城市气候学教案谢宇龙.docx
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城市气候学教案谢宇龙
湖南师范大学2012～2013学年第1学期教学日历
课程名称城市气候学资源与环境学院学院地理科学专业2011年级
课程
学期
总学时
其中
上课周数
周
学
时
学
分
考核
方式
采用
教材
情况
教材名称
自组
讲
授
实验
（践）
主编（著）
出版社名称
34
34
6
6
2
闭卷
出版时间
周
次
日
期
上课节次
上课
地点
每周时数分配
教学内容
备注
讲
授
实验
（践）
合计时数
14
11.27
2
气象园
2
2
第一章绪论
14
11.30
2
212
2
2
第二章城市的云量日照和辐射
14
12.1
2
气象园
2
2
第二章城市的云量日照和辐射
15
12..4
2
气象园
2
2
第三章城市的能量平衡和水分平衡
15
12.7
2
212
2
2
第三章城市的能量平衡和水分平衡
15
12.8
2
气象园
2
2
第四章城市热岛
16
12.11
2
气象园
2
2
第四章城市热岛
16
12.14
2
212
2
2
第五章城市风场
16
12.15
2
气象园
2
2
第六章城市的湿度雾降水和能见度
17
12.18
2
气象园
2
2
第六章城市的湿度雾降水和能见度
17
12.21
2
212
2
2
第七章城市气候灾害的防治和局地气候的改善
17
12.22
2
气象园
2
2
第七章城市气候灾害的防治和局地气候的改善
18
12.25
2
气象园
2
2
第八章环境气象和特种天气预报
18
12.28
2
212
2
2
第八章环境气象和特种天气预报
18
12.29
2
气象园
2
2
第八章环境气象和特种天气预报
19
1.1
2
气象园
2
2
第八章环境气象和特种天气预报
19
1.4
2
212
2
2
复习
第一章绪论
第二章城市的云量、日照和辐射
第三章城市能量平衡与水分平衡
第四章城市热岛
第五章城市的风场
第六章城市的湿度、雾、降水和能见度
第七章城市气候灾害的防治和局地气候的改善
第八章环境气象和特种天气预报
第一章绪论
一、城市气候学研究的对象和任务
1、城市气候形成的重要因素
1）与乡村截然不同的人为主体下垫面
2）消耗大量的能源和“三废”排放量
3）产生大量的人为热
2、城市大气分层
（1）有风
1）城市覆盖层
范围：
建筑物顶以下至地面，又可细分：
城市街道狭谷气候
住宅区气候
商业区气候
工业区气候等
特点：
区域范围小，属小气候。
各气家要素横向和纵向变化极大
2）城市边界层：
范围：
建筑层顶向上至积云中部
特点：
湍流混合作用显著，是城市大气与外界进行物质与能量交换的作用地
3）市尾烟气层（又称城市尾羽）
范围：
城市下风方，乡村边界层和积云中部高度（城市边界层）之间
特点：
对城市下风方覆盖区域的气候有较明显的影响
4）乡村边界层
范围：
城市气候与乡村气候的分界面，一般从地面往上倾斜
（2）区域静风：
形成穹窿形尘盖，城市尾羽不存在。
（3）城市大气高度：
上限不同天气条件、不同的城市规模和性质高度不一
一般白天高、夜晚低；晴天高、阴天低。
受区域气象系统影响明显
白天一般500m左右，高可达1000、1500m，夜晚一般为200~250m，尘盖顶在100~200m之间。
（4）研究对象：
城市气候学的研究对象为上述三层。
（5）定义：
城市气候学：
指在区域气候的背景下，在城市及其周围所形成的特殊局地气候。
二、城市气候学的研究任务
1、城市气候学的观测
1）城市覆盖层内部小气候观测
设点时应考虑不同性质下垫面，不同功能区，不同走向，不同高宽比的“城市街道狭谷”等。
2）城市。
近郊和远郊乡村近地层对比观测
选择有典型意义的天气（无云、无风或微风）有代表意义的测点进行同步观测。
3）城市和郊区较大范围的三度空间观测
应用地面观测、低空探空系统（GZW低空探空系统、无线电探空仪59型）二次雷正（地面雷区设备追踪带无线电信号回答器上升的气球类测风）平衡气球（无举力气球浮力和重力严格保持平衡）双向测风仪（能测出X、Y、Z三个分量）在城市和附近郊区选择适当的东西向和南北向的测点进行同步三度空间的观测。
4）城市和附近郊区下垫面特征观测
直接观测，或用卫片和航片判读，以了解其反射率、温度、植被和水分可用量等特征。
2、分析城市气候各要素的特征及其相互关联性
揭示其周期性和非周期性的变化和地区差异，研究其相互制约和关联性。
3、研究城市气候形成的原因和过程
特别是人类活动如何影响城市的气候
4、研究并建立城市大气覆盖层和边界层的数学模式
模拟其风场、温度场、湿度场等要素变化的物理过程和污染物的扩散规律。
5、探讨改善城市气候的途径
如何应用城市气候的变化规律，采取必要可行的措施，改善城市气候条件
6、进行城市气候应用领域的研究
特种天气预报、城市规划、城市环境保护、城市建设的气候评估等
三、城市气候学的研究方法：
目的——充分资料——研究一般方法
1、历史比较法
适应于城市化发展快的城市，对比多年气候资料，分析其气候变化情况。
分析时需注意两点
A、资料最好来自同一气象站，或前后两站环境相差不大。
B、必须考虑大区域气候变化所引起的自然气候变化，即滤掉气候自然变化的因素。
2、周末和工作日对比法
欧美体假日基本全休，而我国不一样，基本不存在这一特征
在欧美，热岛、污染浓度等城市气候效应一般工作日比周末高。
3、城郊对比法
城市气象观测资料与郊区气象观测资料对比，
对比时须注意以下三点：
A、测站选址城、郊应具有相似性。
B、注意时间的同步性和使用仪器的一致性
C、郊区不同方位上都应设测站
4、城市内部不同性质下垫面对比法
根据具体情况按功能区、土地利用类型、建筑密度、植被覆盖度等的差异进行分类设置长、中、短结合的观测点。
5、大、小尺度因素相结合方法
大尺度的控制作用——风
大尺度平稳——则局地因素起主要作用——从而从气温、湿度、云量和降水等气象要素方面表现出差异较大的局地特征。
应探讨在各种天气形式下，城市和郊区天气与气候的差异。
6、模拟试验法
城市模型——风洞试验（带烟气流通过模型）
特点：
能大致反映城市气流的聚集和扩散情况
不足：
只能大致模拟，真实热力状况和动力状况很难模拟，不能完全反映城市大气的热力和动力状况。
7、应用数学物理方法建立各类数学模式
分两类：
1）城市气候统计模式
主要是根据观测资料，建立相关经验统计模式
2）建立在动力学和热力学基础上的城市边界层模式
如：
①能量平衡模式
②混合层模式
③动力学模式
8、应用气候学的研究方法
城市规划、城市建设、城市环保、城市医疗保健等
四、城市气候的基本特征（五岛效应）的衡量指标
1、城市混浊岛效应
1）衡量指标：
直接标准：
单位体积含多少mg∕㎡
间接标准：
大气混浊度E=D／S式中
D：
太阳散射辐射
S：
太阳直接辐射
大气水平能见度
2）效应：
A、大气污染物质比郊区多一般高3-10倍
B、阴天、（低云量≥8）日数比效区多
C、直接辐射减弱，散射辐射增强，上海：
E=15.8
D、能见度小于效区
2、城市热岛效应
表示方法：
1）热岛强度：
市中心最高温与郊区平均温之差
2）城市等温线分布图
在等混线分布图上如城市气温比郊区气温高，则会形成岛状分布现象。
3、城市干岛和湿岛效应
表示方法：
城市水气压、相对湿度和绝对湿度分布图
干岛——白天干、
湿岛——夜晚
4、城市雨岛效应
表示方法：
1）等时段内降水数值比较
2）等时段内等降水线分布图
一般城市及下风方向（讯期）降水量多于郊区
5、城市热岛环流
城市平均风速小，局地差异大，有热岛环流
第二章城市的云量、日照和辐射
目的要求：
要求学生能掌握城市云量，日照和辐射的进步特点，形成原因，变化情况和区域分布。
难点：
形成原因
第二章城市的云量、日照和辐射
一、云量
城市的总云量特别是低云量比郊区多（城区和下风方向）
上海龙华：
阴天比郊区每年多13.2天（日平均总云量＞8）
晴天平均一年48.8个郊区57.2个日平均总云量＜2
80年代来愈明显
原因：
1、城市热岛效应有利于对流云的形成
2、城市空气中多凝结核
3、城市的机械摩擦阻障作用大，容易激起机械湍流和对移动天气系统的阻滞。
4、城市工厂区有一定量的人为水汽排放到低空。
二、日照
日照时数和日照百分率均小于郊区，内部局地差异远比平坦开阔的郊区大。
1、城市开旷地区日照
1）比郊区少
2）季变明显，日照城乡差值（上海）秋＞冬＞春＞夏
2、城市内部日照的地区差异
决定于
1）街道狭窄度指数：
h建筑物高度L街道宽度
2）街道方位角（南作起算点）——街道走向
3）可蔽角
x：
为街道上测点o至街道边缘的距离
就全年可照时教而言，水平面最多，南墙次之、北墙最少、东西向街道中心多于南北向街道，隆冬南北向街道中尚有一定可照时间，东西的完全荫蔽。
故东西向街道比南北向季节差异大。
三、辐射
（一）总辐射
1、总辐射比郊区弱
直接辐射减少，散射辐射增加，总辐射减小。
取决于大气透明度——气溶胶浓度。
2、短波辐射所占比例比郊区更少
短波辐射容易被散射，紫外辐射的衰减程度随太阳高度角和大气透明度而异。
3、其削弱程度有明显的周期性变化
日变：
12~15时最大
季变：
一般冬季大夏季小
周变：
西方
一般决定于城区的太阳高度，云量和污染物浓度
4、城市内部太阳辐射能分布有显著的地区差异
污染浓度，风向、风速
（二）城市下垫面反射率
反射率比郊区小
1、下垫面性质比植被表面低
2、立体下垫面多次反射
（三）城郊地气长波辐射能的差异
1、地面辐射
据
或红外遥感测定
因城市温度高于乡村，故地面辐射＞郊区
上海秋季晴夜高可达15%，一般3—9%
2、大气逆辐射
百页箱温度——经验公式测定
比郊区大，晴昼比晴夜更大，大气逆辐射白昼午间最大
城市上空CO2多，气溶胶粒子多
天穹可见度小
3、净辐射
与郊区相差不大，或城市略小于郊区
地面辐射大
大气逆辐射大
第三章城市能量平衡与水分平衡
目的要求：
要求学生能掌握城市的能量平衡方程和水分平衡方程，
掌握方程各项的含义，测定方法及其动态变化过程。
重点：
城市的能量平衡方程和水分平衡方程，方程各项的含义，测定方法及其动态变化过程。
难点：
测定方法及其动态变化过程。
第三章城市能量平衡与水分平衡
一、城市能量平衡
1、城市大气能量平衡方程：
式中：
Qn：
净辐射
QP：
人为热
QH：
地气显热交换（湍流）
QE：
地气潜热交换
△QS：
贮热变化量
△QA：
热平流变化量
2、城市中的人为热
固定源热：
人类生产，生活燃料燃烧产生。
为主
1）移动源热：
汽车、摩托车等排放的热量、其次
新陈代谢热，很小；一般可忽略
2）影响因素：
纬度取暖等生活热愈多
城市规模
人口密度
人均能耗水平
城市性质
区域气候条件等
3）种类：
主要为四类
①空调取暖（25.7w/m2）
②电力（包括夏季空调）（16.7w/m2）
③交通运输（夏20．8，冬20．８）
④工业 （２９．１）
4）季变和日变
季变：
一般是夏少、冬多（上表）
日变：
轮敦：
夜间5时最低，8时、17时两个高峰。
3、下热面贮热量（QS）
1）指白天吸收太阳辐射，向下传输贮存下垫面内部的热量。
夜晚，向上输送热量，其大小决定于:
①其传热能力和蓄热能力；
②城市的组成特征（密度，几何形状，构筑方式等）
2）特征：
城市QS比郊区大
导热率（入）大3倍
蓄热能力（热容量）大1/3倍
建筑群贮热多
夜晚减热较慢
4）地气显热交换（QH）
指湍流交换，大气湍流扩散系数大小与大气稳定度，风速和风向的切变有关——地面粗糙度。
城市一般PH比郊区大
①大气稳定度小于郊区
②地面粗糙度大于郊区
5）地气潜热交换（QE）
指以蒸散发、升华、凝华的方式交换热量
QF小于郊区
不透水面积大上海大于80％
植被少于郊区
升华、凝华小于郊区
△QA：
一般很小可不记
二城市水量平衡
方程：
P+F+I=E+^R+^S+^A
式中：
P降水量，一般比郊区多，（见后）
F人为水分，一般比郊区多（见后）。
I管道供水，多于郊区
E蒸散量，比郊区少
^R径流量，大于郊区
^S水分贮存量比郊区小
^A平流水分，很小，可忽略
2）特征：
1）城市水乡收入项比郊区大
2）城市下垫面蒸散量和水分贮存量比郊区小
决定于不透水面积占下垫面的百分比，25％，减少19％;
50%,减少38％
75%,减少59％
3）城市径流量比郊区大，雨后径流峰值出现时间比郊区早，径流曲线急升急降。
第四章城市热岛
目的要求：
要求学生能掌握城市热岛的效应，分布和变化，结构，形成原因，影响以及防治措施。
重点：
热岛的效应，分布和变化，结构，形成原因，影响以及防治措施。
难点：
结构，形成原因
第四章城市热岛
一、城市热岛效应
1、城郊气温对比
OKE城市热岛温度剖面图（见图）
热岛强度：
市中心最高温与郊区温度之差
在等温线分布图上：
市中心等温线稀疏，水平温度梯度小。
城市边缘较密集，水平温度梯度大。
（不同气候区不同城市类型，表现不一样）
2、发展中城市气温的前后对比
（排除大气候因素所造成的历史变化）
1）热岛强度递增随城市发展速度而变
人口递增影响明显，加拿大卡尔加里人口增长1%，热岛强度增加1.5%。
2）热岛效应逐渐向城市边缘和近郊扩张
二、城市热岛强度的周期性变化
1、日变
稳晴天气，夜间强，白昼午间强，一般20时左右最强，中午最弱，有些地方热岛消失甚至出现凉岛。
2、年变
复杂，各地表现不一样，如印度
我国：
秋，冬季热岛强度大，夏季最小——北京
2、周变：
欧美表现较大，我国不明显
三、城市热岛强度的非周期变化
气象条件：
风速、云量、太阳直接辐射、低空气温直减率等
人为原因：
空调耗热量，车流量等因素
1）风速：
临界风速，使热岛不存在的风速，主要与人口有关其次是季节，
如北京：
春4---5m/s,夏2――3m/s,
秋5m/s,冬5――6m/s,
热岛中心位置随风向下风方向移动
2）云量，随云量增加，强度减小
3）气温直减率
气温直减率愈大，层结愈不稳定，热岛强度愈小，反之则愈大。
可用经验公式表示
4）与当地天气形势
单一气团控制下的高压天气，有强热岛出现
综上所述：
热岛强度基本上都是与风速、云量、气温直减率成负相关，与人为热成正相关，夜间热岛强度与当天白昼太阳直接辐射日总量成正相关，强热岛大多出现在高压型天气下。
四城市热岛的地区差异
1、与城市规模
与城市人口多少成正相关
可用经验公式表示：
北美：
△T=3.06LogP-6.79
P：
城市人口欧：
△T=2.01LogP-4.06
2、与建筑物密度
随建筑物密度增大而增高正相关，有的城市达0.9
3、与城市布局
团块状紧凑布局，中心增温效应强
条形或星形分散结构，中心增温效应弱
农田绿地楔入市区，中心增温效应不显著
4、城市地形
凹地和盆地、热岛效应强
5、不同性质下垫面
绿化比北街道区低
早晚小、中午大；阴天小、晴天大
随人工下垫面比重上升而上升
四、城市热岛的垂直结构
（理想模式）
1、午后与郊区差异不大，有一混合层厚度约0.5—1.5km，上为稳定层结，下为一微弱不稳定层
2、夜晚，热岛强度比白天大，具体分布为
1）上风方向郊区为接地逆温层
2）中心、浅薄不稳定层（0.1-0.31km）——上为逆温层
3）下风郊区、接地逆温——城市热羽
3、城市中心气温垂直梯度变化不大，而郊区变化大，混合层深度白天大于晚上。
4、夜晚城市热岛强度近地面层最大，随高度增加而减弱，200-500m为零，以上出现交叉现象（上比郊区低）
实际结构多种多样
五、城市热岛的形成
1、城市下垫面因素
1）下垫面不透水面积
使向空气层输出蒸发潜热减少，而湍流显热增多
2）下垫面热性质
导热率和热容量比郊区大，故白天、向下贮热厚度大，夜晚降温慢。
3）下垫面几何形状
立体下垫面辐射损耗小
2、人为热、温室气体和大气污染
1）人由热：
重要因子，热岛的起伏与其周期性排放有关
2）温室气体CO2比郊区多，O2H白少夜多（干湿岛）对夜间热岛强有重要作用
3）污染物质多，夜晚保温作用
3、天气形势与气象条件
不同气象条件下热岛的表现形式不一样。
六、城市热岛的影响
1、低中纬夏季、热岛效应加重了城市高温出现的频率和高温灾害，使疾病增多，工作效率低，能源消耗大，火灾多发并加重光化学烟雾浓度，增加地面不稳定度，加剧雷电灾害。
2、冬季稍有利于节约供暖能源
2、积雪、霜，露等（比郊区少
七、如何降低热岛效应
1）科学规划城市建筑，降低市中心区人口密度
2）大力开展城市绿化和增大绿化面积
市内公园、街道树、墙面攀缘植物，市森林带。
第五章城市的风场
目的要求：
要求学生能掌握城市发展对盛行风的影响，城市热岛环流，城市风的结构及城市覆盖层内部风的局地差异。
重点：
城市发展对盛行风的影响，城市热岛环流，城市风的结构及城市覆盖层内部风的局地差异
难点：
城市风的结构及城市覆盖层内部风的局地差异。
第五章城市的风场
一、城市发展对盛行风的影响
1、城市风速历史资料的前后对比
城市平均风速和最大平均风速随城市的发展递减
2、同一时期城市与郊区测风资料对比
1）城市平均风速比郊区小
年均风速，上海市区2.3m/s郊区，宝山3.8m/s
城郊风速差异逐渐显著
2）城郊风速差值因时、因地、因风速而异
①风速差值有明显的日变和季度
日变：
一般白天风速郊区大于市区，晚上则郊区小平市区
上海：
最大值：
10-12时13-15时最大
最小值：
19-21时
季变：
春冬最大、夏季次亡，秋季最小
一般风速大的季更，差值也大，风速小的季节、差值小，植被春夏繁茂、秋冬、离时也有影响
②市区大风频率减少，静风频率减小，小风频率增加。
以上海为例：
以盛行风2m/s为临界风速
72m/s市区风速小于郊区
＜2m/s市区风速大于郊区
3）城市和与郊区风的结构不同
①市区湍流持续时间比郊区长
热岛粗糙度
②湍流频率不同乡村：
涡旋大、波长较长
市区：
涡旋小，波长较短
二、城市热岛环流
又称城市风系，指热岛效应下，市风热空气上升郊区近地面层空气从四面流向城市（称乡村风）下层在一定高度上流回郊区，形成缓慢的热岛环流，有利于尘盖低高和局部对流雨的形成。
城市热岛存在使城市与郊区之间形成的环流
如图：
乡村风速：
不大一般1-3m/s（一至2级风）
强度与热岛强度有关，一般夜大于昼
具有间歇隆和脉动性，夜间特别明显。
三、城市中风的垂直结构
1）自地向上递增——层顶小急流——逐渐递增
2）风速垂直变化同城市下垫面的粗糙度和空气层结的稳定性有关
①粗糙度：
愈大，增速愈慢，到地转风高度增加
反之，则增速愈快，到地转风高度减小
平坦开涧农村270m
正郊居民点390m
城市中心区420m
②大气层结
稳定，风速随高度变化愈快
不稳定，风速随高度变化愈慢
中性，按时数规料变化
四、城市覆盖层内部的局地差异
局地差异大：
有些风影区，有些急流区
原因：
1）热力效应——热力环流
2）阻障效应——不同的升降，涡动和绕流等
具体表现：
热力环流：
屋顶与街道
背阴面和向阳面
夜间：
屋顶和街道
阻障作用：
通风口3/4墙高，停滞是：
上升，背风涡旋；两边，角流；下流，回流
街道风：
与盛行风平行，狭管效应；人行道树立或低明显
汽车风：
双间车吊两边
第六章城市的湿度、雾、降水和能见度
目的要求：
要求学生能掌握城市湿度、雾、降水和能见度的特点，成因，局地差异和变化及影响和防治。
重点：
城市湿度、雾、降水和能见度的特点，成因，局地差异和变化及影响和防治。
难点：
成因
第六章城市的湿、雾、降水和能见度
一、城市的湿度
（一）城市的绝对湿度
1、特点：
城区绝对温度往往比郊区小，形成城市干岛，夏天及白昼比较显著，有些夜晚和雨雪天比郊区高，形成湿岛，其成因类型主要有
凝露湿岛
结霜湿岛
雾天湿岛
雨天湿岛
融雪湿岛
深秋晴夜郊区凝霜，而使城市湿度大于郊区的现象。
2市区绝对湿度的日变振辐比郊区大，最大、最小值都是城大于郊，最小点城郊差值更大。
3出现时间不同，市区最高点子夜至凌晨前，郊区是黄昏和上午。
4、季节上，冬季绝对湿度日变化小，城乡差异小。
夏季绝对湿度日变化大，城乡差异大。
此外，植被因素等也有较大影响
2、原因
1）城市以湍流输送和人为水汽为主，郊区以自然蒸散为主。
植被差异及不透水层的影响。
2）热岛强度
3）云量、雨、雪等天气变化
（二）、城市的相对湿度
特点：
1）年平均相对湿度比郊区低，且随城市规模扩大有平均值下降的趋势，一般低4-6%。
如杭州6.2%上海4%左右
2）日变为单峰型：
16-17时最低，子夜至日出前最高
3）城郊差值则21时左右最大：
郊区气温下降快；郊区绝对湿度较大
午间14时和凌晨7时最小
4）季变复杂，一般冬高夏低，但各地不一
城郊差值（上海）10月最大-8%，6月最小-4%
二城市湿雾
又称伦敦型雾
水平能见度＜1km雾1km—10km轻雾
能见度：
目力观测，级别标准
0-50m02-4km5
50-20m14-10km6
200-500m210-20km7
50-1000m320-50km8
1-2km4＞50km9
特点：
1）城市湿雾一般比郊区多，特别是中小城市（凝结核多，风速小）（大城市如重庆，有比郊区少的现象）秋冬季节频率大，半夜和清晨频率大。
伦敦：
小于40m200m400m浓雾比郊区少）
＜1000m的雾日比郊区多。
2）上海近数十年来年平均雾日数有递减趋势
3）城市湿雾与城市湿岛关系密切
4）出现低相对湿度的雾称城市浊雾，最低相对湿度低于72%
3、城市光化学烟雾
最早出现于“洛杉矶”故又称洛杉基型烟雾
1）概念：
主要是由汽车的废气或石油化工及炼制业大量排放的一次污染物（氮氧化物和碳氢化物）在强烈阳光照射下经化学反应而形成的一种浅蓝色烟雾（主要成分O3，醛类，
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