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https://www.nature.com/articles/s44284-024-00137-2
在城市环境中广泛采用屋顶光伏太阳能电池板（RPVSP，Rooftop photovoltaic solar panels）是一种很有前景的可再生能源解决方案，但也可能对城市温度产生意想不到的影响。这主要是由于太阳能电池板的反照率较低，导致吸热增加，并增强了电池板与屋顶表面之间的热对流。
研究表明，在加尔各答，在全市范围内安装这些屋顶光伏太阳能电池板可使白天气温最高升高
1.5 °C
，并可能使夜间气温最高降低
0.6 °C
。研究还显示，屋顶光伏太阳能电池板会显著改变城市地表能量预算、近地面气象场、城市边界层动力学和海风环流。与悉尼、奥斯汀、雅典和布鲁塞尔等城市的比较分析支持这些发现，为决策者管理大规模太阳能电池板安装提供了宝贵的见解。了解这些影响对于平衡可再生能源的益处及其对城市气候的潜在影响至关重要。
本文的研究重点是最新的天气研究和预报（WRF）模式集成多层城市方案，如建筑物能量模型（BEM）加上建筑物效应参数化（BEP），即WRF/BEP + BEM，特别是在热带城市的降温能力。该模型准确地捕获了RPVSP（屋顶光伏太阳能电池板，Rooftop photovoltaic solar panels）的能量平衡，这是以前研究中忽略的一个方面。
为了解决这个问题，研究团队根据实验验证的模型验证了WRF/BEP + BEM模拟的RPVSP表面温度。在城市范围内评估RPVSP对于可持续能源解决方案至关重要，因为它评估了对城市小气候和能源消费模式的更广泛影响。通过全市范围的实施方案和模拟研究，研究团队建议提高RPVSP的效率，这可能会导致对流热产生的减少。这一点至关重要，因为在标准测试条件（25 °C）之上每升高1°C，RPVSP的效率就会降低约0.5-0.8%。
综合评估包括表面能量收支、近地面气象场、边界层动力学和海风环流等参数。研究结果可以为政策讨论提供信息，并导致重新设计城市实施RPVSP的政策。通过解决过热问题和倡导先进的RPVSP技术和高效的冷却策略，研究团队目的旨在促进可持续的城市发展实践，并提高对RPVSP部署的更广泛影响的理解。
图1：WRF/BEP + BEM框架内的RPVSP设计
在城市规模部署
的
RPVSP导致的变化，来自城市表面的Q敏感。下图的显著增长主要归因于RPVSP的低吸收值，导致太阳能吸收放大，主要以显热形式排放，而不是转化为可用电力。在清晨和夜间，在Q敏感的微小波动进行了观察，揭示了复杂的相互作用的RPVSPs与城市热环境。
为评估广泛铺设的遥控自来水装置对区内的影响，研究人员对多项大气参数进行了研究，包括2米高度的环境空气温度、市区表面温度、2米高度的相对湿度和10米高度的风速对城市区域空间平均值的分析表明，对于对照情况，峰值2 m环境空气温度（T环境温度）在14：00 LT时约为42.8 °C，而最低温度在01：00 LT时约为30.8 °C。同样，城市区域的最大T表面在14：00 LT时约为47 °C，最低温度在01：00 LT时约为34.8 °C。这些温度波动反映了热带沿海城市环境中强热浪期间的典型条件。RPVSP的采用引起了能量平衡的变化，显著影响了城市空气温度。
此外，研究显示在H相对的变化的影响，大气稳定性的改变，引起的修改后的能量平衡，由于RPVSP部署。此外，在W速度的变化的影响，在表面温度的变化和随后的变化引起的RPVSP部署的边界层混合。这些发现强调了评估RPVSP对城市小气候影响的重要性，特别是在炎热和潮湿的地区。它强调了有效缓解策略的必要性，并强调了RPVSP的热特性在未来城市规划和气候敏感设计中的重要性。
快速城市化和区域气候变化引起的变暖的综合影响预计将加剧热浪事件，影响城市的行星边界层（PB层）高度。模拟表明，广泛的RPVSP部署改变了城市化地区（如加尔各答）的低层大气PB层结构，特别是在白天。通常，表面加热显著影响PB层动态，在城市17、18中形成PB层状态中起关键作用。通过RPVSPs的PB层深度的变化被认为是在加尔各答市区在热浪期间。很明显，城市规模的RPVSP部署增加了城市区域的PB层高度，最大增加（~415 m至~615 m）的情况下进行模拟（即RPVSPs 100%）。在热浪期间，对流PB层高度的增加表明，低层大气有很大的潜力垂直混合空气污染物，可能对空气质量产生影响。
此外，结果显示城市地区上空较弱的垂直混合导致潮湿空气从周围农村地区平流到城市地区，因此，城市区域上空一定高度以外的大气几乎不受地面条件的影响。较弱的垂直混合进一步发展了较强的平流。然而，这项研究并没有表明较强的平流湿空气从农村地区，因为较强的垂直混合的RPVSP方案。RPVSP情景下城市地区的地面加热是控制城市地区垂直W速度的主要重要因素，这增强了城市地区大对流卷的进一步发展。
在热带沿海城市，PB层的高度与海风的平流有密切的关系。RPVSP有可能通过改变表面条件和边界层结构来改变海风环流，从而可能触发城市化地区的局部环流模式。城市下垫面影响Q潜、Q感和动量通量，而边界层高度和下垫面辐合有助于修正海风环流对城市大气的影响。
近年来，城市尺度天气背景气候对海风环流的增强有很强的调节作用，对地面附近盛行风的调节起着关键作用。局部环流是由陆地和海洋之间的热不协调以及天气尺度上的风产生的。这种局部环流在水平方向上可向内陆延伸100多公里，在垂直方向上可在下午三点左右达到3-4公里。由于城市特征的影响，海风环流的推进可以加速时间。RPVSP改变这些因素，增加PB层的高度和W速度在城市地区。RPVSP的采用加速了海风环流，使城市地区的垂直W速度增加了3-5
m/s
。由于拖曳力，高层建筑和高表面粗糙度延迟了海风到达城市核心。RPVSPs诱导感热和风场增强，在热浪期间影响城市气候。城市规模RPVSP的采用改变了热压力梯度，提高了T环境高达1。5 °C，水平W速度为1.2 m/s。因此，RPVSP增加屋顶表面的覆盖率会引起显热和风场的增加，从而在热浪事件的高峰时段在城市局部气候中产生反馈。RPVSPs增强了城市及其周围地区之间的平流，加速了城市环境的局部变暖。它们形成了一个区域性低压，这可以增加城市化地区的水平和垂直W速度。
本研究进行了城市特定的RPVSP的敏感性研究，其他四个城市-悉尼，奥斯汀，雅典和布鲁塞尔-比较他们的研究结果与加尔各答。该比较在补充图中示出。研究结果突出了以RPVSP表面温度和相关的RPVSP诱导的夜间冷却和白天变暖为特征的日现象。它还显示了其他城市状态变量的变化后，在一个城市规模的实施RPVSP与没有RPVSP的五个城市-悉尼，奥斯汀，加尔各答，雅典和布鲁塞尔。数据显示，RPVSP导致悉尼等城市夜间气温显著下降，白天气温上升（−0.8 °C至1.9 °C），奥斯汀（−0.7 °C至1.8 °C），加尔各答（−0.6 °C至1.5 °C）、雅典（−0.4 °C至1.2 °C）和布鲁塞尔（−0.3 °C至1.1 °C），强调了它们对城市热环境的影响。
从这些城市的数据之间观察到的强大的对应关系支持的假设，覆盖屋顶与RPVSP显著，并始终影响城市小气候。因此，如果整个城市都被RPVSP包围，那么当时的小气候条件将在很大程度上受到它们的影响，这并不是不准确的。因此，详细的结果，大规模部署的RPVSP对城市热环境条件的影响，在一个热带城市，如加尔各答，可以推广到其他全球城市正在进行或规划的大规模RPVSP的实施，考虑到当时的小气候条件将显著影响RPVSP的存在。
