城市生态与环境chapter2-3(新).ppt
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1、第三章 城市气候学,一、影响城市气候的因素 二、城市的辐射和日照 三、城市的热量平衡与城市热岛效应 四、城市的风及局部环流 五、城市的降水及水分平衡 六、城市的大气污染及与城市气候的关系 七、城市气候与城市规划和城市建设,第三章 城市气候学,一、影响城市气候的因素 城市除了受当地纬度、大气环流、海陆位置、地形等区域气候因素的作用外, 还受人类(生产与生活)活动中放出热量及水汽的影响, 因而形成有别于近郊区和乡村的局地气候。通常我们称之为城市气候。 城市气候所涉及的范围主要包括三个部分: 即城市覆盖层、城市边界层和市尾烟气层。,第三章 城市气候学,城市气候所波及的范围,第三章 城市气候学,城市气
2、候所波及的范围,第三章 城市气候学,在城市高强度的经济活动中, 要消耗大量能源。据统计一个百万人口的城市, 每天要消耗煤3000t, 石油2800t, 天然气2700t, 同时排放出粉尘约150t, 二氧化硫150t, 一氧化碳450t, 一氧化氮100t。当这些粉尘和有害气体进入空气后, 会改变大气的组成成分, 影响城市空气的透明度和辐射热能收支, 减弱能见度, 为云雾提供丰富的凝结核, 从多方面影响气候。如果污染物超过大气的自净能力, 还会造成城市大气污染。,第三章 城市气候学,由于城市居民的生活和生产活动, 使城市比郊区增 加了许多额外的热量收入。这种人为的热量在某些 中高纬度城市可以接
3、近或超过太阳辐射热量。如在 德国的汉堡每天从煤燃烧所产生的热量为167Jcm2, 而冬季地面从太阳直接辐射和天空辐射一天中所得 到的热量为175Jcm2。在莫斯科, 人为热竟超过太 阳辐射热的3倍, 对城市增温的影响十分显著。,第三章 城市气候学,此外由于城市供水、排水的方式和农村不同, 在燃烧和某些工业生产过程中还产生一定量 的“人为水汽”进入大气, 致使城市中的水分 平衡与农村有明显差异。,第三章 城市气候学,二、城市的辐射与日照 城市太阳总辐射较乡村少 污染物浓度大直接辐射少散射辐射多总辐射少 城市下垫面反射率小 冬季更是如此.反射率小意味着吸收率高 总体说,城市地面吸收的太阳辐射与乡村
4、差别不大,第三章 城市气候学,城市日照总时数和日照百分率小于乡村 1 大气污染物多,云雾多, 透明度小; 2 热岛效应所引起的对流云经常出现 城市内部日照地区差异明显 此为建筑物遮阴所致, 主要取决于街道走向, 及建 筑群高度与街道宽度之比: H/D 北墙冬半年完全荫蔽, 夏半年一天两次日照, 但时 间不长; 南墙每天一次, 但随太阳赤纬增加而减少,第三章 城市气候学,3.3 城市的热量平衡与城市热岛效应 热量平衡 人为热的大量输入: 工业生产、家庭炉灶、空调制冷、机动车排放、冬季取暖等 下垫面导热率高出乡村3倍, 热容量较乡村大1/3倍, 因而贮热量大 热收入远高于乡村,第三章 城市气候学,
5、城市热岛效应 城市热岛(urban heat island)城市内部气温比周围郊 区高的现象,城市气候中最典型的特征之一,无论是 在中高纬度或低纬度地区,这一现象均普遍存在。 城市热岛效应可以从两个方面来分析: 同一时间城市和郊区气温的对比 同一城市历史发展过程中气温的前后对比,第三章 城市气候学,城、郊气温对比 Tu-r热岛强度=同时间同高度(离地1.5m)热岛中心与近郊的气温差值。 “城市热岛”矗立在农村较凉的“海洋”之上, 国内外均如此: 冬季傍晚上海市区比郊外要高25C; 巴黎城中心年均温比郊区高1.7C,城市热岛温度剖面示意图,第三章 城市气候学,城市发展过程中气温的前后对比 随城市
6、化发展, 市区呈现出越来越暖的趋势.如东京 历史时期气温逐年变化可分三个阶段 19201942年: 气温变化趋势逐年上升(城市发展) 19421945年: 气温变化趋势逐年下降(值第二次世界大战 期间, 东京城市受到大规模的破坏, 城市热岛效应不存在) 19451967年: 气温变化趋势逐年上升(战后城市建设迅速 恢复, 气温又开始回升),日本东京19161965年年平均气温的变化,第三章 城市气候学,城市热岛强度的变化 周期性 日变化: 夜晚强, 白昼午间弱。 年变化: 冬秋两季比夏春两季表现更明显, 可能 归因于冬季城市取暖耗能较多, 释放大 量人为热量。 周变化: 明显受工休日周期影响,
7、 周末弱, 周内强,蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气),逐时降温率 T/t (C.h-1),热岛强度 Tu-r (C),城市,乡村,维也纳城市和郊区气温差值的日变化,美国两座城市冬季热岛强度Tu-r()的周变化,第三章 城市气候学,非周期性 (1)临界风速:风速大则热岛效应小,超过 临界风速时则消失 (2)云量:强热岛大多出现在无云的天气状 态下,第三章 城市气候学,北京地区热岛消失的临界风速,第三章 城市气候学,城市热岛强度的地区差异 城市热岛强度与城市的布局形状、城市地形等有密切关系。团块状紧凑布局,城中心增温效应强。条形分散结构,城中心增温效应弱。 盆地或凹地,由于风速小,热
8、岛效应特别强,这里不仅抵消了冷空气的下沉作用,反而成为最暖的热岛中心 城市规模(面积、人口及其密度等)对热岛强度亦有影响,第三章 城市气候学,城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系,第三章 城市气候学,上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(),第三章 城市气候学,城市附近自然景观以及城市内部下垫面性质亦对城市热岛强度起一定作用。无绿化的宽阔街道和广场,到中午时剧烈增温,在夜里又急剧冷却,气温日振幅最大。林荫道和有绿化的广场白昼较凉爽,气温的日振幅较小。,第三章 城市气候学,3.4 城市的风及局部环流 城市热岛环流 在天气睛朗无云,大范围内气压梯度极小的形势下, 由于城市热岛的存在,城市中形成一
9、个低压中心, 并出现上升气流。从热岛垂直结构看来,在一定 高度范围内,城市低空都比郊区同高度的空气为 暖,因此随着市区热空气的不断上升,郊区近地 面的空气必然从四面八方流入城市,风向向热岛 中心辐合。,在晴朗的夜间城市热岛环流模式,第三章 城市气候学,此时郊区因近地面层空气流失需要补充,于是热岛中心上升的空气又在一定高度上流回到郊区,在郊区下沉,形成一个缓慢的热岛环流(local heat island circulation),又称城市风系。在近地面部分风由郊区向城市辐合,称为乡村风(country breeze)。 应该指出, 向城市中心辐合的乡村风, 并不是很稳定的, 它往往具有间歇性或
10、脉动性(周期性),即吹一段时间,要停一段时间。此脉动周期约为1.52.0h。这种脉动性在夜间特别明显。,第三章 城市气候学,城市发展对盛行风的影响 随着城市的发展,人口增多,建筑物的密度和 高度增加,下垫面的粗糙度加大,因而有使城 市年平均风速减小的趋势。 上海历年风速(m/s),第三章 城市气候学,城市的平均风速比郊区小。 城市与郊区风速的差值还因时、因风速而异: 一般是白天差值大,晚上小;夏季大,冬季小。,上海地区1980年年平均风速示意图,第三章 城市气候学,城市覆盖层内部风的局地差异 从城市整体而言,其平均风速比同高度的开旷郊区小,但在城市覆盖层内部风的局地性差异很大。有些地方风速极微
11、;而在特殊情况下,某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊区。造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因是由于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高度、形式和朝向不同, 当风吹过城市中鳞次栉比、参差不齐的建筑物时, 因阻障效应产生不同的升降气流、涡动和绕流等, 使风的局地变化复杂化。,第三章 城市气候学,城市覆盖层内部风的局地差异 从城市整体而言,其平均风速比同高度的开旷郊区小,但在城市覆盖层内部风的局地性差异很大。有些地方风速极微;而在特殊情况下,某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊区。造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因是由于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高度、形式和朝向不同, 当风吹过城市中鳞次栉比
12、、参差不齐的建筑物时, 因阻障效应产生不同的升降气流、涡动和绕流等, 使风的局地变化复杂化。,第三章 城市气候学,盛行风遇到不能穿透的建筑物时, 在迎风面上一部分气流上升越过屋顶, 一部分气流下沉降至地面, 另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去。当盛行风向与街道平行时, 由于狭管效应, 风速会加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物的部分大些。如果以街道中心的风速算作100%的话, 那么在迎风面的人行道风速为90%, 背风面的人行道风速只有45%。人行道旁如果种植行道树, 树叶茂盛时风速将再减低20%30%; 在公园的浓荫中, 风速更会削弱50%上下
13、。,3.5 城市的湿度、降水及水分平衡 城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低 欧洲几座城市年平均湿度的城乡差异 维也纳 柏 林 特利尔 科 隆 弗罗茨瓦夫 慕尼黑 (20年平均) (14年平均) (2年平均) (3年平均) (9年平均) (4年平均) 城乡绝对 湿度差(Pa) -20 -20 -50 -40 -50 -25 城乡相对 湿度差(%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5,第三章 城市气候学,城区比郊区雾多,能见度低 城市多雾的原因,首先是因为人为造成的大气污染,颗粒物质为雾的形成提供了丰富的凝结核。城市中鳞次栉比的建筑物群,增加了下垫面的粗糙度,减少了风速,为雾的形成提供了合适的
14、风速条件。又由于城市热岛环流,郊区农村带来的水汽,使低空辐合上升凝结成雾的机率增大。,第三章 城市气候学,3 城市气候学,城市的大雾阻碍交通,使航班停开,增 加城市交通事故。 大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩散,加重了大气污染。 城市雾还减弱了太阳辐射,不利于人类与 其它生物的生活。,第三章 城市气候学,城市的降水与水分平衡 1) 城市水分收入项比郊区大 城市水分收入比郊区大, 首先在于城市中的降水量一般比郊区多, 一般比郊区多5%15%。形成城市降水较多的原因有三: 第一, 城市热岛效应。城市由于有热岛效应, 空气层结不稳定, 有利于产生热力对流, 当城市中水汽充足时(城市中还有一定量的人为
15、水汽和人工管道供应的水分), 容易形成对流云和对流性降水。,第三章 城市气候学,第二, 城市阻滞效应。城市因有高高低低的建筑物, 其粗糙度比附近郊区平原大。它不仅能引起机械湍流, 而且对移动滞缓的降水系统(如静止锋、静止切变、缓进冷锋等)有阻滞效应,使其移动速度减慢, 在城区滞留时间加长, 因而导致城区的降水强度增大, 降水的时间延长。 第三, 城市凝结核效应。城市因生产和生活强度较大, 空气中尘粒及其它微粒比周围地区多, 为形成降水提供了丰富的凝结核。,第三章 城市气候学,3 城市气候学,2) 城市下垫面蒸散量和水分贮存量比郊区小 城市由于地面一般经人工铺装, 植被覆盖率低, 不透水面积大,
16、 降雨后雨水滞留地面时间短, 地面水分蒸发量及植物蒸腾量均小于郊区。根据在美国东北部一个小流域的观测研究估算: 当流域面积的25%为不透水区时, 其年蒸腾量要减少19%; 若不透水面积增加到50%, 年蒸腾量减少38%; 不透水面积增大到75%时, 则年蒸腾量减少59% 。,第三章 城市气候学,城市下垫面善于贮存热量, 却不善于贮存水分。 这自然是由于城市中建筑物密集, 植被覆盖率 小, 又有人工排水管道, 降水后水分渗透并贮 存在下垫面中极少的缘故。,第三章 城市气候学,3) 城市径流量比郊区大, 峰值出现时间早 城市下垫面的水分收入量比郊区多, 而向空气的蒸散量 和向下垫面内部的渗透贮存量
17、比郊区少, 则其径流量必 然要比郊区大得多。 城市在降雨后, 径流量急剧增高, 很快出现峰值, 然后又 迅速降低, 其径流曲线非常陡峻, 急升急降。郊区径流 曲线则平缓得多, 其峰值比市区低, 出现时间比市区迟, 缓升缓降。,第三章 城市气候学,降雨后城市与郊区径流曲线的图式,曲线下的面积 代表径流总量,3.6 城市大气污染与城市气候的关系 城市中大气污染物和污染源 污染源 固定源:燃料燃烧、废物焚化、工业生产 流动源:汽车、火车、轮船、飞机等,第三章 城市气候学,自然环境与城市环境比较: 城市大气污染源,城市大气中的主要污染物 分 类 成 分 烟尘,粉尘 碳粒,飞灰,碳酸钙,氧化锌,氧化铝
18、硫 化 物 二氧化硫,三氧化硫,硫酸,硫化氢,硫醇 氮 化 物 一氧化氮,二氧化氮,氨等 氧 化 物 臭氧,过氧化物,一氧化碳等 卤 化 物 氯,氟化氢,氯化氢等 有机化合物 甲醛,有机酸,焦油,有机卤化物,酮等,第三章 城市气候学,城市大气污染与气象条件 对大气污染物的稀释和扩散作用 1 风和湍流的影响 风对排入大气中的污染物有显著的输送、冲淡、 稀释和扩散作用。 城市中严重的大气污染现象都出现在风速小的 时候, 一般在风速2m/s或3 m/s时,第三章 城市气候学,大气中污染物浓度与风速的关系,3 城市气候学,风速与污染浓度的关系是比较复杂的, 如其它条件相同, 一般呈反比关系。但如果风速
19、剧增, 在烟囱的下风方向 近地面层反而会出现较高的污染浓度。这是因为烟囱下 风方向近地面空气污染浓度不仅与风速有关, 也与烟囱 的有效高度有关。 烟囱的有效高度:烟囱的实体高度与烟气高度之和, 也 就是烟流中心线完全变成水平时的高度,第三章 城市气候学,烟囱的有效高度,3 城市气候学,烟囱有效高度越高, 下风方向地面浓度也越小, 但随着 风速增大烟气离烟囱口以后的上升高度随之降低, 从而 使烟囱有效高度也随之降低, 这样使地面附近浓度增大。 这个效果正好与风速对浓度影响效果相反。所以当风速 增大到某一定值时, 在烟囱附近的下风方向, 就有可能 出现最高的地表浓度。特别是当烟气从烟囱口排出的速
20、度小于风速时, 烟气就在烟囱背后发生涡流, 在附近建 筑物影响下, 涡流卷入涡旋, 急速降落地面。这种现象 称为下曳气流(downdraft)。,第三章 城市气候学,烟囱附近的下曳气流 (使烟囱附近地面层空气形成高浓度污染),2 大气稳定度的影响 大气稳定度(): 表示空气是否安于原在的层次, 是否易于发生垂直运动, 即是否易于发生对流的 量度。假定有一微团空气受到对流冲击力的作用 产生上下移动后, 如果该空气微团减速, 并有返 回原来高度的趋势, 这时的气层对于该空气微团 而言是稳定的;,第三章 城市气候学,如果空气微团一离开原位后, 就逐渐加速运动, 并有远离起始高度的趋势, 这时的气层对
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