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1、城市中的地城市中的地- -气显热交换和地气显热交换和地- -气潜气潜热交换热交换计算公式计算公式地地- -气系统的显热交换和潜热交换的城乡差别气系统的显热交换和潜热交换的城乡差别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，因此，城市的显热总是比郊区大。流的发展，因此，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，且植被覆盖也发的水汽量
2、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，城市下垫面向大气小，植被蒸腾的水汽量也少，因此，城市下垫面向大气提供的潜热远小于郊区。提供的潜热远小于郊区。5城市地气显热交换特征城市地气显热交换特征城市的地气显热交换特征城市的地气显热交换特征波文比 Bowen ratio 波文比指的是显热通量（又称感热通量）与潜热波文比指的是显热通量（又称感热通量）与潜热通量的比率。通量的比率。反映了生态系统与大气交换能量的反映了生态系统与大气交换能量的形式分配情况。形式分配情况。显热通量显热通量/感热通量（感热通量（sensible heat flux）地表）地表和近地表大气间通过传导
3、和对流运动转移的能量和近地表大气间通过传导和对流运动转移的能量 。潜热通量（潜热通量（latent heat flux）通过水分蒸发和水）通过水分蒸发和水蒸气凝结进行的地表与大气间的能量交换蒸气凝结进行的地表与大气间的能量交换 。城市草地的小气候调节作用初步研究城市草地的小气候调节作用初步研究晴天草地所获得的太阳辐射能量大部分用晴天草地所获得的太阳辐射能量大部分用于植被蒸腾和土壤蒸发。草地所获得的净于植被蒸腾和土壤蒸发。草地所获得的净辐射能量约辐射能量约12用于蒸散，约用于蒸散，约13用于显用于显热，约热，约6% 向土壤深处传递；而裸地所获得向土壤深处传递；而裸地所获得的净辐射能量约的净辐射能
4、量约13用于土壤蒸发，约用于土壤蒸发，约 25用于显热，约用于显热，约110向土壤深处传递。向土壤深处传递。城市“屋顶花园对城市气候影响方法研究对热量和温度的影响对热量和温度的影响城市“屋顶花园对城市气候影响方法研究在同一个城市，人为热在同一个城市，人为热QF和热平流量和热平流量QA，无论屋顶是否绿化都可以作为同值处理。无论屋顶是否绿化都可以作为同值处理。绿色屋顶面的净辐射热量绿色屋顶面的净辐射热量Qn远小于未绿化远小于未绿化的屋顶面，同时绿色屋顶面因植物的蒸的屋顶面，同时绿色屋顶面因植物的蒸腾和潮湿下垫面的蒸发作用消耗的潜热腾和潮湿下垫面的蒸发作用消耗的潜热QE明显比未绿化的屋面大。从而使绿
5、化屋顶明显比未绿化的屋面大。从而使绿化屋顶空气获得的热量少热效应降低，破坏或空气获得的热量少热效应降低，破坏或减弱了城市的减弱了城市的“热岛热岛”效应。效应。南京夏季城市热岛时空分布特征南京夏季城市热岛时空分布特征观测及模拟研究观测及模拟研究 模拟结果表明，夏季晴好天气下，南京地区昼夜均在边界层模拟结果表明，夏季晴好天气下，南京地区昼夜均在边界层内形成热岛。午后内形成热岛。午后14时，城市显热达到时，城市显热达到350W/m2以上，是郊区的以上，是郊区的2倍；此时城市土壤热通量为倍；此时城市土壤热通量为200W/m2，是郊区的，是郊区的4倍；城市下垫倍；城市下垫面大量储热，提供了热岛形成的热量
6、基础。同时，城区湍能在面大量储热，提供了热岛形成的热量基础。同时，城区湍能在200-700m达到高值达到高值1.2m2/s2，是郊区的，是郊区的2倍，白天强湍流运动促倍，白天强湍流运动促进了城市边界层发展及进了城市边界层发展及700m以下热岛的形成，与夜间相比，热以下热岛的形成，与夜间相比，热岛向高空延伸更高。夜间岛向高空延伸更高。夜间02时，城、郊显热均明显降低，此吋城时，城、郊显热均明显降低，此吋城市土壤热通量约市土壤热通量约30-35W/m2，是郊区的，是郊区的2倍，城市积蓄的热量持倍，城市积蓄的热量持续输出，维持夜间近地面较高的热岛强度；与白天相比，夜间城续输出，维持夜间近地面较高的热
7、岛强度；与白天相比，夜间城市大气相对稳定，热岛在近地面分布范围更广且强度更大，热岛市大气相对稳定，热岛在近地面分布范围更广且强度更大，热岛发展高度较低为发展高度较低为100m。 城市建筑的屋顶和侧壁等能持续吸收和储存热能，提供了比城市建筑的屋顶和侧壁等能持续吸收和储存热能，提供了比郊区更多的热量向近地层输送，且由白天储热多，日落后的城郊区更多的热量向近地层输送，且由白天储热多，日落后的城市地表降温慢，夜间仍可以持续提供热量，因此，城市下垫面市地表降温慢，夜间仍可以持续提供热量，因此，城市下垫面的显热值都明显高于其它下垫面，在凌晨气温较低时城市显热的显热值都明显高于其它下垫面，在凌晨气温较低时城
8、市显热约降为零，在白天气温较高时城市显热大于郊区约一倍之多。约降为零，在白天气温较高时城市显热大于郊区约一倍之多。南京夏季城市热岛时空分布特征南京夏季城市热岛时空分布特征观测及模拟研究观测及模拟研究南京夏季城市热岛时空分布特征南京夏季城市热岛时空分布特征观测及模拟研究观测及模拟研究下垫面向空气释放潜热通量的大小主要取下垫面向空气释放潜热通量的大小主要取决于下垫面可供蒸发的水分量的多少，植决于下垫面可供蒸发的水分量的多少，植被下垫面土壤含水量高，持水能力强，故被下垫面土壤含水量高，持水能力强，故潜热交换强，而城市巾可供蒸发的水分很潜热交换强，而城市巾可供蒸发的水分很少，因此向大气提供的潜热通量小
9、亍郊区。少，因此向大气提供的潜热通量小亍郊区。在夜间各种下垫面类型潜热均较小的情况在夜间各种下垫面类型潜热均较小的情况下，城、郊的差异还不明显，而在白天气下，城、郊的差异还不明显，而在白天气温高蒸发旺盛的时刻差异较显著。温高蒸发旺盛的时刻差异较显著。 南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析城、郊不同下垫面地表热量平衡各分量平均日变化特征分析城、郊不同下垫面地表热量平衡各分量平均日变化特征分析23不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的平均特征不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的平均特征不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的平均特征不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的
10、平均特征南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析24城市草坪水汽通量与蒸散量的变化特城市草坪水汽通量与蒸散量的变化特征分析征分析水汽通量与热通量的变化趋势都是倒水汽通量与热通量的变化趋势都是倒U型，型，即白天为正，夜间为负，除即白天为正，夜间为负，除3月外，其它月月外，其它月份的水汽通量日变化曲线与潜热通量几乎份的水汽通量日变化曲线与潜热通量几乎重合，且两者曲线远高于显热通量；全天重合，且两者曲线远高于显热通量；全天蒸腾的时数也随日照时数的缩短而减少，蒸腾的时数也随日照时数的缩短而减少，基本表现为夏季最大，春秋季次之，冬季基本表现为夏季最大，春秋季次之，冬季最小；全年中间波文比较小，冬春两季较最小
11、；全年中间波文比较小，冬春两季较大。大。水汽通量日变化曲线均与潜热通量几乎重合水汽通量日变化曲线均与潜热通量几乎重合城市的水分平衡及特征城市的水分平衡及特征城市的水分平衡及特征城市的水分平衡方程城市的水分平衡方程城市中水分收入项城市中水分收入项城市下垫面的蒸散量和水分贮存量城市下垫面的蒸散量和水分贮存量城市的径流量城市的径流量31（1）城市的水分平衡方程城市建筑城市建筑- -空气空气- -地面系统的水分平衡方程：地面系统的水分平衡方程：32城市供水量-城市化进程的加快带动了行业发展 (2)城市中水分收入项多数学者研究证明城市及其下风向降水量多数学者研究证明城市及其下风向降水量多数学者研究证明城
12、市及其下风向降水量多数学者研究证明城市及其下风向降水量P P P P一般一般一般一般比郊区多，大约多比郊区多，大约多比郊区多，大约多比郊区多，大约多5-15%5-15%5-15%5-15%。城市中由于工业生产和居民生活需要燃烧大量的城市中由于工业生产和居民生活需要燃烧大量的城市中由于工业生产和居民生活需要燃烧大量的城市中由于工业生产和居民生活需要燃烧大量的化石燃料要向空中释放大量的水汽化石燃料要向空中释放大量的水汽化石燃料要向空中释放大量的水汽化石燃料要向空中释放大量的水汽F F F F。城市的管道输水量城市的管道输水量城市的管道输水量城市的管道输水量I I I I也较郊区大得多。也较郊区大得
13、多。也较郊区大得多。也较郊区大得多。所以，所以，所以，所以，城市水分收入项比郊区大。城市水分收入项比郊区大。城市水分收入项比郊区大。城市水分收入项比郊区大。37（3）城市下垫面的蒸散量和水分贮存量二者都比郊区小。二者都比郊区小。二者都比郊区小。二者都比郊区小。城区植被面积小，建筑物和人工铺砌的道路、广场城区植被面积小，建筑物和人工铺砌的道路、广场城区植被面积小，建筑物和人工铺砌的道路、广场城区植被面积小，建筑物和人工铺砌的道路、广场等不透水面积远比郊区大，降水之后雨水很快从下等不透水面积远比郊区大，降水之后雨水很快从下等不透水面积远比郊区大，降水之后雨水很快从下等不透水面积远比郊区大，降水之后
14、雨水很快从下水道中排泄，所以下垫面的蒸发和蒸腾量都比郊区水道中排泄，所以下垫面的蒸发和蒸腾量都比郊区水道中排泄，所以下垫面的蒸发和蒸腾量都比郊区水道中排泄，所以下垫面的蒸发和蒸腾量都比郊区小。小。小。小。城市下垫面的材料多为不透水的人工材料，降水时城市下垫面的材料多为不透水的人工材料，降水时城市下垫面的材料多为不透水的人工材料，降水时城市下垫面的材料多为不透水的人工材料，降水时下渗很少，加上植被覆盖小，不能截留雨水让根部下渗很少，加上植被覆盖小，不能截留雨水让根部下渗很少，加上植被覆盖小，不能截留雨水让根部下渗很少，加上植被覆盖小，不能截留雨水让根部吸水贮存，又有人工排水管道，很快流失，因此贮
15、吸水贮存，又有人工排水管道，很快流失，因此贮吸水贮存，又有人工排水管道，很快流失，因此贮吸水贮存，又有人工排水管道，很快流失，因此贮存在城市下垫面的水量甚少。存在城市下垫面的水量甚少。存在城市下垫面的水量甚少。存在城市下垫面的水量甚少。39n n城市下垫面善于贮存热量城市下垫面善于贮存热量城市下垫面善于贮存热量城市下垫面善于贮存热量, , 却不善于贮存水分。却不善于贮存水分。却不善于贮存水分。却不善于贮存水分。这自然是由于城市中建筑物密集这自然是由于城市中建筑物密集这自然是由于城市中建筑物密集这自然是由于城市中建筑物密集, , 植被覆盖率植被覆盖率植被覆盖率植被覆盖率小小小小, , 又有人工排
16、水管道又有人工排水管道又有人工排水管道又有人工排水管道, , 降水后水分渗透并贮降水后水分渗透并贮降水后水分渗透并贮降水后水分渗透并贮存在下垫面中极少的缘故。存在下垫面中极少的缘故。存在下垫面中极少的缘故。存在下垫面中极少的缘故。（3）城市下垫面的蒸散量和水分贮存量40（4）城市的径流量城市的径流量普遍比郊区大，雨后径流峰值也比城市的径流量普遍比郊区大，雨后径流峰值也比城市的径流量普遍比郊区大，雨后径流峰值也比城市的径流量普遍比郊区大，雨后径流峰值也比郊区高，出现洪峰的时间比郊区早。郊区高，出现洪峰的时间比郊区早。郊区高，出现洪峰的时间比郊区早。郊区高，出现洪峰的时间比郊区早。城城城城市市市市
17、下下下下垫垫垫垫面面面面的的的的水水水水分分分分收收收收入入入入量量量量比比比比郊郊郊郊区区区区多多多多, , 而而而而向向向向空空空空气气气气的的的的蒸蒸蒸蒸散散散散量量量量和和和和向向向向下下下下垫垫垫垫面面面面内内内内部部部部的的的的渗渗渗渗透透透透贮贮贮贮存存存存量量量量比比比比郊郊郊郊区区区区少少少少, , 则则则则其其其其径流量必然要比郊区大得多。径流量必然要比郊区大得多。径流量必然要比郊区大得多。径流量必然要比郊区大得多。城城城城市市市市在在在在降降降降雨雨雨雨后后后后, , 径径径径流流流流量量量量急急急急剧剧剧剧增增增增高高高高, , 很很很很快快快快出出出出现现现现峰峰峰峰
18、值值值值, , 然然然然后后后后又又又又迅迅迅迅速速速速降降降降低低低低, , 其其其其径径径径流流流流曲曲曲曲线线线线非非非非常常常常陡陡陡陡峻峻峻峻, , 急急急急升升升升急急急急降降降降。郊郊郊郊区区区区径径径径流流流流曲曲曲曲线线线线则则则则平平平平缓缓缓缓得得得得多多多多, , 其其其其峰峰峰峰值值值值比比比比市市市市区区区区低低低低, , 出出出出现现现现时间比市区迟时间比市区迟时间比市区迟时间比市区迟, , 缓升缓降缓升缓降缓升缓降缓升缓降。 42 城市暴雨径流特点 城市化的程度的提高，直接改变了城市的暴雨径流形成条件，使其水文情势发生变化l 暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现
19、时间提前。l 河道中水流流速加大，径流过程中悬浮固体及污染物浓度提高。发生这些现象的原因可从两个方面来分析：发生这些现象的原因可从两个方面来分析： 不透水面积增加不透水面积增加 城市化的进程，增加了城市的不透水表面，城市化的进程，增加了城市的不透水表面，使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋顶顶、街道、人行道、车站、停车场等。不透水、街道、人行道、车站、停车场等。不透水、街道、人行道、车站、停车场等。不透水、街道、人行道、车站、停车场等。不透水区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少，造区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少，造区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大
20、量减少，造区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少，造成产流速度和径流量都大大增加。成产流速度和径流量都大大增加。成产流速度和径流量都大大增加。成产流速度和径流量都大大增加。 汇流时间缩短汇流时间缩短 排水管渠系统的完善，如设置道路边沟排水管渠系统的完善，如设置道路边沟、密、密、密、密布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效率。导致径流量和洪峰流量加大。率。导致径流量和洪峰流量加大。率。导致径流量和洪峰流量加大。率。导致径流量和洪峰流量加大。降雨后城市与郊区径流曲线的图式降雨后城
21、市与郊区径流曲线的图式曲线下的面积曲线下的面积代表径流总量代表径流总量46低洼绿地对降低城市径流深度、径流低洼绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果分析系数的效果分析 绿化率绿化率35%深度为深度为100 mm的低洼绿的低洼绿地，在地，在1 h不同频率降雨条件下，可以将相不同频率降雨条件下，可以将相同径流深度所对应的降雨频率提高同径流深度所对应的降雨频率提高12个个标准级；在标准级；在1h相同频率降雨条件下，可以相同频率降雨条件下，可以将径流系数降低将径流系数降低0.30.4左右，显著降低汇左右，显著降低汇流比例，削减洪峰流量。流比例，削减洪峰流量。城市“屋顶花园对城市气候影响方法研究在同一城
22、市中燃烧释放于大气中的水分在同一城市中燃烧释放于大气中的水分F、管、管道供水量道供水量I和径流量和径流量 r，无论屋顶绿化与否都不会，无论屋顶绿化与否都不会改变。降水量改变。降水量P和空气平流水分和空气平流水分 A，虽然会因屋，虽然会因屋面绿化受到一些影响，但其差别很小，可不于考面绿化受到一些影响，但其差别很小，可不于考虑。然而由于绿色植物的蒸腾和潮湿土壤的蒸发虑。然而由于绿色植物的蒸腾和潮湿土壤的蒸发会使屋面绿化后的蒸散量大大增加，从而使贮存会使屋面绿化后的蒸散量大大增加，从而使贮存于管道和建筑物中的水量于管道和建筑物中的水量 s减少，使贮存于空气减少，使贮存于空气系统中的水分系统中的水分E增大即屋面绿化后空气中的绝增大即屋面绿化后空气中的绝对湿度增加。又由于绿化后其温度有所降低，放对湿度增加。又由于绿化后其温度有所降低，放其相对湿度增加更加明显。可见，屋面绿化对城其相对湿度增加更加明显。可见，屋面绿化对城市原来的市原来的“干岛干岛”有减弱作用。有减弱作用。思考题城市的地城市的地-气系统的显热交换和潜热交换特气系统的显热交换和潜热交换特征？征？城郊热量平衡的差异有哪些？城郊热量平衡的差异有哪些？城市水分平衡与郊区相比有哪些特点？城市水分平衡与郊区相比有哪些特点？城市暴雨径流产生的原因？城市暴雨径流产生的原因？
