评估人类热应力和风险的重要指标（40）。

菲尼克斯市于2020年开始在八个战略试点地点对沥青混凝土进行RP涂层处理（“Cool Pavement Pilot Program的第一阶段”）。他们使用了由Guard Top by Sustainable Emulsions公司制造和应用的基于水的沥青乳液密封剂产品“CoolSeal”。CoolSeal是一种基于水的沥青乳液密封剂，旨在附着在现有沥青混凝土表面，并含有浅色矿物填充物和反射性颜料，以提高太阳反射率。试点结果显示，与传统沥青相比，RP在中午时的地表温度降低了8.4°C（24）。从日出到日落四个时间段内，2米高度处的空气温度降低效果可以忽略不计或不存在。RP在中午和下午的辐射温度（T_MRT）较高（最高高出5.1°C），但日落后观察到的冷却效果较小（0.5-1.3°C）。研究提出了针对炎热、阳光充足（年云量低）的中低纬度城市以及大型道路/停车场表面的应用建议，并呼吁进行长期研究以探讨RP延长铺装寿命的潜力。

本研究在第一步的基础上扩展了方法论，进一步评估了RP在更大范围内的性能和可行性，特别关注RP对空气温度（T_air）的影响。通过详细评估住宅区和非住宅区中RP与传统沥青的应用情况，并结合现场观测数据，我们的目标是：1）基于地下温度（T_sub）、空气温度（T_air和平均辐射温度（T_MRT），考察RP的局部热缓解效果；2）测量RP与常见城市表面之间的紫外线（UV）水平。这种方法提供了关于微气候响应的实证见解，并通过结合固定和移动设备进行的垂直空气温度测量以及住宅区和非住宅区的现场紫外线测量，首次实现了近地表温度梯度的解析。

方法部分

为了评估菲尼克斯市RP的多维度热性能，我们设计了一项涵盖住宅区和非住宅区的综合现场研究（图1）。该方法结合了现场微气候监测和耐久性评估，以捕捉短期热效应。我们使用MaRTy测量车进行了移动和固定位置的生物气象学观测，以测量T_MRT，并部署了一种新型垂直传感器阵列来量化四个高度处的近地表空气温度梯度

平均辐射温度（住宅区）

在日落前后的采样窗口期间，观察到RP表面有轻微的冷却效果（T_MRT降低0.2°C（图4）。白天，RP表面的辐射负荷较高，中午时为1.16°C，下午为1.93°C。这一发现与菲尼克斯市第一阶段的研究结果一致，该研究指出，入射辐射更有可能被反射而不是被表面吸收并在白天和夜晚以长波辐射的形式重新发射。

空气温度

讨论

本研究基于菲尼克斯市Cool Pavement Pilot Program的先前工作，扩展了对RP应用的空间和方法论评估范围（46）。研究结果证实并扩展了关于RP效益和利弊的早期结论，特别是在炎热干燥的城市环境中。具体来说，虽然RP在地下和表面降温方面表现出一致性，但其降低空气温度的能力仍然有限。

结论

本研究全面评估了RP在菲尼克斯市住宅区和非住宅区的性能，涵盖了住宅、非住宅和实验室环境。结果详细揭示了RP作为热缓解策略的优势和局限性，展示了其在空间和时间尺度上的影响。

反射性铺装与传统沥青相比，在表面和地下均表现出一致的降温效果

未引用的参考文献

([9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [19,20,41)

CRediT作者贡献声明

帕克·金（Parker King）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、数据分析。詹妮弗·瓦诺斯（Jennifer Vanos）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论设计、研究实施、资金筹措、概念构思。扎卡里·范·托尔（Zachary Van Tol）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、研究实施、数据分析。何塞·坎皮略（Jose Campillo）：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、研究实施、数据分析。