北科大王存海/劉敬崇&哈工大帥永/王富強教授ACS Energy Letters：全球輻射制冷量精確預測及其緩解全球變暖潛力評估

輻射冷卻利用物體在中紅外波段向低溫外層空間輻射熱量，可在無需額外燃料或電力輸入的條件下形成冷卻效應。然而，從單個樣品的現場測試走向跨區域部署時，真正決定技術收益的不只是材料光譜，還包括當地的溫度、濕度、云量、風速、太陽輻照度以及這些氣象量在晝夜和季節尺度上的協同變化。其中，可降水量決定晴空大氣窗口的紅外透明度，云層又會改變向下長波輻射，模型往往難以在不同氣候區保持一致精度。研究以全球近 2000 個氣象站的逐時數據為基礎，建立同時考慮水汽、云層、大氣溫度非均勻性、太陽吸收和對流換熱的輻射冷卻評估框架。模型先給出城市尺度的平衡溫度和凈冷卻功率，再通過現場實驗驗證、月度模式分類、碳減排測算和地球能量收支估算，將局地冷卻性能與全球氣候適配性連接起來。相關工作以 Assessing worldwide radiative cooling toward global warming mitigation 發表在ACS Energy Letters期刊。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01186

2.1模型建立

圖1(a)給出了模型的完整信息鏈。環境溫度、相對濕度、氣壓、緯度和海拔首先用于估算可降水量，進而得到隨水汽含量變化的大氣光譜透射率。云量和云底高度被單獨引入，用于計算云層溫度及其向下長波輻射；太陽輻照度決定冷卻器吸收的短波熱量，風速則進入非輻射換熱系數。模型最后通過表面能量平衡求得平衡溫度和凈冷卻功率。前者描述冷卻器在自由降溫狀態下能夠穩定到達的溫度，后者描述當表面維持在環境溫度時，每平方米可以持續移除的熱量。為便于跨城市比較，研究還定義了平衡溫度降幅，即環境溫度與平衡溫度之差。

圖1(b)顯示，輸入數據來自全球1986個氣象站，覆蓋主要有人居住的陸地區域。基于同一套模型處理各站點全年8760組逐時數據，可以避免僅用少數晴朗日測試代表全年表現，也使不同緯度、不同季風制度和不同云水條件下的結果具有可比性。

圖1(c)針對理想選擇性冷卻器給出年平均平衡溫度降幅的全球分布、緯向變化和統計箱線圖。優勢區域主要位于南北緯20°至40°附近，這些地區受副熱帶高壓控制，空氣干燥、云量較少，長波輻射更容易穿過大氣窗口。緯度不超過40°的城市中位降幅為4.8 °C，高于全球中位值4.3 °C，也高于高緯城市的3.8 °C；緯向平均峰值達到9.4 °C。赤道附近雖然溫度較高，但水汽和云量會削弱紅外透過；高緯地區則受到低環境溫度和頻繁云層的共同限制。

圖1(d)將發射光譜改為理想寬帶形式。其全球中位平衡溫度降幅為3.8 °C，比選擇性冷卻器低約0.5 °C，緯向平均最大值為7.3 °C；中低緯和高緯城市的中位值分別為4.2 °C和3.5 °C。選擇性設計能夠獲得更深的低于環境溫度降幅，但對氣候條件更敏感；寬帶冷卻器的極限降溫略弱，卻更接近多數常見材料的發射特性，也更便于大面積制備。由此可見，追求最低表面溫度和追求穩定、可擴展的冷卻功率，對應的是不同的材料選擇。

圖1全球輻射冷卻評估框架及年平均平衡溫度降幅。(a)氣象數據、光譜計算和能量平衡模型的工作流程；(b)模型所采用的全球氣象站分布；(c)理想選擇性冷卻器的年平均平衡溫度降幅全球地圖、緯向變化和分組統計；(d)理想寬帶冷卻器的對應結果。緯向圖中的淺紅色區域表示緯度不超過40°的區域，淺綠色區域表示緯度高于40°的區域。箱線圖依次給出中位數、平均值、四分位范圍和離群點，組間比較采用雙側非參數Wilcoxon檢驗。

2.2實驗驗證

全球制圖的可靠性取決于模型能否追蹤真實環境中的溫度變化。圖2(a)選取美國馬里蘭州、中國北京和蘇州三個實驗地點：三地的太陽輻照度和實測平衡溫度降幅明顯不同，分別代表不同的輻射與濕度條件。這樣的對照可檢驗模型是否只對某一種干燥晴空場景有效。

圖2(b)將馬里蘭州實驗的逐時太陽輻照度、環境溫度、濕度和風速輸入模型，得到的冷卻器溫度曲線與實測結果在白天升溫段和夜間降溫段均保持一致。圖2(c)進一步把連續曲線壓縮為全天、白天和夜間平均值，模型與實驗的溫度偏差分別為0.48、0.76和0.50 °C，說明能量平衡框架不僅能夠擬合某個瞬時點，也能保持晝夜平均量的準確性。

圖2(d)和(g)分別展示北京和蘇州的實驗構型。北京測試代表較干燥環境，蘇州測試則具有更高的空氣濕度。圖2(e)中，北京三天連續溫度變化的計算曲線能夠跟隨實測值的日周期起伏；圖2(f)給出的全天、白天和夜間平均偏差分別為0.99、1.35和1.80 °C。圖2(h)顯示，模型同樣捕捉到蘇州濕潤環境下兩次明顯的日間溫度峰值以及夜間回落過程；圖2(i)對應的三類平均偏差為0.48、1.17和0.18 °C。不同地點的誤差量級保持在約2 °C以內，表明顯式考慮水汽、云層和大氣溫度非均勻性后，模型可以跨越干燥、濕潤及沿海氣候使用。

圖2輻射冷卻評估模型的實驗驗證。(a)美國馬里蘭州、中國北京和蘇州實驗測得的太陽輻照度與平衡溫度降幅；(b)、(c)馬里蘭州冷卻器的逐時平衡溫度及全天、白天和夜間平均結果；(d)北京實驗裝置示意；(e)、(f)北京冷卻器的連續溫度曲線和時間平均結果；(g)蘇州實驗裝置示意；(h)、(i)蘇州冷卻器的連續溫度曲線和時間平均結果。

2.3全球分類

完成模型驗證后，研究將重點從“能降多少溫”轉向“全年何時有可用冷卻量”。凈冷卻功率比平衡溫度降幅更直接對應熱負荷和可節省的制冷能耗，因此圖3選擇理想寬帶冷卻器的月平均凈冷卻功率作為分區依據。

圖3(a)列出八座代表性城市。安卡拉和圣地亞哥分別位于北、南半球，其功率峰值都出現在當地暖季，低谷出現在冷季，體現地中海氣候夏季干燥、冬季濕潤的特征。這種季節變化與制冷需求同向，既能在高溫月份提供更多冷量，又可降低冬季過度冷卻風險。孟買和哈拉雷呈現相反走勢：季風季節帶來的高水汽和降雨壓制了暖季輻射冷卻，而干燥冷季的功率反而更高，形成冷卻供給與需求錯位。

北京和阿根廷雷孔基斯塔的月功率大體維持在60 W m?2附近，全年波動較小，代表季節性降水差異不強的穩定型地區。埃及艾斯尤特的各月功率均高于80 W m?2，5月最高達到112 W m?2，干燥、少云和高溫共同形成強冷卻資源。吉隆坡則長期低于25 W m?2，高濕度、頻繁降水和霧霾使熱輻射難以有效穿透大氣。

圖3(b)據此將全球陸地區域劃分為五類。高功率區集中在北非和澳大利亞內陸，具備全年強冷卻和較低人口密度，適合考慮大面積部署；季節匹配區主要沿地中海及南、北美洲西岸分布，其冷卻功率與暖季需求同步；中等功率區覆蓋大部分陸地，月度波動較小，是最廣泛的常規應用區域；季節不匹配區常見于印度半島、非洲東岸、南美洲西岸和澳大利亞北部，需要結合設備成本與實際負荷謹慎評估；低功率區則主要位于高濕赤道地區和寒冷多云的極地。這樣的分類把連續的全球功率地圖轉化為可用于選址和系統設計的部署規則。

圖3全球輻射冷卻功率的季節分類。(a)八座典型城市中理想寬帶冷卻器的月平均凈冷卻功率。(b)根據月度凈冷卻功率與季節變化，將全球劃分為高功率區、季節匹配區、中等功率區、季節不匹配區和低功率區。

2.4緩解全球變暖

研究隨后把逐時冷卻量換算為制冷節電和碳排放收益，并把局地減排進一步延伸到地球能量收支尺度。圖4同時匯集城市減排、環境因素作用路徑、全球空間分布和理論部署面積，使功率地圖能夠對應到氣候緩解問題。

圖4(a)把逐時凈冷卻功率轉換為潛在制冷節電量，并結合各國電網排放因子估算40座代表性城市的年度二氧化碳減排。40座城市的平均減排約為25 kg m?2yr?1，但城市之間差異顯著。艾斯尤特和開羅分別達到122和78 kg m?2 yr?1；孟買和新德里雖然受濕度限制，仍因長期高溫和強制冷需求獲得接近100 kg m?2yr?1的潛在減排。莫斯科和圣彼得堡僅為3和2 kg m?2yr?1。吉隆坡的凈冷卻功率較低，但年度減排仍達到51 kg m?2yr?1，說明性能評價不能只看材料能夠輸出多少冷量，還要看這些冷量是否出現在真正需要制冷的時間。

圖4(b)利用分段結構方程模型拆分環境因素的作用路徑。濕度會同時削弱凈冷卻功率和平衡溫度降幅，并通過晝夜濕度與制冷需求不匹配進一步降低減排；云量主要通過增強大氣反向輻射、間接壓低兩項冷卻指標；風速增強對流換熱，使低于環境溫度的能力下降。環境溫度則具有顯著正向作用，因為高溫城市的制冷需求更強，同樣的冷卻功率能夠替代更多空調用電。該結果解釋了為何“冷卻資源最強的地區”和“單位面積減排最高的地區”并不完全重合。

圖4(c)顯示，單位面積減排超過100 kg m?2yr?1的區域主要位于北非、阿拉伯半島和澳大利亞沙漠。圖4(d)的緯向統計總體上從低緯向兩極下降，并在南北緯約30°附近形成次高峰，這與副熱帶高壓帶的干燥少云條件相對應。

圖4(e)進一步提出一個理想化問題：若寬帶輻射冷卻器替換具有平均太陽反照率0.3和紅外發射率0.8的陸地表面，需要覆蓋多大面積才能抵消約0.85 W m?2的地球凈能量失衡。由于區域冷卻能力不同，所需面積從北非的260萬 km2到極地區域的690萬km2不等。北美和東亞分別約需420萬和470萬km2，澳大利亞約需270萬 km2。若在全球均勻分布，理論閾值約為370萬 km2。地球能量失衡本身也會隨溫室氣體濃度變化，因此370萬 km2不是固定常數。其價值在于給出一個數量級，使輻射冷卻從建筑或設備尺度的節能手段，進一步進入全球氣候干預能力的可量化討論。

圖4全球輻射冷卻的二氧化碳減排與氣候緩解潛力。(a)理想寬帶冷卻器在40座代表性城市中可避免的年度二氧化碳排放；(b)主要環境因素通過凈冷卻功率和平衡溫度降幅影響減排的直接和間接路徑，紅色與藍色箭頭分別表示顯著正效應和負效應，箭頭寬度與效應量相關；(c)、(d)單位面積年度二氧化碳減排的全球分布和緯向變化；(e)在不同區域部署理想寬帶冷卻器、抵消地球當前能量失衡所需的理論面積，橢圓中的數字單位為百萬平方千米。

小結：為解決輻射冷卻性能長期依賴少數地點測試、全球部署缺少統一依據的問題，研究建立了由逐時氣象數據驅動的輻射冷卻評估框架。模型把可降水量、云量與云層溫度、大氣垂直溫度差異、太陽吸收和非輻射換熱納入同一能量平衡，并在馬里蘭州、北京、蘇州等不同氣候條件下獲得約2 °C以內的溫度預測偏差。全球結果表明，選擇性冷卻器在副熱帶干燥地區可獲得更深的低于環境溫度降幅，寬帶冷卻器則提供更穩定、便于規模化利用的全年冷卻功率。基于月度凈冷卻功率建立的五類區域揭示，輻射冷卻的部署優先級不僅取決于功率大小，也取決于功率峰值是否與當地暖季和制冷需求相吻合。進一步結合制冷需求和電網排放后，40座城市的平均潛在減排約為25 kg m?2 yr?1，高溫城市即使處于濕潤氣候，也可能獲得可觀的用電與排放收益。在理想假設下，全球均勻部署約370萬 km2的寬帶冷卻器可抵消當前地球能量失衡。

論文信息：Cunhai Wang*, Hao Chen, Yanyan Feng, Jingchong Liu*, Yurong Fan, Ziming Cheng, Yong Shuai*, Fuqiang Wang*. Assessing Worldwide Radiative Cooling toward Global Warming Mitigation. ACS Energy Letters, 2026. DOI: 10.1021/acsenergylett.6c01186.

閱讀原文：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01186

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