城市环境气象学_第二章_城市的日照及辐射

1、NUIST2012-02-22NUISTNUIST教学要求u了解城市日照的特点、影响因素、辐射平衡等u掌握城市中实际日照条件的分析方法、地表辐射收支特征、城市能量平衡特征NUISTu（1）城市开旷地区与同纬度同季节的平原郊区相比，其日照时数和日照百分率均小于郊区；u（2）城市内部日照的局地差异性远比平坦开阔的郊区大。NUISTNUISTNUISTNUISTNUIST9)arctan(1Lh22ECB)arctan(1xh)arctan(2xLhC点：O点：NUIST西安西安( (北纬北纬3434 ) )街道可照时间街道可照时间(h)(h)10NUIST11NUIST12NUIST 有利的方面：

2、有利的方面： (1)(1)有益于人体健康有益于人体健康 (2)(2)太阳辐射能提高室内的温度，有良好的取暖和干燥作用。太阳辐射能提高室内的温度，有良好的取暖和干燥作用。 (3)(3)日照能增强建筑物的立体感。日照能增强建筑物的立体感。 不利的作用：不利的作用： (1)(1)过量的日照造成夏季炎热地区室内过热；过量的日照造成夏季炎热地区室内过热； (2)(2)直射阳光容易产生眩光，损害视力；直射阳光容易产生眩光，损害视力； (3)(3)直射阳光对物品有褪色、变质作用。直射阳光对物品有褪色、变质作用。 13NUISTNUISTNUIST (1) (1)需要争取日照的建筑：需要争取日照的建筑：病房、

3、幼儿活动室和病房、幼儿活动室和农用日光室等，它们对日照各有特殊要求。农用日光室等，它们对日照各有特殊要求。 (2) (2)需要避免日照的建筑有两类需要避免日照的建筑有两类：一类是防止室：一类是防止室内过热；另一类是避免眩光和防止化学作用的建筑，内过热；另一类是避免眩光和防止化学作用的建筑，如展览室、阅览室、精密仪器车间，以及某些工厂，如展览室、阅览室、精密仪器车间，以及某些工厂，实验室，药品车间等。实验室，药品车间等。16NUIST 据文献研究结果，合理的建筑物遮阳设计可以使空调系统的运行能据文献研究结果，合理的建筑物遮阳设计可以使空调系统的运行能耗降低约耗降低约16%29%。17外窗、幕墙遮

4、阳措施：外窗、幕墙遮阳措施：内、外百叶遮阳内、外百叶遮阳内、外卷帘遮阳内、外卷帘遮阳玻璃内百叶遮阳玻璃内百叶遮阳活动板遮阳活动板遮阳遮阳窗帘遮阳窗帘建筑遮阳措施：建筑遮阳措施： 水平遮阳水平遮阳百叶遮阳百叶遮阳格栅（格子遮阳）格栅（格子遮阳）NUISTNUISTNUISTNUISTNUISTNUISTNUISTNUISTNUIST 应考虑应考虑日照时间、面积日照时间、面积及其及其变化范围变化范围，以保证，以保证必需的日照或避免阳光过量射入以防室内过热。必需的日照或避免阳光过量射入以防室内过热。 要相应地采取建筑措施，正确选择房屋的要相应地采取建筑措施，正确选择房屋的朝向朝向、间距间距和和布局布

5、局形式，做好窗口的遮阳处理，且综合考形式，做好窗口的遮阳处理，且综合考虑地区气候特点，房间的自然通风及节约用地等因虑地区气候特点，房间的自然通风及节约用地等因素而防止片面性。素而防止片面性。26NUIST 日照间距：日照间距：保证每套住宅至少有一间居室在冬至保证每套住宅至少有一间居室在冬至日能获得满窗日照不少于日能获得满窗日照不少于1h1h的住宅建筑之间的距离。的住宅建筑之间的距离。 计算依据：计算依据：一般是以一般是以冬至冬至（冬至日太阳高度角最冬至日太阳高度角最小小, ,一天中早晚最小，中午最大一天中早晚最小，中午最大）这一天）这一天正午正午正南向正南向房屋底层房间的窗台以上墙面能被太阳满

6、照。房屋底层房间的窗台以上墙面能被太阳满照。27NUIST式中，式中，L L日照间距日照间距(m)(m)；H H南向前排房屋檐口到后排房屋底层窗台的南向前排房屋檐口到后排房屋底层窗台的垂直高度垂直高度(m)(m)；当地冬至日正午的太阳高度角。当地冬至日正午的太阳高度角。 ta nHL28NUIST（1）地表辐射平衡）地表辐射平衡 太阳辐射通过地球大气时，产生折射、散射、反射和吸收等过程。 到达地表面的太阳总辐射，包括直接辐射和散射辐射。地表面吸收太阳辐射的同时也发出地面辐射。 地表辐射平衡地表辐射平衡是指地球表面收入的全部辐射能量与支出是指地球表面收入的全部辐射能量与支出的全部能量之间的数量关

7、系，两者之间的差额称为的全部能量之间的数量关系，两者之间的差额称为地表净辐地表净辐射射。 29,(1)nILLQQQQNUIST,LQDSQI,(1)nILLQQQQSD, LQIQNUIST31,DnILLQQSQQ地表净辐射太阳总辐射太阳直接辐射太阳散射辐射下垫面反射率大气长波逆辐射（方向向下）地面长波逆辐射（方向向上）DSQI,(1)nILLQQQQNUIST（2）太阳总辐射）太阳总辐射 是地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。晴天为直射辐射为主，散射约占总辐射的15%，阴天或太阳被云遮挡时只有散射辐射。 波长：0.154m。波长较短的紫外光区、波长较长的红外

8、光区、介于二者之间的可见光区。 能量：主要分布在可见光区和红外区，前者占50，后者占43，紫外区占7。NUIST33（3）地面辐射地面辐射地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。 地面向上放射的长波辐射和地面反射的部分大气逆辐射之和，称为。 由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在130m之间，其最大辐射的平均波长为10m，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射QL 。 NUIST34（4）大气长波逆辐射大气长波逆辐射 大气向下放射的长波辐射称为大气逆辐射(大气下行辐射)QL。 大气平均温度比地面低，其辐

9、射波长范围：7000120000nm，最大放射能力的波长为15000nm，也属于红外长波辐射。 NUIST35（5）太阳辐照度）太阳辐照度 在地面上接收到的太阳辐射流量。 度是指太阳辐射经过大气层的吸收、散射、反射等作用后到达固体地球表面上单位面积单位时间内的辐射能量单位面积单位时间内的辐射能量。其单位为：瓦特/平方米（W/）。 NUIST（1 1）城市太阳总辐射较乡村少）城市太阳总辐射较乡村少 主要影响因子：太阳高度角、大气透明程度 污染物浓度大污染物浓度大直接辐射少直接辐射少散射辐射多散射辐射多总辐射少总辐射少36NUIST（2）城市总辐射中短波辐射衰减的更显著）城市总辐射中短波辐射衰减的

10、更显著 观测证明：太阳光中的光波越短越容易遭到散射观测证明：太阳光中的光波越短越容易遭到散射 波长为波长为300nm的紫外射线被大气散射的强度为红色光波的的紫外射线被大气散射的强度为红色光波的30倍。倍。 城市大气中颗粒状污染物和气体污染物比郊区多，太阳辐射中的短城市大气中颗粒状污染物和气体污染物比郊区多，太阳辐射中的短波部分极易被散射掉。波部分极易被散射掉。O3和和NO2等气体污染物对紫外辐射吸收的效应更等气体污染物对紫外辐射吸收的效应更强。强。 因此透射到城区地面上的太阳总辐射中短波辐射所占的比例比郊区因此透射到城区地面上的太阳总辐射中短波辐射所占的比例比郊区小。小。37NUIST（3 3

11、）城市太阳总辐射的时空变化比郊区复杂城市太阳总辐射的时空变化比郊区复杂 城市中因人类活动(工业生产、交通运输等)而引起空气污染的周期性和非周期性变化，使到达城区地表的太阳总辐射的时间变化比郊区复杂。 城市中还因发展阶段不同，大气污染浓度前后有变化，使城市太阳辐射有明显的年际变化趋势，郊区主要受自然因素的影响，就没有这些复杂的变化。 城市内部太阳辐射的差异与风向关系密切。当风由城市工业区吹来，而风速又不大时，其下风方向大气污染浓度增大，太阳总辐射的辐照度减小；相反，当风向是由郊区吹向城市时，城区大气透明度有所改善，太阳总辐射的辐照度加大。38NUIST（3 3）城市太阳总辐射的时空变化比郊区复杂

12、城市太阳总辐射的时空变化比郊区复杂 城市内建筑物密度大，在各种不同走向，不同狭窄度的街道，因房屋的遮档，其可能照射到太阳直接辐射的时间，受到不同程度的限制，加上城市内部风向、风速的局地变化很大，在静风区污染物不易扩散，太阳总辐射显著减弱。在通风较畅的广场，情况相反，大气污染浓度小，太阳总辐射较强。这些因素更使得城市内部太阳总辐射的时空变化比开旷郊区要复杂得多。39NUIST 各站在周末星期六、星期日两天总辐射和紫外辐射的比值显著高于星期一至星期五的各天，其中紫外辐射比值的差距更为显著。 NUIST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NUISTNUISTn

13、2.3.2 城市城市下垫面反射率小，冬季更是如此。反射下垫面反射率小，冬季更是如此。反射率小意味着吸收率高。率小意味着吸收率高。n 原因：原因：（1 1）城区绿地面积比郊区少。）城区绿地面积比郊区少。（2 2）城市由于建筑物密度大，形成一个立体下垫面。）城市由于建筑物密度大，形成一个立体下垫面。43NUISTNUISTNUISTNUISTNUISTNUIST49NUIST504L,Q=T地面相对发射率）（波尔兹曼常数，斯蒂芬428-W/105.6696-km）下垫面温度（ KTQLNUISTNUISTQL长波辐射大长波辐射大 据据Oke等的估算，等的估算， QL的城、乡差别在夜间的城、乡差别在

14、夜间为为5-12%，而在白天为，而在白天为21%左右。左右。52NUIST53,LQ经验公式经验公式NUIST54NUISTQL大气逆辐射强 风速愈大,气温热岛强度愈弱,大气逆辐射QL城乡差异愈小。 晴昼城市大气逆辐射QL与郊区的差值比晴夜更大。 55NUIST城、郊的差别亦不大。总体说,城市地面吸收的太阳净辐射与乡村差别不大。56NUIST57NUIST58NUIST59NUISTnFHESAnFHESAQQQQQQQQQQQQ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60NUIST61 地面经城市化后，对构成辐射平

15、衡各分量都有影响，但总的效应使城乡间的净辐射Qn的差值不大。但人为热QF、湍流显热交换QH、潜热交换QE和下垫面内部储热量的变化等项，在城市与郊区间存在明显差别，这些都是产生城市气侯与郊区气候不同的原因。NUIST 人为热的来源人为热的来源包括由人类生活和生产活动以及生物新包括由人类生活和生产活动以及生物新陈代谢所产生的热量。陈代谢所产生的热量。 工业生产工业生产 家庭炉灶家庭炉灶 空调制冷空调制冷 机动车排放机动车排放 冬季取暖等冬季取暖等62NUIST63固定源热：人类生产，生活燃料燃烧产生。为主移动源热：汽车、摩托车等排放的热量。其次新陈代谢热:很小；一般可忽略NUIST影响因素：纬度、

16、取暖等生活热愈多城市规模人口密度人均能耗水平城市性质区域气候条件等64NUIST季变和日变季变：一般是夏少、冬多（见表4.2）日变：8时、17-18时两个高峰。65NUIST 指白天城市下垫面吸收太阳辐射，向下传输贮存下垫面内部的热量和夜晚地表冷却，向上输送的热量变化。 其大小决定于:组成下垫面物质的传热能力和蓄热能力；城市的组成特征（密度，几何形状，构筑方式等）66NUIST特征: 城市QS比郊区大原因：（1）城市下垫面导热率（）比郊区大3倍 （2）城市下垫面蓄热能力（热容量C）比郊区大1/3倍 （3）建筑群贮热多 建筑群密集，白天太阳辐射下，吸热面和贮热面较多，而郊区土壤表面则为植被和枯枝

17、落叶层所覆盖，其贮存的热量较少 （4）夜晚减热较慢67NUIST显热显热 对固态、液态或气态的物质加热，只要它的形态不变，则热量加进去后，物质的温度就升高，加进热量的多少在温度上能显示出来，即不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。（如将水从20升高到80 所吸收的热量，就叫显热。） 68NUIST湍流交换湍流交换 当地球表面在小范围内轻微受热不均或空气流经粗糙的下垫面时，常常造成小规模的、不太强的、无规则的空气运动，称为乱流，也叫湍流。 湍流能使空气在各个方向上得到充分混合，也使热量得

18、到交换。这种热量交换方式称为。 湍流的规模虽然较小，也不旺盛，而且一般只发生在离地约1km以下的气层内，但是，它出现得经常而又普遍，因此是地面与空气及低层大气之间热量交换的重要方式。69NUIST潜热交换潜热交换 地球表面的水分在蒸发（升华）时，要吸收下垫面的热量，并把这部分热量潜藏在蒸发（升华）出的水汽中，称为潜热潜热。 当水汽在空气中受冷而凝结（凝华）时，又会把这部分潜热释放出来，从而提高空气的温度。相反，空气中的水汽如果在下垫面上发生凝结（凝华）时，会把潜热释放出来，提高下垫面的温度。 这种地表面和大气层之间以潜热形式进行热量交换的方式称为。 70NUIST 城市下垫面吸收净辐射Qn和人

19、为热QF，一部分贮存在下垫面内部，其余的部分则通过湍流交换方式将显热QH输送给空气，另一部分则通过蒸散下垫面的水分将潜热QE输送给空气（当地面有露水凝结时，则地面从空气获得潜热）。71NUIST潜热汽时的蒸发（或升华）由水（或冰）变化为水大气比湿的垂直梯度大气位温梯度水分的湍流扩散系数热量的湍流扩散系数空气的定压比热空气密度式中VwHPwvEHpHLqKKCzqKLQzKCQzz-NUIST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，又有利于机械湍流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

20、此，的发展，因此，城市的显热总是比郊区大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，并供蒸发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，且植被覆盖也小，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，植被蒸腾的水汽量也少，因此，城市下垫面向大气提供的城市下垫面向大气提供的潜热远小于郊区。潜热远小于郊区。73NUIST 城市下垫面向空气潜热输送量的大小主要取决于：下垫面可供蒸发的水分量的多少。 城市下垫面向大气提供的潜热QE小于郊区的原因：城市不透水面积大，地表积水较少，提供给蒸发蒸腾的水分较少城市有各种排水系统，如雪天产雪。郊区植被覆盖好，有大片自然植被和人工种植的农作物74NUISTu下垫面对城市热量平衡的影响下垫面对城市热量平衡的影响75NUIST鲍文比 EHQQNUIST774NUIST78NUISTnFHESAnFHESPAnHESPAPQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ城市：近郊：远郊：式中为植物光合作用能量的变化n 城市、近郊和远郊热量平衡方程：城市、近郊和远郊热量平衡方程：79NUIST80NUISTu