城市环境与生态第十一章

1、第十一章第十一章 城市气候城市气候 第一节第一节 城市气候概述城市气候概述 第二节第二节 城市气温城市气温 第三节第三节 城市的风城市的风 第四节第四节 城市湿度与降水城市湿度与降水第一节第一节 城市气候概述城市气候概述一、概念一、概念 城市气候：城市特殊下垫面和人类活动影响下形成城市气候：城市特殊下垫面和人类活动影响下形成的一种不同于其周围地区的特殊小气候。的一种不同于其周围地区的特殊小气候。二、研究方法二、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；城市内部不同性质下垫面对比法；城市内部不同性质下垫面对比法； 模拟实验法；模拟实验法；

2、应用数学物理方法建立模式。应用数学物理方法建立模式。三、城市气候环境三、城市气候环境v 城市化地区的特点城市化地区的特点高度密集的人口、高强度的经济活动、特殊的下垫面。高度密集的人口、高强度的经济活动、特殊的下垫面。因此城市气候不仅受纬度、大气环流、海陆位置、地因此城市气候不仅受纬度、大气环流、海陆位置、地形地貌等区域性气候要素的影响，还受以上因素的影形地貌等区域性气候要素的影响，还受以上因素的影响，从而形成特殊的局地气候。响，从而形成特殊的局地气候。四、城市气候的涉及范围四、城市气候的涉及范围v 城市覆盖层；城市边界层；城市羽尾层（市尾烟城市覆盖层；城市边界层；城市羽尾层（市尾烟气层）；乡村

3、边界层气层）；乡村边界层 主导风向主导风向五、城市特殊环境对其气候的影响五、城市特殊环境对其气候的影响1. 大气污染对城市气候的影响大气污染对城市气候的影响l减弱太阳入射辐射减弱太阳入射辐射(冬季太阳高度角较小时减弱尤冬季太阳高度角较小时减弱尤甚甚)和日照时数和日照时数l增加城市烟雾频率、降低能见度增加城市烟雾频率、降低能见度l改变城市大气的热力性质改变城市大气的热力性质(太阳辐射吸收率、长波太阳辐射吸收率、长波反射、热容量等反射、热容量等)2. 特殊下垫面对城市气候的影响特殊下垫面对城市气候的影响l 建筑物密集、纵横交错建筑物密集、纵横交错 地面风速减小；城区空气湍流增加；改变风向。地面风速

4、减小；城区空气湍流增加；改变风向。l 下垫面坚硬密实不透水、吸水性差下垫面坚硬密实不透水、吸水性差 降水时径流过程加速，降水过后地面迅速变干，使降水时径流过程加速，降水过后地面迅速变干，使得水分蒸发和蒸腾作用相应减弱。得水分蒸发和蒸腾作用相应减弱。l 下垫面反射率小、建筑材料的导热率和下垫面反射率小、建筑材料的导热率和热容量热容量均比均比郊区高郊区高 城区热贮存量比郊区大。城区热贮存量比郊区大。比比比比蒸发蒸发漫反射漫反射反射反射反射反射漫反射漫反射蒸发蒸发漫反射漫反射反射反射吸收吸收吸收吸收吸收吸收3. 人为热对城市气候的影响人为热对城市气候的影响 人为热：人为热：由人类生活和生产活动以及生

5、物新陈代由人类生活和生产活动以及生物新陈代谢产生的热量。谢产生的热量。 北欧不少城市单位面积的人为释热量已超过太阳辐北欧不少城市单位面积的人为释热量已超过太阳辐射量，随着生活质量的提高，人为热的总量和强度射量，随着生活质量的提高，人为热的总量和强度均在持续增长。均在持续增长。 影响：影响：人为热直接改变了局地的热平衡，加剧了人为热直接改变了局地的热平衡，加剧了城市的热岛效应。城市的热岛效应。表现：冬季取暖等导致城市高温，表现：冬季取暖等导致城市高温，夏季制冷需求也使得城市更热。夏季制冷需求也使得城市更热。第二节第二节 城市气温城市气温一一 城市热平衡城市热平衡 QS = Qn + QFQHQE

6、nQS 下垫面贮热量；下垫面贮热量；nQn 覆盖层内净辐射得热量；覆盖层内净辐射得热量；nQF 覆盖层内人为热释放量；覆盖层内人为热释放量；nQH 覆盖层内显热交换量覆盖层内显热交换量(大气湍流大气湍流)；nQE 覆盖层内潜热交换量覆盖层内潜热交换量(水分与空气间水分与空气间)。1. 城市覆盖层内净辐射得热量城市覆盖层内净辐射得热量l城市总辐射量比郊区城市总辐射量比郊区弱弱(大气透明度低大气透明度低)；l城市下垫面对太阳辐射的反射率城市下垫面对太阳辐射的反射率小小(多次反射，能量多次反射，能量被大量吸收被大量吸收)；l城市覆盖层长波辐射能量交换损失城市覆盖层长波辐射能量交换损失小于小于郊区。郊

7、区。2. 城市覆盖层内人为热释放量城市覆盖层内人为热释放量l城市人为热释放量远大于郊区；城市人为热释放量远大于郊区；l不同城市人为热在能量平衡中所占的比重不同，不同城市人为热在能量平衡中所占的比重不同，主要影响因素有：主要影响因素有：纬度（高纬比重大）、区域气纬度（高纬比重大）、区域气候条件、人口密度、工业和交通运输量的大小等；候条件、人口密度、工业和交通运输量的大小等；l同一城市人为热存在明显的季节变化和日变化。同一城市人为热存在明显的季节变化和日变化。克克3. 城市覆盖层内潜热交换量城市覆盖层内潜热交换量l 城市潜热交换的主要物理过程城市潜热交换的主要物理过程 水分的蒸发与凝结；冰雪的融化

8、与凝固；冰面的水分的蒸发与凝结；冰雪的融化与凝固；冰面的升华与凝华。升华与凝华。l 潜热交换量的大小主要取决于潜热交换量的大小主要取决于水分相变量的大小，水分相变量的大小， 城市水分相变量大大小于郊区，故潜热交换量也小城市水分相变量大大小于郊区，故潜热交换量也小于郊区。于郊区。 因城市不透水面积大、雪面升华作用小、植物对因城市不透水面积大、雪面升华作用小、植物对汽化潜热的影响作用小。汽化潜热的影响作用小。4. 城市大气显热交换量城市大气显热交换量覆盖层与地面热交换，覆盖层与地面热交换，城市与郊区大致相同；城市与郊区大致相同；对流换热量，对流换热量，由由热力紊流热力紊流和和机械紊流机械紊流引起的

9、热量传引起的热量传递。城市易发生热力湍流和递。城市易发生热力湍流和机械紊流机械紊流，热交换量大，热交换量大于郊区。于郊区。 QS = Qn + QFQHQE总之，城市得热量大于郊区，失热量小于郊区，因总之，城市得热量大于郊区，失热量小于郊区，因此气温高于郊区。此气温高于郊区。二二 城市热岛效应城市热岛效应1. 概念概念 城市气温高于四周郊区气温的现象城市气温高于四周郊区气温的现象2. 表现表现 由农村至城市边缘的近郊，气温陡然升高，形成由农村至城市边缘的近郊，气温陡然升高，形成“陡岸陡岸”；进入城市后温度梯度变得平缓，形成；进入城市后温度梯度变得平缓，形成“高高原原”；到城市中心，人口和建筑密

10、度增加，温度更高，；到城市中心，人口和建筑密度增加，温度更高，形成形成“高峰高峰”三三 城市热岛的成因城市热岛的成因1. 城市下垫面的影响城市下垫面的影响l 城市内的混凝土、柏油路面及各种建筑墙面等，吸城市内的混凝土、柏油路面及各种建筑墙面等，吸热快而热容量小，在相同太阳辐射下，比自然下垫面热快而热容量小，在相同太阳辐射下，比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，因而表面温度明显高于自（绿地、水面等）升温快，因而表面温度明显高于自然下垫面；然下垫面；l 城市的建筑物、道路、广场等地面不透水；城市的建筑物、道路、广场等地面不透水；l 建筑密集，不利于热量的扩散。建筑密集，不利于热量的扩散。2. 人工

11、热的影响人工热的影响l 工厂生产、交通运输以及居民生活都在排放热量；工厂生产、交通运输以及居民生活都在排放热量；l 随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱少，缓解热岛效应的能力被削弱 。3. 城市大气污染的影响城市大气污染的影响l 城市交通、工业生产以及居民生活产生的大量污染城市交通、工业生产以及居民生活产生的大量污染气体形成温室效应，进一步引起大气升温。气体形成温室效应，进一步引起大气升温。四四 城市热岛的生态环境效应城市热

12、岛的生态环境效应v 中纬度地区城市热岛生态环境效应中纬度地区城市热岛生态环境效应 冬季：节省取暖的能量消耗，削减大气污染；减少冬季：节省取暖的能量消耗，削减大气污染；减少城市积雪，延长无霜期，利于植物生长（有利）；城市积雪，延长无霜期，利于植物生长（有利）； 夏季：加强城市高温的酷热程度，严重时引起人体夏季：加强城市高温的酷热程度，严重时引起人体中暑和心血管疾病；空调降温消耗能量，污染环境。中暑和心血管疾病；空调降温消耗能量，污染环境。v 削减夏季城市热岛效应是防御城市夏季高温灾害、削减夏季城市热岛效应是防御城市夏季高温灾害、减少经济损失和保护城市生态环境的一项重要措施。减少经济损失和保护城市

13、生态环境的一项重要措施。第三节第三节 城市的风城市的风一一 城市对风的影响城市对风的影响v 市区建筑物密集，增大了下垫面粗糙度，市区建筑物密集，增大了下垫面粗糙度，风速一般风速一般小于郊区，小于郊区，但是，城市中由于狭管效应造成的但是，城市中由于狭管效应造成的“弄堂弄堂风风”(峡谷效应峡谷效应)，又比自然风速大很多；，又比自然风速大很多；v 由于热岛效应，市区低空气压比郊区低，常发生由由于热岛效应，市区低空气压比郊区低，常发生由郊区向市区辐合的郊区向市区辐合的热岛环流热岛环流。但在自然风速较大时，。但在自然风速较大时，这种风便被破坏而消失。这种风便被破坏而消失。二二 风与城市规划风与城市规划1

14、. 盛行风与城市规划：盛行风与城市规划：l 季风区：季风区：排污的工厂布置在城市最小风频方向的上排污的工厂布置在城市最小风频方向的上风方向；风方向；l 主导风向区：主导风向区：工厂布置在主导风向的下风侧；居住工厂布置在主导风向的下风侧；居住区置于上风侧；区置于上风侧；l 无主导风向区：无主导风向区：工厂置于最大平均风速风向的下风工厂置于最大平均风速风向的下风方向，或置于污染系数或污染风频最小的方位；方向，或置于污染系数或污染风频最小的方位；l 准静止风型区：准静止风型区：工厂置于卫生防护距离之外。工厂置于卫生防护距离之外。2. 局地环流与城市规划局地环流与城市规划l海陆风，山谷风海陆风，山谷风

15、l城市热岛环流城市热岛环流l街道风、弄堂风街道风、弄堂风第四节第四节 城市城市“五岛五岛”效应效应 “五岛五岛”效应：热岛、干岛、湿岛、浑浊岛、雨岛效应：热岛、干岛、湿岛、浑浊岛、雨岛1. 城市干岛城市干岛 城区的绝对湿度和相对湿度都比郊区小。城区的绝对湿度和相对湿度都比郊区小。 城市特殊下垫及发达的排水系统，使其地面比较干城市特殊下垫及发达的排水系统，使其地面比较干燥，蒸发很少，因而水汽含量燥，蒸发很少，因而水汽含量(绝对湿度绝对湿度)低于郊区；低于郊区；相对湿度则因市区温度高，以致偏低更甚相对湿度则因市区温度高，以致偏低更甚 。2. 城市湿岛城市湿岛 夜间，地面迅速冷却，气温垂直递减率减小

16、，水汽夜间，地面迅速冷却，气温垂直递减率减小，水汽向上输送量随之减少；由于城市热岛效应使市区气温向上输送量随之减少；由于城市热岛效应使市区气温较高，水汽不易凝结。从而近地层空气中的水汽含量较高，水汽不易凝结。从而近地层空气中的水汽含量反而高于郊区。反而高于郊区。 但与但与“干岛干岛”效应相比，这是次要的。效应相比，这是次要的。3. 城市混浊岛城市混浊岛 城市工业、交通、居民生活等排放大量的烟尘，大城市工业、交通、居民生活等排放大量的烟尘，大气能见度低；另一方面，城市大气中含较多的吸湿性气能见度低；另一方面，城市大气中含较多的吸湿性微粒，在微粒，在70%的相对湿度下，就能使水汽凝结，雾日的相对湿

17、度下，就能使水汽凝结，雾日增多。增多。4. 城市雨岛城市雨岛 城市上空大气层结不稳定，有利于热力对流，在城市上空大气层结不稳定，有利于热力对流，在水汽充足时，易形成对流性降水；水汽充足时，易形成对流性降水； 城市参差不齐的建筑物对气流有机械阻障，引发城市参差不齐的建筑物对气流有机械阻障，引发湍流，导致城市降水强度增强，降水时间延长；湍流，导致城市降水强度增强，降水时间延长； 城市空气中凝结核多，可促使水气凝结生成雨滴，城市空气中凝结核多，可促使水气凝结生成雨滴，从而增加降水从而增加降水 。v 城市降水量增加的直接后果：城市降水量增加的直接后果： 雨洪径流量增大；雨洪径流量增大； 加剧地面侵蚀，受纳水体污染加剧，河道淤积；加剧地面侵蚀，受纳水体污染加剧，河道淤积； 冰雹、雷暴等对人民生命财产危害，下雨能见度冰雹、雷暴等对人民生命财产危害，下雨能见度低，使交通事故增加；低，使交通事故增加； 利：利：使枯季径流增大，缓解枯季供水紧张状况。使枯季径流增大，缓解枯季供水紧张状况。 酸雨酸雨 使土壤贫瘠，损害植物生长，减弱作物的光合作使土壤贫瘠，损害植物生长，减弱作物的光合作用和抗病虫害能力，影响生产；用和抗病虫害能力，影响生产； 地下水酸化，微量