城市生态学 第三章.

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1、城市生态学 3 城市气候学 影响城市气候的因素 城市的辐射和日照 城市的热量平衡与城市热岛效应 城市的风及局部环流 城市的降水及水分平衡 城市的大气污染及与城市气候的关系 城市气候与城市规划和城市建设 3 城市气候学 3.1 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 城市气候所波及的范围 城市气候所波及的范围 3 城市气候学 在城市高强度的经济活

2、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 。 3 城市气候学 由于城市居民的生活和生产活动, 如家庭炉灶 、取暖、工厂生产、公共交通、人、畜的新陈 代谢和其他各种能源燃烧所排放的热量, 使城 市比郊区增加了许多额外的热

3、量收入。这种人 为的热量在某些中高纬度城市可以接近或超过 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。 3 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。 3 城市气候学 3.2 城市的辐射与日照 l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 l城市下垫面反射率小 冬季更是如此.反射率

4、小意味着吸收率高 总体说,城市地面吸收的太阳辐射 与乡村差别不大 3 城市气候学 l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 l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 西安(北纬34)街道可照时间(h) 3 城市气候学 3.3 城市的热量平衡与城市热岛效应 l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

5、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 3 城市气候学 l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 3 城市气候学 城、郊气温对比 lTu-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。 l“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

6、年均温比郊区高1.7C 城市热岛温度剖面示意图 3 城市气候学 城市发展过程中气温的前后对比 l随城市化发展, 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 3 城市气候学 城市热岛强度的变化 l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

7、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, 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 3 城市气候学 l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 北京地区热岛消失的临界风速 3 城市气候学 l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

8、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 城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系 3 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 上海市区公园同其附近街道的气温平均差值() 3 城市气候学 3.4 城市的风及局部环流 l城市热岛环流 在天气睛朗无云，大范围内气压梯度极

9、小的形 势下，由于城市热岛的存在，城市中形成一个 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 3 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

10、辐合的乡村风, 并不是 很稳定的, 它往往具有间歇性或脉动性(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 。 3 城市气候学 l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) 3 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 3 城市气候学 l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

11、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、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。 3 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。

12、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。 3 城市气候学 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 -

13、25 城乡相对 湿度差(%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5 3 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。 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。 3 城市气候学 城市的降水与水分平衡 1)

14、 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。 3 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

15、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。 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, 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% 3 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。 3 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。 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 城市气候学