城市气象学第九章：城市中的地-气显热交换与地-气潜热交换

1、计算公式计算公式城市中大气稳定度一般比郊区小，容易发生热力湍流，城市中大气稳定度一般比郊区小，容易发生热力湍流，同时城市下垫面的粗糙度也比郊区大，又有利于机械湍同时城市下垫面的粗糙度也比郊区大，又有利于机械湍流的发展，因此，城市的显热总是比郊区大。流的发展，因此，城市的显热总是比郊区大。城区下垫面都是一些不透水的人工材料组成，并供蒸城区下垫面都是一些不透水的人工材料组成，并供蒸发的水汽量远比郊区自然的泥土地表少，且植被覆盖也发的水汽量远比郊区自然的泥土地表少，且植被覆盖也小，植被蒸腾的水汽量也少，因此，城市下垫面向大气小，植被蒸腾的水汽量也少，因此，城市下垫面向大气提供的潜热远小于郊区。提供的

2、潜热远小于郊区。5城市地气显热交换特征城市地气显热交换特征城市的地气显热交换特征城市的地气显热交换特征波文比 Bowen ratio 波文比指的是显热通量（又称感热通量）与潜热波文比指的是显热通量（又称感热通量）与潜热通量的比率。通量的比率。反映了生态系统与大气交换能量的反映了生态系统与大气交换能量的形式分配情况。形式分配情况。 显热通量显热通量/感热通量（感热通量（sensible heat flux）地表）地表和近地表大气间通过传导和对流运动转移的能量和近地表大气间通过传导和对流运动转移的能量 。 潜热通量（潜热通量（latent heat flux）通过水分蒸发和水）通过水分蒸发和水蒸气

3、凝结进行的地表与大气间的能量交换蒸气凝结进行的地表与大气间的能量交换 。城市草地的小气候调节作用初步研究城市草地的小气候调节作用初步研究 晴天草地所获得的太阳辐射能量大部分用晴天草地所获得的太阳辐射能量大部分用于植被蒸腾和土壤蒸发。草地所获得的净于植被蒸腾和土壤蒸发。草地所获得的净辐射能量约辐射能量约12用于蒸散，约用于蒸散，约13用于显用于显热，约热，约6% 向土壤深处传递；而裸地所获向土壤深处传递；而裸地所获得的净辐射能量约得的净辐射能量约13用于土壤蒸发，约用于土壤蒸发，约 25用于显热，约用于显热，约110向土壤深处传递。向土壤深处传递。城市“屋顶花园对城市气候影响方法研究 对热量和温

4、度的影响对热量和温度的影响nFHESAnFHESAQQQQQQQQQQQQ其中，：地面净辐射：人为热：下垫面与空气间的湍流显热：下垫面与空气间的潜热交换：下垫面内部贮热量的变化：热平流量的变化城市“屋顶花园对城市气候影响方法研究 在同一个城市，人为热在同一个城市，人为热QF和热平流量和热平流量QA，无论屋顶是否绿化都可以作为同值处理。无论屋顶是否绿化都可以作为同值处理。绿色屋顶面的净辐射热量绿色屋顶面的净辐射热量Qn远小于未绿化远小于未绿化的屋顶面，同时绿色屋顶面因植物的蒸的屋顶面，同时绿色屋顶面因植物的蒸腾和潮湿下垫面的蒸发作用消耗的潜热腾和潮湿下垫面的蒸发作用消耗的潜热QE明显比未绿化的屋

5、面大。从而使绿化屋顶明显比未绿化的屋面大。从而使绿化屋顶空气获得的热量少热效应降低，破坏或空气获得的热量少热效应降低，破坏或减弱了城市的减弱了城市的“热岛热岛”效应。效应。南京夏季城市热岛时空分布特征南京夏季城市热岛时空分布特征观测及模拟研究观测及模拟研究 模拟结果表明，夏季晴好天气下，南京地区昼夜均在边界层模拟结果表明，夏季晴好天气下，南京地区昼夜均在边界层内形成热岛。午后内形成热岛。午后14时，城市显热达到时，城市显热达到350W/m2以上，是郊区以上，是郊区的的2倍；此时城市土壤热通量为倍；此时城市土壤热通量为200W/m2，是郊区的，是郊区的4倍；城市倍；城市下垫面大量储热，提供了热岛

6、形成的热量基础。同时，城区湍能下垫面大量储热，提供了热岛形成的热量基础。同时，城区湍能在在200-700m达到高值达到高值1.2m2/s2，是郊区的，是郊区的2倍，白天强湍流运动倍，白天强湍流运动促进了城市边界层发展及促进了城市边界层发展及700m以下热岛的形成，与夜间相比，以下热岛的形成，与夜间相比，热岛向高空延伸更高。夜间热岛向高空延伸更高。夜间02时，城、郊显热均明显降低，此吋时，城、郊显热均明显降低，此吋城市土壤热通量约城市土壤热通量约30-35W/m2，是郊区的，是郊区的2倍，城市积蓄的热量倍，城市积蓄的热量持续输出，维持夜间近地面较高的热岛强度；与白天相比，夜间持续输出，维持夜间近

7、地面较高的热岛强度；与白天相比，夜间城市大气相对稳定，热岛在近地面分布范围更广且强度更大，热城市大气相对稳定，热岛在近地面分布范围更广且强度更大，热岛发展高度较低为岛发展高度较低为100m。 城市建筑的屋顶和侧壁等能持续吸收和储存热能，提供了比城市建筑的屋顶和侧壁等能持续吸收和储存热能，提供了比郊区更多的热量向近地层输送，且由白天储热多，日落后的城郊区更多的热量向近地层输送，且由白天储热多，日落后的城市地表降温慢，夜间仍可以持续提供热量，因此，城市下垫面市地表降温慢，夜间仍可以持续提供热量，因此，城市下垫面的显热值都明显高于其它下垫面，在凌晨气温较低时城市显热的显热值都明显高于其它下垫面，在凌

8、晨气温较低时城市显热约降为零，在白天气温较高时城市显热大于郊区约一倍之多。约降为零，在白天气温较高时城市显热大于郊区约一倍之多。南京夏季城市热岛时空分布特征南京夏季城市热岛时空分布特征观测及模拟研究观测及模拟研究南京夏季城市热岛时空分布特征南京夏季城市热岛时空分布特征观测及模拟研究观测及模拟研究 下垫面向空气释放潜热通量的大小主要取下垫面向空气释放潜热通量的大小主要取决于下垫面可供蒸发的水分量的多少，植决于下垫面可供蒸发的水分量的多少，植被下垫面土壤含水量高，持水能力强，故被下垫面土壤含水量高，持水能力强，故潜热交换强，而城市巾可供蒸发的水分很潜热交换强，而城市巾可供蒸发的水分很少，因此向大气

9、提供的潜热通量小亍郊区。少，因此向大气提供的潜热通量小亍郊区。在夜间各种下垫面类型潜热均较小的情况在夜间各种下垫面类型潜热均较小的情况下，城、郊的差异还不明显，而在白天气下，城、郊的差异还不明显，而在白天气温高蒸发旺盛的时刻差异较显著。温高蒸发旺盛的时刻差异较显著。 城、郊不同下垫面地表热量平衡各分量平均日变化特征分析城、郊不同下垫面地表热量平衡各分量平均日变化特征分析2324城市草坪水汽通量与蒸散量的变化特城市草坪水汽通量与蒸散量的变化特征分析征分析 水汽通量与热通量的变化趋势都是倒水汽通量与热通量的变化趋势都是倒U型，型，即白天为正，夜间为负，除即白天为正，夜间为负，除3月外，其它月月外，

10、其它月份的水汽通量日变化曲线与潜热通量几乎份的水汽通量日变化曲线与潜热通量几乎重合，且两者曲线远高于显热通量；全天重合，且两者曲线远高于显热通量；全天蒸腾的时数也随日照时数的缩短而减少，蒸腾的时数也随日照时数的缩短而减少，基本表现为夏季最大，春秋季次之，冬季基本表现为夏季最大，春秋季次之，冬季最小；全年中间波文比较小，冬春两季较最小；全年中间波文比较小，冬春两季较大。大。水汽通量日变化曲线均与潜热通量几乎重合水汽通量日变化曲线均与潜热通量几乎重合31PFIErSA 32城市供水量-城市化进程的加快带动了行业发展 37394042 城市暴雨径流特点 城市化的程度的提高，直接改变了城市的暴雨径流形

11、成条件，使其水文情势发生变化l 暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现时间提前。l 河道中水流流速加大，径流过程中悬浮固体及污染物浓度提高。发生这些现象的原因可从两个方面来分析：发生这些现象的原因可从两个方面来分析： 不透水面积增加不透水面积增加 城市化的进程，增加了城市的不透水表面，城市化的进程，增加了城市的不透水表面，使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋顶顶 汇流时间缩短汇流时间缩短 排水管渠系统的完善，如设置道路边沟排水管渠系统的完善，如设置道路边沟降雨后城市与郊区径流曲线的图式降雨后城市与郊区径流曲线的图式曲线下的面积曲线下的面积代表径流总量代

12、表径流总量46城 市 化人 口 密 度 增 大建 筑 物 密 度 增 大城 市 污 水 量 增 加需 水 量 增 加不 透 水 面 积 增 加排 水 系 统 完 善城 市 气 候 改 变城 市 雨 水 水 质 恶 化接 纳 变 质 水地 下 水 补 给 减 少基 流 量 减 少径 流 量 增 大洪 峰 流 量 增 加水 流 流 速 增 大洪 峰 滞 时 和 历 时 缩 短城 市 水 质 污染 控 制 问 题城 市 洪 水控 制 问 题城 市 水 源 问 题低洼绿地对降低城市径流深度、径流低洼绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果分析系数的效果分析 绿化率绿化率35%深度为深度为100 mm的低

13、洼绿的低洼绿地，在地，在1 h不同频率降雨条件下，可以将相不同频率降雨条件下，可以将相同径流深度所对应的降雨频率提高同径流深度所对应的降雨频率提高12个个标准级；在标准级；在1h相同频率降雨条件下，可以相同频率降雨条件下，可以将径流系数降低将径流系数降低0.30.4左右，显著降低左右，显著降低汇流比例，削减洪峰流量。汇流比例，削减洪峰流量。城市“屋顶花园对城市气候影响方法研究 在同一城市中燃烧释放于大气中的水分在同一城市中燃烧释放于大气中的水分F、管、管道供水量道供水量I和径流量和径流量r，无论屋顶绿化与否都不，无论屋顶绿化与否都不会改变。降水量会改变。降水量P和空气平流水分和空气平流水分A，虽然会，虽然会因屋面绿化受到一些影响，但其差别很小，可不因屋面绿化受到一些影响，但其差别很小，可不于考虑。然而由于绿色植物的蒸腾和潮湿土壤的于考虑。然而由于绿色植物的蒸腾和潮湿土壤的蒸发会使屋面绿化后的蒸散量大大增加，从而使蒸发会使屋面绿化后的蒸散量大大增加，从而使贮存于管道和建筑物中的水量贮存于管道和建筑物中的水量s减少，使贮存减少，使贮存于空气系统中的水分于空气系统中的水分E增大即屋面绿化后空气增大即屋面绿化后空气中的绝对湿度增加。又由于绿化后其温度有所降中的绝对湿度增加。又