世界各地的城市都在寻找解决方案，以应对气候适应能力和能源消耗的挑战。绿色屋顶作为一种以自然为基础的解决方案，在城市范围内缓解城市热量和相关能源消耗的潜力受到了有限的关注。现有的文献提供了不少关于绿色屋顶的节能效益的宝贵的见解，但主要是监测其在建筑尺度的影响。在城市尺度上分析粗放型绿色屋顶对于理解它们对城市环境中的能源消耗和可持续性的集体影响至关重要，在整个城市实施绿色屋顶对城市地区能源使用的影响仍未被探索。
本研究引入了一种结合城市尺度气候模型和城市建筑能源模型(UBEM)的创新方法，以实证数据为支撑，综合评估屋顶绿化对城市能源消耗和气候条件的改变作用。
1. 分析城市气候条件。利用高分辨率天气研究与预报(WRF)模型(4.3版)和单层城市冠层模型(UCM)，分析了不同绿色屋顶比例情景下的城市气候条件。其中在WRF模型的配置上，模拟的时间为2018年7月31日0:00(UTC+0)至2018年9月1日0:00 (UTC+0)，使用默认的中分辨率成像光谱仪土地利用土地覆盖数据集作为输入地形数据，使用了欧洲中期天气预报中心再分析资料(ERA-interim) 6小时边界条件。此外，将单层城市冠层模型(UCM)与绿色屋顶模型相结合，UCM中的绿色屋顶由四层组成，总深度为50厘米，包括15厘米的草地土壤层，15厘米的生长介质层，排水层和20厘米的混凝土屋顶层，假设植被层为草地，反照率、发射率和叶面积指数分别为0.2、0.93和1.5；在UCM中考虑饱和土壤水分为0.439 m3 m−3，凋萎点土壤水分为0.084 m3 m−3。
2. 情景设置。除了无绿色屋顶的典型情景（No-GR），本研究通过考虑绿色屋顶覆盖率为30% (GR-30%)、60% (GR-60%)和90% (GR-90%)来评估实施绿色屋顶系统的制冷和节能潜力。GR-30%和GR-60%被认为是与当地政策相一致的实际解决方案，而GR-90%被认为是在正在进行的城市化背景下评估绿色屋顶实施的最大潜力。
3. 城市能源消耗分析。首先开发一个传递函数，将从CitySim获得的模拟结果与实际能耗数据联系起来，从而确保分析的准确性和可靠性。第二步，利用WRF模拟结果制备No-GR、GR-30%、GR-60%和GR-90%的天气文件。第三步是对No-GR、GR-30%、GR-60%和GR-90%的场景进行模拟，CitySim提供了每小时每座建筑的冷却能源需求值。第四步是将模拟输出汇总为每个建筑在每月期间的小时能源需求值。最后一步是将每个建筑的月能源需求应用到第一步开发的传递函数中，得到每栋建筑的能耗。
研究结果
1. 绿色屋顶系统在缓解城市热量方面的潜力
图1展现了No-GR、GR-30%、GR-60%和GR-90%四个情境下的逐时平均气温、地表温度、感热通量和潜热通量。绿色屋顶系统的应用使大气温度、地表温度和感热通量显著降低，潜热通量显著增加。植被覆盖度越高，屋面的气温、地表温度和感热通量下降最为明显，潜热通量增加幅度最大。例如，GR-90%使大气温度、地表温度和感热通量峰值分别降低0.54°C、2.17°C和49.33 W m−2，潜热通量峰值提高70.11 W m−2。白天气温、地表温度和感热通量显著降低，潜热增加。然而，在夜间，所有绿色屋顶部分的应用并没有对所考虑的变量造成明显的差异，这可能是由于有限的太阳辐射和相对较高的夜间相对湿度，减缓了蒸散发过程，从而使绿色屋顶的冷却效果最小化。
图2 不同绿色屋顶情景下的城市气候变化。No-GR、GR-30%、GR-60%和GR-90%情景下2018年8月气温(a)、地表温度(b)和日降水量(c)的日变化
图2总结了2018年8月No-GR地区以及GR-30%、GR-60%和GR-90%地区的日平均空气和地表温度。增加绿色屋顶比例降低了日平均空气温度和地表温度，GR-90%分别降低了0.63°C和1.76°C。整体趋势显示，8月上半月的气温最高，而从8月20日开始，气温相对较低。在大多数情况下，与30%和60%的绿色屋顶相比，使用GR-90%的屋顶产生了更高的降温值。图2c对日降水量的分析显示，8月前20天，除8月6日和8月10-11日4天外，降水水平接近于零。从8月20日开始，一直到月末，几乎每天都有强降水，8月24日降水量最大，达51毫米。
图4 2018年8月三个不同日子的气象变量变化。2018年8月3日、8月24日和8月30日太阳辐射(a)、降水(b)、相对湿度(c)和风速(d)的逐时变化
每月能源使用强度(EUI)的变化被用作绿色屋顶在降低城市规模建筑冷却能耗方面的有效性的指标。图5表示2018年8月首尔将绿色屋顶覆盖率分别为30%、60%和90%后的月度EUI变化。结果表明，应用30%、60%和90%的绿色屋顶后，平均制冷EUI分别降低了0.29 kWh m−2(3.3%)、0.5 kWh m−2(5.9%)和0.64 kWh m−2(7.7%)。
Abstract：
Cities around the globe search for solutions to tackle the challenges of climate resilience and energy consumption. The potential of green roofs representing a nature-based solution in mitigating urban heat and related energy consumption at the urban scale is given limited attention. Here we apply a comprehensive framework integrating urban climate modeling, urban building energy modeling and statistical analysis with empirical data to address this research gap through a case study in Seoul. The findings highlight that the efficacy of nonirrigated extensive green roofs is significantly influenced by meteorological conditions, underscoring the importance of considering those factors in green-roof design and implementation. Moreover, the cooling effect of green-roof implementation at the urban scale causes monthly urban building energy use intensity reductions of up to 0.64 kWh m−2 (7.7%). The insights from this research have broad implications for cities around the world experiencing the challenges imposed by urban heat.
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