城市气象学第一章：城市环境气象学

1、城市环境气象学课程介绍 参考书：课程介绍 课程目标：课程介绍 主要内容绪论城市大气城市日照与辐射城市热量平衡与水分平衡城市热岛城市风场城市湿度、雾与水平能见度城市云与降水第一章 绪论 1.城市发展面临的环境恶化问题 2.城市气象学的概念 3.城市气象特点、成因、研究对象和任务 4.城市气象学的发展简史和新动向 5.城市气象学研究方法为什么要学习城市环境气学？为什么要学习城市环境气学？1.1城市发展面临的环境恶化问题 对城市气候有哪些直观感觉？对城市气候有哪些直观感觉？（1）空气混浊、多烟多尘土）空气混浊、多烟多尘土 紫陌红尘扑面来-唐代刘禹锡 用来形容长安街市繁华，飞尘扑面（2）城市多雾：重庆

2、、伦敦）城市多雾：重庆、伦敦 “蜀犬吠日，吠所怪也” 重庆冬季多浓雾蔽天，偶逢日出，犬都因奇怪而吠叫。（3）城郊温差大）城郊温差大 （1）人口问题）人口问题 （2）空气污染加剧）空气污染加剧 （3）水污染严重和水资源短缺）水污染严重和水资源短缺 （4）城市绿地覆盖率低）城市绿地覆盖率低 （5）城市基础设施建设欠帐多，排水设施落）城市基础设施建设欠帐多，排水设施落后后 （6）大量耕地被占用）大量耕地被占用 （7）城市通风廊道欠缺，热岛效应严重）城市通风廊道欠缺，热岛效应严重1.1城市发展面临的环境恶化问题 1.1城市发展面临的环境恶化问题 1.1.2空气污染加剧空气污染加剧 长期以来，我国的能源

3、结构以煤能源结构以煤为主，产生了大量的烟尘、二氧化硫烟尘、二氧化硫等污染物，导致严重的煤烟型大气污染；煤烟型大气污染； 迅速的城市化伴随机动车保有量的快速增长机动车保有量的快速增长，在一些大、中城市出现了严重的机动车尾气污严重的机动车尾气污染染，形式严峻。大气污染大气污染城市汽车城市汽车废气废气 霾 由于我国城市机动车辆的迅速增长，城市空气污染正由煤烟型污染向煤烟与机动车混合型污染转变，一些大中城市频繁出现灰霾天气。机动车污染导致大中城市频繁出现灰霾天气。 北京市通州区梨园地区某小区外的一片空地,每天都有数辆次机动三轮车前来倾倒垃圾,而每隔三两天便会就地焚烧一次,伴随着浓烟的是刺鼻的气味。 1

4、、气候变暖、气候变暖 由大气中二氧化碳浓度升高引发的温室效应，是对由大气中二氧化碳浓度升高引发的温室效应，是对全球气候的最主要影响。全球气候的最主要影响。 2、平流层臭氧层变薄、平流层臭氧层变薄 高层大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氟氯烃类等高层大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氟氯烃类等污染物使臭氧大量分解，引发的污染物使臭氧大量分解，引发的“臭氧洞臭氧洞”问题，成为了问题，成为了全球关注的焦点。全球关注的焦点。 3、陆地和海洋生物受到污染、陆地和海洋生物受到污染 4、产生酸雨、产生酸雨大气污染产生的后果酸雨 定义 被大气中存在的酸性气体污染，PH5.6的雨水称为酸雨 主要由煤、石油和天然气等化石

5、燃料燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，经过复杂的大气化学反应,被雨水吸收溶解而成。 酸雨的分布 全球有三大全球有三大块酸雨地区：块酸雨地区：西欧西欧, , 北美和北美和东南亚。我国东南亚。我国长江以南也存长江以南也存在连片的酸雨在连片的酸雨区域。区域。 酸雨的危害 森林退化，湖泊酸化，鱼类死亡，水生生森林退化，湖泊酸化，鱼类死亡，水生生物种群减少，农田土壤酸化、贫脊，有毒重金物种群减少，农田土壤酸化、贫脊，有毒重金属污染增强，粮食、蔬菜、瓜果大面积减产，属污染增强，粮食、蔬菜、瓜果大面积减产，使建筑物和桥梁损坏，文物面目皆非使建筑物和桥梁损坏，文物面目皆非1.1城市发展面临的环境恶化问题

6、 1.1.3水污染严重和水资源短缺水污染严重和水资源短缺 水资源短缺和水污染问题将成为我国城市在21世纪面临的最紧迫的环境问题。 水污染严重 城市水污染主要由工厂排水和工厂排水和城市居民生活污水生活污水造成的，目前我国每日排放的废污水量约1亿多吨亿多吨，这些污水有80%未经处理未经处理直接排入水域，造成全国1/3以上河段以上河段受到污染；同时90%以上城市水域以上城市水域污染严重。2000年时，乌鲁木齐柴窝堡湖还是水泊荡漾近年来，乌鲁木齐柴窝堡湖水位下降明显，不少水域裸露出来。 北京市昌平区小汤山镇官牛坊 ， 这座垃圾场就在一条小河的边上，河水不可避免地遭受到垃圾的污染。1.1城市发展面临的环

7、境恶化问题 1.1.4天然植被减少，城市绿地覆盖率低天然植被减少，城市绿地覆盖率低 城市绿地对城市生态环境系统内的物质循环具有城市绿地对城市生态环境系统内的物质循环具有十分重要的意义。但由于城市发展建设，自然环十分重要的意义。但由于城市发展建设，自然环境中的植被被不断破坏，代之以境中的植被被不断破坏，代之以稠密的人口稠密的人口、建建筑物，城市绿地筑物，城市绿地的多种环境功能正在逐步丧失，的多种环境功能正在逐步丧失，已经成为尖锐的环境问题。已经成为尖锐的环境问题。 1.1城市发展面临的环境恶化问题 1.1.5城市基础设施建设缺失，排水设施城市基础设施建设缺失，排水设施落后。落后。 首先，我国目前

8、有50%城市没有排水管网，城市污水处理率仅为5%左右。 1.1城市发展面临的环境恶化问题 1.1.6 大量耕地被占用大量耕地被占用 1.1.7 城市通风廊道没有，热岛效应严重城市通风廊道没有，热岛效应严重 污染的气体不能及时排掉，热量散发缓慢，污染的气体不能及时排掉，热量散发缓慢，造成热岛效应。造成热岛效应。城市热岛热岛效应及其防治 “热岛效应” 是指城市气温比周围地区高的现象，即气温以城市为中心向郊区递减。如果将高温区用红色描出，低温区用蓝色描出，城市就象汪洋大海中的孤岛，气象学上把这种现象称之为城市“热岛效应”。 “热岛效应” 形成原因： 城市工业的高度集中 城市人口密集 “热岛效应”能引

9、发人类许多疾病。如消化系统疾病、神经系统损害、忧郁症及呼吸道疾病、皮肤病等。 防止和减轻“热岛效应”的方法：把建筑物表面涂上白色或换上浅颜色的材料，以减少吸收太阳辐射；在路边、花园和屋顶种花栽树，可使城市温度下降；将分散的热源集中控制，提高工业热源和能源的利用率，减少热量散失和释放。什么是城市气象？什么是城市气象？1.城市气象学的概念城市气象学城市学环境科学气象学1.城市气象学的概念1.1 城市学和环境科学的概念1.2 有关气象学的概念1.3 城市气象城市学 城市，具有一定人口规模、以非农业人口为主的居民点。 城市学，以城市总体为研究对象，探讨城市建设和发展中的各种宏观的、综合的战略问题的学科

10、。 环境科学 研究人类生存的环境质量及其保护与改善的科学。 环境科学研究的环境，是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。 气象学 定义：定义： 气象学是把大气当作研究的客体，从定性和定气象学是把大气当作研究的客体，从定性和定量两方面来说明大气特征的学科，集中研究大量两方面来说明大气特征的学科，集中研究大气的天气情况和变化规律和对天气的预报。气的天气情况和变化规律和对天气的预报。1.1 有关气象学的概念 天气与气候天气的概念：指一个地区短时间内大气指一个地区短时间内大气 的具体状态。的具体状态。 例如：三亚市某日的最高气温30C，最低气温20C

11、，午后有雷阵雨，这些都属于天气现象。气候的概念：指一个地方多年的天气平均状况。指一个地方多年的天气平均状况。例如：在中国，东部地区7月较为闷热；北方地区1月和2月多严寒天气；某市年平均气温为25C，昆明四季如春，这些都属于气候现象。l气候学（climatology）概念：某地气候在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动长时间的相互作用下，某时段内（一般指30年以上）大量天气过程的综合。 四个基本特征： （1）气候和天气关系密切，却是既有联系又有区别的二个不同概念。 天气（weather）概念某地区，在某短时间内气象要素（气温、气压、湿度等）和天气现象（云、雨、雾等）的综合。微观 （2）气候是

12、长期天气状况的综合。 天气过程短期过程。 天气特征瞬息万变的不稳定特性。 气候过程长期天气过程。 气候特征相对稳定特性。（3）气候具有显著的区域性 外地气候规律不能完全适合于本地，而本地气候规律必须据本地气候资料并结合本地的地理环境来进行探索。（4）气候虽具一定稳定性，但仍有变化 如：南京春末初夏出现常规梅雨气侯，但有些年份 则出现无雨的空梅或雨量过多的梅雨现象。气候的形成和变化气候的形成和变化 形成因子形成因子：A、太阳辐射、太阳辐射大气运动最根本的能源。大气运动最根本的能源。 B、地面状况、地面状况大气直接的热源和水源。大气直接的热源和水源。 C、大气环流、大气环流双重性质双重性质。 D、

13、人类活动、人类活动释放能量、改变地表特性释放能量、改变地表特性。 太阳辐射太阳辐射大气环流大气环流气候气候地面状况地面状况人类活动人类活动1.2 城市气象 城市气象的概念： 在区域气候背景下，经过城市化后，在大城市的特殊下垫面和城市中人类活动的影响下形成的一种局地气候。思考题 1. 城市发展面临的环境恶化问题。城市发展面临的环境恶化问题。 2. 大气污染产生的后果。大气污染产生的后果。 3. 什么是酸雨？什么是酸雨？ 4. 环境科学研究的环境包括哪些？环境科学研究的环境包括哪些？ 5. 什么是城市气象？什么是城市气象？1.3 城市气象的特点、成因、研究对象和任务城市与郊区气象差异的比较城市与郊

14、区气象差异的比较城市气象的特点城市气象的特点浑浊岛浑浊岛热岛热岛干岛干岛湿岛湿岛雨岛雨岛城市气象城市气象 主要特征主要特征城市气象的特点城市气象的特点城市气象的特点城市气象的特点马斯河谷事件马斯河谷事件 1930年12月的某天，比利时缪斯河谷地区数百位居民突然病倒，其中60人死亡。多诺拉事件多诺拉事件 1948年10月末，美国1.4万人的工业小镇多诺拉一下子有6000多人患病，17人死亡。伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件1952年12月5-8日，大雾笼罩伦敦城，死亡4000多人。两个月后，又有陆续8000人丧生。城市气象的特点城市气象的特点美国洛杉矶光化学烟油事件（光化学反应形成二次美国洛杉矶光化学烟

15、油事件（光化学反应形成二次污染物）污染物） 洛杉矶是美国的工业城市，洛杉矶是美国的工业城市，1952年洛杉矶有年洛杉矶有250多万辆汽车，这些汽车排放大量的多万辆汽车，这些汽车排放大量的氮氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳碳氢化合物和一氧化碳。由于阳光强烈，汽车排放。由于阳光强烈，汽车排放的尾气引起的尾气引起以臭氧为主的光化学烟雾以臭氧为主的光化学烟雾，使，使数百人死数百人死亡，植物大面积受害亡，植物大面积受害。日本四日市事件（大气污染）日本四日市事件（大气污染） 1955年日本四日市建成第一座炼油厂，年日本四日市建成第一座炼油厂，1961年因当地年因当地工厂废气排放工厂废气排放，造成，造

16、成哮喘病大流行哮喘病大流行，到，到1972年为止，患者达年为止，患者达6000多人多人。大气污染产生的后果大气污染的后果能有多严重？大气污染的后果能有多严重？外星人被熏掉下来了外星人被熏掉下来了城市气象的特点城市气象的特点大气污染产生的后果大气污染的后果能有多严重？大气污染的后果能有多严重？骑扫帚飞的巫婆被熏掉下来了骑扫帚飞的巫婆被熏掉下来了城市气象的特点城市气象的特点大气污染产生的后果大气污染的后果能有多严重？大气污染的后果能有多严重？丘比特都被熏掉下来了丘比特都被熏掉下来了城市气象的特点城市气象的特点城市热岛城市气象的特点城市气象的特点广州市热岛分布图广州市热岛分布图利用实测气象数据进行北

17、京市热岛分布研究效果图城市气象的特点城市气象的特点城市气候的成因城市气候的成因 城市化的特点城市化的特点非农业人口高度聚居的区域非农业人口高度聚居的区域高强度的经济活动地区高强度的经济活动地区具有特殊性质的下垫面具有特殊性质的下垫面下垫面下垫面 ( underlying surface) 是指与大气下层直接接触的地球表面。大是指与大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。它包括地形、地质、土壤和植被等，的下垫面。它包括地形、地质、土壤和植被等，是影响气候的重要因素之一。是影响气候的重要因素之一。 具有特殊性质的下垫面

18、具有特殊性质的下垫面 人工建筑物高度集中，以人工建筑物高度集中，以水泥水泥、沥青沥青、砖砖石石、金属金属和和合成材料合成材料等坚硬密实、干燥不透水的等坚硬密实、干燥不透水的建筑材料代替了原来建筑材料代替了原来疏松疏松和和植物覆盖植物覆盖的的土壤土壤或或空空旷的荒地旷的荒地，城市下垫面的物质构成和几何形状与，城市下垫面的物质构成和几何形状与郊区不同。郊区不同。城市气候的成因城市气候的成因城市用地组成城市用地组成城市气候的成因城市气候的成因 城市用地组成：城市用地组成：（1）工业用地工业用地（2）商业用地商业用地（3）生活居住生活居住用地用地（4）对外交通用地对外交通用地（5）仓库用地仓库用地；（

19、6）学校用地学校用地；（；（7）园林绿化用地园林绿化用地；（；（8）公共建筑用地公共建筑用地；（；（9）特殊用地特殊用地（10）公共公共事业用地事业用地（11）其它用地其它用地（12）水面水面城市气候的成因城市气候的成因（1）同体积的城市下垫面与农村下垫面相比，城市）同体积的城市下垫面与农村下垫面相比，城市下垫面具有较大的导热率和较小的热容量。这种差下垫面具有较大的导热率和较小的热容量。这种差异使得城市下垫面增温比农村下垫面要快；在同样异使得城市下垫面增温比农村下垫面要快；在同样的入射强度下，温度升高的要多。城市的立体建筑的入射强度下，温度升高的要多。城市的立体建筑更增大了受热面积，使得城市下

20、垫面总的热容量要更增大了受热面积，使得城市下垫面总的热容量要比农村的大。比农村的大。 城市气候的成因城市气候的成因（2） 城市的植被面积小，不透水面积大，使城市城市的植被面积小，不透水面积大，使城市下垫面的下垫面的储藏水分的能力比郊区农村小储藏水分的能力比郊区农村小，因而水，因而水分蒸发小，分蒸发小，蒸发耗热也小蒸发耗热也小。因此。因此城市下垫面热量城市下垫面热量容易积聚容易积聚。 （3）此外，城市下垫面比郊区农村的粗糙，）此外，城市下垫面比郊区农村的粗糙，低层风速低层风速小小。城市气候的成因城市气候的成因（4）城市高强度的经济活动中，要消耗大量城市高强度的经济活动中，要消耗大量的能源的能源

21、影响城市空气的影响城市空气的透明度，减弱能见度透明度，减弱能见度，为为云、雾和降水提供丰富的凝结核云、雾和降水提供丰富的凝结核。 另外在各种燃料燃烧时所排放出的另外在各种燃料燃烧时所排放出的二氧二氧化碳化碳虽然无毒，但产生的虽然无毒，但产生的温室效应温室效应。城市气候的成因城市气候的成因（5）工业生产、居民生活消耗能源的同时产）工业生产、居民生活消耗能源的同时产生了一定量的生了一定量的“废热废热”及空调热量和人体新及空调热量和人体新陈代谢等所排出的陈代谢等所排出的“人为热人为热”另外在化石燃另外在化石燃料燃烧过程中还有料燃烧过程中还有“人为水汽人为水汽”的排放，这的排放，这些又使城市的能量平衡

22、和水分平衡与郊区不些又使城市的能量平衡和水分平衡与郊区不同。同。 正是由于城市化地区的特点，使城市除了受当地纬度、太阳辐射、大气环流和海陆位置和地形地貌等区域气候因素的所用外，还在人类活动的影响下，通过下垫面和近层大气的辐射、热力、水分、空气质量和空气动力学性质的改变，形成了有别于附近郊区的局地气候。城市气候的成因城市气候的成因城市气候学研究尺度城市气候学研究对象 城市气候所涉及的范围主要包括三个部分城市气候所涉及的范围主要包括三个部分: 即即城市覆盖层城市覆盖层、城市边界层城市边界层和和市尾烟气层市尾烟气层城市气候所波及的范围城市气候所波及的范围城市气候的研究任务研究任务： 城市气候观测 分

23、析城市气候各要素的特征及其相互关联性 研究城市气候形成的原因和过程 研究并建立城市大气覆盖层和边界层数值模式 探讨改善城市气候条件的途径，进行城市气候应用领域的研究城市气候的研究任务 (一一)城市气候观测城市气候观测 （1）城市覆盖层内部小气候的观测）城市覆盖层内部小气候的观测 （2）城市、近郊和远郊乡村近地层对比观测）城市、近郊和远郊乡村近地层对比观测 （3）城市和附近郊区较大范围的三度空间观测）城市和附近郊区较大范围的三度空间观测 （4）城市和附近郊区下垫面特征的观测）城市和附近郊区下垫面特征的观测城市气候的研究任务 (二二)分析城市气候各要素的特征及其相分析城市气候各要素的特征及其相互关

24、联性互关联性 在积累大量观测资料的基础上，分析在积累大量观测资料的基础上，分析城市日照、辐射、气温，风速、风向、湿城市日照、辐射、气温，风速、风向、湿度、云、雾、降水和有关大气污染等方面度、云、雾、降水和有关大气污染等方面的特征，研究各要素之间的相互关联和相的特征，研究各要素之间的相互关联和相互制约的规律性。互制约的规律性。城市气候的研究任务 (三三)研究城市气候形成的原因和过程研究城市气候形成的原因和过程 在掌握城市气候特征的基础上，从自在掌握城市气候特征的基础上，从自然因素和人为因素两方面的结合上，研究然因素和人为因素两方面的结合上，研究城市气候形成的原因和过程，特别是要研城市气候形成的原

25、因和过程，特别是要研究城市人类活动如何影响气候这个理论问究城市人类活动如何影响气候这个理论问题。题。城市气候的研究任务城市气候的研究任务 (四)研究并建立城市大气覆盖层和边界层数值模式 城市气候的研究必须从定性向定量研究转变定性向定量研究转变，用数值实验数值实验的方法，控制不同物理过程不同物理过程和边界条件边界条件来模拟城市大气覆盖层和边界层城市大气覆盖层和边界层中的风场、温度场和湿度场等要素变化的物理特性和污染物的扩散规律。 随着数值模式的不断改进和完善，才能使城市气候学进一步发展具有预报未来城市气候变化的能力。城市气候的研究任务城市气候的研究任务 (五) 探讨改善城市气候条件的途径，进行城

26、市气候应用领域的研究 城市气候学的应用领域甚广，它与城市城市规划、建筑设计、能源利用、环境保护规划、建筑设计、能源利用、环境保护等都有密切的关系。4.城市气象学的发展简史和新动向 19世纪初期英国的Luke Howard（1772-1864）开始真正系统的研究城市气候。在19世纪，城市气候研究以气温最为普遍。 到20世纪，城市气候研究的要素越来越多，研究地区也愈益扩大。 进入20世纪80年代之后，城市气候的研究取得显著性的进展。研究新动向：研究新动向：气象卫星资料的运用气象卫星资料的运用城市气象环境模拟研究城市气象环境模拟研究 城市气象要素与郊区差别研究全面开展城市气象要素与郊区差别研究全面开

27、展4.城市气象学的发展简史和新动向应用新动向应用新动向(1)城市生命线的气象保障。城市生命线的气象保障。(2)城市建设规划与城市环境气象。城市建设规划与城市环境气象。(3)城市空气污染预报。城市空气污染预报。(4)医疗气象预报。医疗气象预报。(5)城市生活、休闲气象指数预报。城市生活、休闲气象指数预报。(6)商业气象指数。商业气象指数。4.城市气象学的发展简史和新动向5.城市气候学研究方法 历史对比法历史对比法 周末与工作日对比法周末与工作日对比法 城郊对比法城郊对比法 城市内部不同下垫面对比法城市内部不同下垫面对比法 模拟试验法等模拟试验法等 用数学物理方法建立模式用数学物理方法建立模式1.

28、5 城市气候的研究方法 (一一)历史对比法历史对比法 为了研究城市化对气候的影响，对某为了研究城市化对气候的影响，对某些发展得比较快的城市，可以对比其多年些发展得比较快的城市，可以对比其多年气候资料，分析它在城市化前后和发展过气候资料，分析它在城市化前后和发展过程中气候的变化，予以论证。程中气候的变化，予以论证。 在应用此法时必须注意以下两个问题：在应用此法时必须注意以下两个问题： （1）某一城市气候资料来源。）某一城市气候资料来源。 （2）大区域气候因子）大区域气候因子(如太阳黑子、大气如太阳黑子、大气环流的变化等环流的变化等)所引起的气候自然变化。所引起的气候自然变化。1.5 城市气候的研

29、究方法 (二二)周末与工作日对比法周末与工作日对比法 在一些大城市中工厂、机关、学校及在一些大城市中工厂、机关、学校及其他企业皆在周末其他企业皆在周末(星期六及星期日星期六及星期日)休假。休假。人类活动对城市气候的影响在周末要比其人类活动对城市气候的影响在周末要比其他工作日他工作日(星期一到星期五星期一到星期五)小些。小些。1.5 城市气候的研究方法 (三三)城、郊对比法（常用的方法）城、郊对比法（常用的方法） 应用城市气候资料应用城市气候资料(Mu)与郊区同时间观测资料与郊区同时间观测资料(Mr)进进行对比，两者的差值可作为城市对气候影响的重要标志。行对比，两者的差值可作为城市对气候影响的重

30、要标志。在应用此法时必须注意以下几个问题在应用此法时必须注意以下几个问题: (1)注意城区站注意城区站(u)和郊区站和郊区站(r)的选址问题。为了滤去的选址问题。为了滤去自然地理因子的影响，自然地理因子的影响，u和和r站必须具有站必须具有相似的地形、海拔相似的地形、海拔高度和区域气候条件高度和区域气候条件。 （2）要注意观测时间的同步性和使用仪器的一致性，）要注意观测时间的同步性和使用仪器的一致性，便于资料的对比。便于资料的对比。研究城、郊太阳辐射的差别盛行西风盛行西风近郊站近郊站城区站城区站远郊站远郊站1.5 城市气候的研究研究方法(四四)城市内部不同性质下垫面对比法城市内部不同性质下垫面对比法 城市内部具有多种不同性质的下垫面，城市内部具有多种不同性质的下垫面，在进行城市