城市气象学课件：04_2城市能量通量

1、第四章 城市能量通量（二）,1,共87第,单位：Wm-2 注意各能量通量有方向性！ 如何理解该能量平衡方程的意义？,: 入射短波辐射通量 : 反射短波辐射通量 : 地表出射长波辐射通量: 大气向下长波辐射通量，即大气逆辐射,2,共87第,1、太阳总入射辐射：,太阳直接辐射S 是平行辐射 太阳散射辐射D不是平行辐射 影响因子：太阳高度角、大气透明度、下垫面形态,3,共87第,天空视因子1,天空视因子：站在某点，仰望天空，所见天空的立体角与半球立体角的比值，介于01，用于 散射辐射的计算,若无遮挡半球空间，天空视因子：,若被遮挡半个半球空间，天空视因子：,4,共87第,天空视因子2,Fish-ey

2、e lens photographs looking up at the sky zenith point from (a) an open parking lot, sky view factor1.0, (d) the centre of the floor of a street canyon in central Vancouver, sky view factor =0.41. from T R Oke,5,共87第,太阳总入射辐射的城乡差异1,一般： 城市中太阳直接辐射小于乡村，为什么？ 建筑物遮挡、大气透明度减小！ 城市中太阳散射辐射大于乡村，为什么？ 污染！ 总体： 城市中太阳

3、总辐射小于乡村 城市中散射辐射的增加不能弥补直接辐射的减少,6,共87第,太阳总入射辐射的城乡差异2,城市太阳辐射中短波辐射所占比例小于乡村，为什么？ 城市气溶胶散射效应，散射强度与波长四次方成反比！ 污染成分O3、NO2等易吸收紫外,7,共87第,太阳总入射辐射的城乡差异3,城市太阳辐射时空变化比乡村复杂，为什么？ 城市：日、周、季节变化 城市：局地差异 城市：与风向关系，污染因素,8,共87第,例：时间变化,请关注太阳总辐射、直接辐射、散射辐射的变化趋势,9,共87第,例：光谱成分,10,共87第,例：月变化,11,共87第,例：周变化,12,共87第,2、反射太阳辐射：,反照(射)率：反

4、射太阳辐射与入射太阳辐射之比,反照率与波长有关 反照率有时间变化 反照率与下垫面有关,13,共87第,例：反照率与波长有关,14,共87第,例：反照率与波长有关,15,共87第,例：城市反照率,16,共87第,城乡反照率差异,城市反照率一般小于乡村反照率，为什么？ 城区绿地少，建筑多 城区立体下垫面，多次反射、吸收,17,共87第,如何估算城市下垫面反照率,城市下垫面为非均匀下垫面，其组成有建筑物、植被、土壤、水体等，采用何种方法估算其总的反照率？ 遥感手段！如气象卫星AVHRR, Advanced Very High Resolution Radiometers, 改进的甚高分辨率辐射计,1

5、8,共87第,3、地面长波辐射：,地面向上放射的长波：用斯蒂芬玻尔兹曼定律,为地面相对发射率，若是黑体，则 =1 地面长波辐射与地面温度的4次方成正比,19,共87第,地面相对发射率,20,共87第,城乡差异,21,共87第,如何获取城市下垫面的温度,得到城市下垫面温度是比较困难的 一般气象台站提供的地温是局地值，很难代表城市各种不同下垫面的温度特征。 比较有效的方法：遥感！利用热红外遥感测温仪器安装于飞机或卫星，取得热红外遥感资料，经处理，换算求得各种不同下垫面的温度。优点：时间同步性、点为密集性、区域广延性,22,共87第,例: MODIS卫星获取城市下垫面温度,Spatial varia

6、nce of surface temperature valid at 0200 LST 31 October, 2003 by 5-km resolution MODIS,2003 land-use obtained from HKPD. From Lo CF, 2006,23,共87第,4、大气逆辐射：,大气向下的长波辐射： 大气不善于吸收太阳短波辐射，而善于吸收地面发射的长波辐射。 城市中CO2浓度高，更易吸收地面长波 所以城区大气逆辐射往往大于郊区 大气逆辐射与风向、风速、云量、水汽压、污染 等都有关系 如何估算大气逆辐射？能否利用斯蒂芬玻尔兹曼公式？当然能！,Ta为百叶箱气温，直接这

7、样写，可以吗？为什么？,24,共87第,大气逆辐射经验公式1,Angstron公式：,Brunt公式：,Swinbank公式：,Idso & Jackson公式：,Ta为百叶箱气温（K），e为水汽压（hPa），大气逆辐射单位：mW/cm2,25,共87第,大气逆辐射经验公式2,Aida & Yaji公式：,为垂直温度梯度（K/hPa），Ta为百叶箱气温（K），e为水汽压（hPa），大气逆辐射单位：W/m2。此公式考虑了气温垂直结构，更为合理，得到的结果和观测值更接近,26,共87第,例: 大气逆辐射,-Idso -Brunt -Angstron -Swinbank,27,共87第,5、城市净辐

8、射：,下垫面的净辐射由太阳总入射辐射、下垫面反照率、大气逆辐射和地面辐射四项共同决定。城市对这四项皆有明显的影响 到达城市下垫面的太阳总入射辐射比郊区小，但其下垫面的反照率也比郊区小，在短波辐射收支上，城市与郊区的差别不大 城市中大气逆辐射虽比郊区大，但地面长波辐射城市也大于郊区，因此在长波辐射收支上，城市与郊区的差别也不大,28,共87第,例：净辐射,29,共87第,30,共87第,31,共87第,32,共87第,例：各量日变化,Radiation budget components for 30 July 1971, at Matador, Saskatchewan (50N) over

9、a 02 m stand of native grass. Cloudless skies in the morning, increasing cloud in the later afternoon and evening,33,共87第,观测仪器,34,共87第,6、感热通量QH和潜热通量QE：,下垫面吸收净辐射用于干什么？一部分贮存于下垫面内部，其余呢？用于显热输送给空气或输送给地面；用于蒸发、蒸腾水分将热量即潜热输送给空气。,KH、KW :热量的湍流扩散系数、水分的湍流扩散系数,35,共87第,不稳定层结情况下的显热通量观测实例,36,共87第,湍流扩散系数影响因子,KH、KW :分

10、别为热量、水分的湍流扩散系数，这是计算显热和潜热通量的重要参数，这两个参数与什么有关？与稳定度、风速、风向切变有关。城市地区，大气稳定度一般比郊区小，易激发热力湍流；城区粗糙度比郊区大，易激发机械湍流。 显热和潜热的精确测量应抛开上述两个参数，而采用高响应仪器测量！,37,共87第,城市显热、潜热通量特征,白天，显热通量总是向上；夜间，大多向上！ 晴天午后，显热与净辐射之比一直很高！,38,共87第,城区，一般显热大于潜热。城区不透水面积大、植被少、雨后雨流失快、雪后铲除积雪,39,共87第,40,共87第,QH,QE 测量：Eddy correlation method,41,共87第,显热

11、和潜热计算：相似理论,42,共87第,Aerodynamic approach,中性层结时,43,共87第,非中性层结时,44,共87第,稳定层结时：,不稳定层结时：,用Richardson数作为稳定度判据：,45,共87第,Non-dimensional stability factor (Mx)-1 plotted logarithmically against the Richardson number stability parameter.,46,共87第,Bowen ratio-energy balance method,47,共87第,7.热传导方程及土壤热通量QG,48,共87

12、第,Idealized mean profiles of air and soil temperature near the soil/atmosphere interface in fine weather.,49,共87第,土壤热力参数,土壤比热容C：单位质量土壤温度变化一度所需热量， 单位：J kg-1 K-1,土壤容积热容量Cg：单位体积土壤温度变化一度所需热量， 单位：J m-1 K-1,土壤一般由多种物质构成，可简单划分为矿物质m、有机物质c、水分w、空气a，则土壤容积热容量可表达为：,其中为各组成物质的密度，n为各组成物质所占的体积份数。由于空气密度很小，一般情况下可以忽略。,5

13、0,共87第,几种物质的比热容和密度,水分是土壤组成物质中的最大变数，它可显著改变土壤的热力学参数,51,共87第,土壤导热率,土壤导热率g，也称土壤热传导系数，反映土壤传导热量的能力。单位：W m-1K-1，J s-1 m-1 K-1。,根据Fourier定理：热流密度q(x,y,z,t)与温度函数T(x,y,z,t)的梯度成正比，比例系数即为导热系数,热流密度q(x,y,z,t): 单位时间里通过单位横截面积的热量.气象学上也称土壤热通量QG,52,共87第,几种物质导热率,53,共87第,土壤导温率,土壤导温率kg，也称土壤热扩散系数。单位m2s-1. 数量级10-610-7。土壤热传导

14、率和体积热容量之比,意义：单位体积土壤单位时间内获得g热量时引起的温度变化,54,共87第,土壤热传导方程,热流从一个面流入，从另一个面穿出，净流人体积元的热量等于从一些面元流入的减去从其它面元流出的热量这里符号规则规定热流流出为正单位时间内流入小体积元内的总热量dQ为：,其中使用了Fourier定理,55,共87第,如果小体积元内无热源，则小体积元的温度变化正比于流入净热量，由比热定律有,对于均匀和各向同性介质，C, ,g为常数,齐次热传导方程,这个推导有问题吗？,56,共87第,若物体内部有热源，比如有电流或有化学反应产生了热量，将单位时间单位体积产热率称为热密度，记为F= ( x , y

15、 , z , t )导出非齐次热传导方程：,57,共87第,方程的定解条件：初始条件，热传导方程只需一个初值条件，因为热传导方程只含有温度的时间一阶偏导数。,58,共87第,第一类边界条件,当研究有界区域内的温度分布，边界条件通常有三大类： 第一类边界条件: 若已知区域边界上温度分布，则可以归结为第一类边界条件：,T1为边界上的已知数。例如，预报土壤温度变化时，常假定表层土壤温度为周期变化，比如日变化。,59,共87第,第二类边界条件,若已知区域边界上的热流密度。由Fourier定律，这实际上表示温度沿界面的法向导数是已知的，则可归结为第二类边界条件:,n为边界的外法向单位向量。做为特例：绝热

16、边界条件，T20。 另例：净辐射潜热通量显热通量土壤热通量,60,共87第,第三类边界条件,周围介质,假设已知周围介质在物体表面的温度为T 1 (x , y, z ,t )。在表面，物体和外部介质间有温度差:,从而就有热量的流动。它满足Newton ( 牛顿 )热交换定律：在无穷小时段内，经物体表面上的无穷小面积流到周围介质中去的热量和物体与介质在接触面上的温度差成正比。,61,共87第,由周围介质流入的热量：ds面元面积，H比例常数,由前述的傅立叶定律知dt时间内从物体内部流向边界面积元ds的热量为：,上述两个热量应该相等，所以,得到第三类边界条件：,其中,62,共87第,初值问题,如果所考

17、虑的物体体积很大，只需要知道在较短时间内和距离物体界面较远的局部范围内的温度变化情况，这时边界条件的影响可以忽略不计，把所考察的区域视为充满整个空间。定解问题就可结归为初值问题：,以上为三维情况，在一些特殊情况下，可降为二维甚至一维,63,共87第,8.人为热通量QF,人为热的来源包括由人类生活、生产活动、生物新陈代谢所产生的热量。在城市由于人口密度大，在工业生产、家庭炉灶、汽车、摩托车等排放的废热及空调所排出的热量，远比郊区为大。这是城市气候中一宗额外的热量收入。 人为热在城市能量平衡中究竟占有多大的重要性，要看城市所在的纬度、城市的规模、人口密度、每个人所消耗的能量水平、城市的性质以及区域

18、气候条件等而论并有明显的季节变化、日变化，在某些西方国家还有周变化，必须就具体城市进行具体分析，不能一概而论,64,共87第,Wikipedia: Anthropogenic heat is heat generated by humans and human activity. The American Meteorological Society defines it as Heat released to the atmosphere as a result of human activities, often involving combustion of fuels. Sources

19、 include industrial plants, space heating and cooling, human metabolism, and vehicle exhausts. In cities this source typically contributes 1550 Wm2 to the local heat balance, and several hundred Wm2 in the center of large cities in cold climates and industrial areas. Estimates of anthropogenic heat

20、generation can be made by totaling all the energy used for heating and cooling, running appliances, transportation, and industrial processes, plus that directly emitted by human metabolism.,65,共87第,如何估算人为热通量,There are two approaches for estimating the anthropogenic heat flux:,the inventory-based app

21、roach top-down approach bottom-up approach energy balance closure approach.,66,共87第,有些研究可能分类不同，比如有的按工业区、商业区、居住区分类，但估算的方法还是一样的,67,共87第,From Quah 2012,交通人为热通量,68,共87第,Singapore, From Quah 2012,69,共87第,建筑人为热通量,70,共87第,注意两个纵坐标的刻度不一样！,71,共87第,新陈代谢热通量,72,共87第,Schlieren photograph of a childs face showing

22、regions of relatively warm air (light) and cool air (dark). The light layer immediately adjacent to the face is the laminar boundary layer (after Gates, 1972). 详细介绍请参见：Oke, Boundary Layer Climate.,73,共87第,74,共87第,例：假设一个城市占地1010km2，人口100万，估算新陈代谢排放的热通量，设单个人新陈代谢100W：,urban,75,共87第,76,共87第,77,共87第,9. 贮存热通量 QS,Schematic showing elements used to estimate heat storage flux. Storage is calculated for the volume below flux measurement height zm to the depth of fixed soil temperature Tf