第1章 绪论Word文档下载推荐.docx

1、凡聚居人口10万以上的城镇，方可设市；聚居人口在3000以上，其中非农业人口占70%以上，可以设镇的建制。截止1987年为止，我国共有城市381个，按其城市人口规模可分四级，见表1.1。 表1.1 我国城市按人口分级标准及各级城市个数1_级别 特大城市 大城市 中等城市 小城市人口规模分级 100万 50100万 2050万 20万城市个数 25 30 103 223_ 其他国家城市按人口分级标准不一致，例如，前苏联以人口超过50万为特大城市，人口在1050万为大城市，人口在210万为中等城市，人口在12万，其中非农业人口占67%以上为小城市。日本提出人口在3万以上，人口密度大于4000人/平

2、方公里，才算为城市区域2。 1985年世界联合国发布的年鉴列有49个人口超过250万的特大城市。其中位于中纬度而具有湿润气候的城市有33个，位于低纬度具有热带气候的城市有11个，具有沙漠或半干旱气候的城市有5个3 纬度最低的特大城市是新加坡（1.22N，103.45E）。纬度最高的城市是美国的北阿拉斯加（Alaska）的巴罗（Barrow），它位于北极圈以北（71.20N，156.00W），城内居民只有2000人4。 据联合国人口研究计划指出，目前全世界人口达到近63亿，其中有近50%的将聚居在城市之中。在发达国家总人口将有14亿，其中有近80%将聚集在城市中5。 （2）政治、文化、经济活动中

3、心 城市的发展与地理位置、交通输纽、经济有关。为满足某种专门需要，在集聚经济、规模经济的作用下，往往形成以某种专门优势为主的城市。其中以专门工业城市为最重要（如上海以轻工业为主；沈阳以重工业为主；兰州以化学工业为主等）。此外，还有矿业城市、风景旅游城市、科学文化城市，等等。但是，不同类型的城市，形成的边界层气候和环境是不同的。 目前决大多数的城市在一定范围内承担着几种或兼有多种多样的职能。城市的级别则视其所承担的职能数量的多寡、服务范围的大小及与之有密切联系的人口规模而定。世界上人口最多的城市如日本的东京（人口2400万）、美国的纽约（2390万）、巴西的圣保罗（人口1700万）、韩国的汉城（

4、人口1530万）、美国的洛杉矶（人口1300万）、我国的上海（据1990年统计，全市1334万，城区821.4万）6 等都是兼有多种职能才会跃居世界特大城市之列的。 总之，城市交通发达，工业生产、商品流通和消费水平很高，使得生产资料、生活资料和能源使用都高度集中，高速运转，产生的废弃物排入环境中，使环境发生了巨大的变化。 （3）特殊性质的下垫面 由于城市的发展，城市下垫面原有的自然环境，如农田、牧场、绿地等发生了根本的变化。道路、建筑物高度集中，以水泥、沥青、砖石、陶瓦、玻璃和金属等坚硬密实、干燥而不透水的建筑材料，代替了原来疏松和植被覆盖的土壤或空旷的荒地。在城市化的地区，人类活动对气候环境

5、的影响，首先是通过对下垫面性质的改变来体现的。因为下垫面是气候环境形成的重要因素，它与大气存在着复杂的物质交换和能量的交换，又是下层空气运动的边界面。它直接影响着局地环境气候。城市人为的立体下垫面，对太阳辐射的反射率和地面长波净辐射都比郊区小。其导热率、热容量和热导系数都比郊区大，所以，其蓄热能力比郊区高。但因植被面积小，不透水面积大，储藏水的能力却比郊区低。蒸发、蒸腾量比郊区小，下垫面的粗糙度比郊区大。在能量平衡和水分平衡上，城市与郊区有明显的差异。它对城市的边界层结构、温度、湿度、风速和风向等的垂直分布都有很大的影响，这是导致城市边界层气候与郊区不同的重要原因之一。 其次，在城市高强度的经

6、济活动中，要消耗大量的能源。在煤碳、石油、天燃气和其它燃料的燃烧过程中，排放出大量的二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等有害气体和气溶胶物质。当其排放量超过空气的自净能力时，就会造成城市大气污染，改变大气的组成成分，影响城市空气的透明度，减弱能见度，为云、雾及降水提供了丰富的凝结核。另外，在各种燃料燃烧时所排放出的二氧化碳所产生的温室气体效应显然也比郊区大的多，这些又从多方面影响城市的边界层气候。 另外，在工业生产、机动车行驶和居民生活等消耗能源的同时，还有一定量的废热排放，加上空调热量和人体新陈代谢等所排出的人为热，使城市大气中比郊区增加了许多额外的热量。这种人为热在高纬度的城市特别是冬季可以胜

7、过太阳的热量收入。在化石燃料燃烧过程中还有人为水汽的排放，这些又使城市的能量平衡和水分平衡与郊区不同。 所以，城市气候除了当地纬度、太阳辐射、大气环流、海陆位置和地形地貌等区域气候因素的作用外，还受人类活动的无意识的影响，通过下垫面和近地面层大气的辐射、热力、水分、空气质量和空气动力学性质的改变，形成有别于附近郊区的城市区域局地边界层气候。噢克（Oke，1978）给出这种局地气候所涉及的范围如图1.1所示7。 图1.1 城市边界层的分层示意图 在城市建筑物顶以下至地面这一层称为城市覆盖层（Urban canopy layer,简称UCL）。它受人类活动的影响最大。它与建筑物的密度、高度、几何形

8、状、外表面涂料、颜色、街道宽度和朝向、路面铺砌材料、不透水面积、绿化面积、建筑材料、空气中污染物浓度以及人为热和人为水汽的排放量等关系甚大，属于小尺度气候。其中还可分为：建筑气候、街道峡谷（urban canyon, 由一条街道和两旁建筑物墙壁所组成）气侯、住宅区气候、商业区气侯，工业区气候，等等。由建筑物顶向上到积云中部高度，这一层可称为城市边界层（urban boundary layer,简称 UBL），它受城市周围区域地理环境、城市大气质量（污染为性质及其浓度）、城市建筑高度、下垫面热力、和动力影响，在这一层中湍流混合作用显著，与城市覆盖层间存在着物质、能量的交换，并受城市四周区域地理环

9、境（区域气候因子）的影响，属中尺度气候。在城市的下风方向还有一个“城市尾羽层”，也可称为“城市尾烟气层”（urban plume）。这一层中的气流、污染物、云、雾、降水和气温等都受城市下垫面及边界层的影响。在“城市尾羽层”之下为“乡村边界层”（rural boundary layer,简称 RBL）。Oke（1980）曾根据大量资料8综合分析指出：在不同风速下，城市对下风方向的影响可达30 km，最大时可达到100 km以上。但在区域静风条件下，城市又有显著的热岛环流时，城区出现穹隆形尘盖（urban dome）。这时，城市尾羽层就不存在了，见图1.2所示。 图1.2 静风时城市大气尘盖示意图

10、 城市大气边界层的上限高度因天气条件而异，白天与夜晚不同。在中纬度大城市，晴天常见的情况是白天可达到10001500 m，而夜晚只有200250 m左右；静风时夜晚城市尘盖顶高度有时只有100200 m之间。 2. 城市边界层气候的研究任务 城市边界层气候研究兼具理论和应用两种性质。涉及到地球科学、环境科学、建筑科学、及化学、物理等学科。它的研究任务主要有以下几个方面： （1）城市边界层气候观测 城市边界层气候观测是进行城市边界层气候研究的基础和依据，也是从事城市边界层气候研究的首要任务，观测的内容包括： 城市覆盖近地面层小气候的观测： 观测点宜分别选不同性质的下垫面（如停车场、公园、草地等）

11、，不同功能区（如商业区、工业区、住宅区等）和不同走向、不同高宽比的“城市街道峡谷”内。 城市、近郊和远郊乡村近地面层对比观测： 要选择有典型意义的天气（如无云无风或微风）时，对城市中心区、边缘区、近郊区和远郊区有代表意义的测点进行同步观测。 城市和附近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、平移气球、飞机航测、声雷达、超声风速温度仪等同时在城市和附近郊区选择适当的东西和南北轴向进行同步三度空间的观测。 城市和附近郊区下垫面环境生态特征的观测： 可设点直接进行观测，也可利用航空遥感、气象卫星遥感图图像进行分析，了解城、乡下垫面的温度、反射率、植被指数和水分蒸发等特征。 2.分析

12、城市边界层气候各要素的特征及其相互关系 分析长期城市的日照、辐射、气温、风速、风向、湿度、云、雾、降水和有关大气污染等方面的特征，揭示其周期性变化、非周期性变化和地区差异，研究各要素之间的相互关系和相互制约的规律性。 3.研究城市边界层气候形成过程和机制 研究人类活动对城市边界层气候形成的影响；城市热岛、干岛、湿岛、混浊岛和雨岛效应；城市雾的形成原因和过程。 4.研究城市覆盖层和大气边界层数值模式 城市覆盖层和大气边界层特征，直接影响着城市大气中污染物的扩散和人类生存环境质量。因此，应用数值模拟方法，模拟城市覆盖层的大气边界层中的风场、温度场、湿度场及通量场变化的物理特征和污染物的扩散规律，对

13、未来城市边界层气候变化和大气环境质量作出预测。 5.探讨城市化对区域和全球变化的影响 城市化的面积在全球陆地面积中所占的比例虽然很小，但居住在城市中的人口在全世界总人口中却占有非常重要的位置。近数十年来，世界人口增长的速度很快，据Peterson的研究9，全世界人口在1980年是44亿，估计到公元2000年将达到61亿，到2025年和2100年将分别达到82亿和102亿。特别值得注意的是：人口增长越来越向城市聚集，到2000年全世界将有50%的人口集居在城市，到2025年城市人口占全球总人口的百分比将超过60%。城市人口的迅速增长必然导致：城市面积的扩大，居民住宅增多，交通、工商业进一步发展，

14、燃料使用量加大，人为热及污染物的排放量进一步增加。到那时，如果防治环境污染的措施跟不上的话，城市化对全球变化的影响将是十分严重的。 所以，我们不但要利用分析全世界城市气象站和对比站的长期的历史（100年）气候资料，从中找出城市化对气候变化影响的敏感因子，并且利用数值模式，模拟全球城市发展对全球变化的影响预测。 二、城市边界层气候研究发展动态 20世纪以前人们只是从一些直观的气候和天气现象来认识城市边界层气候形成的一些特征，对城市边界层气候形成的机理和过程并没有深刻的了解。1927年德国人Schmass在研究慕尼黑城市对降水的影响时，发现了城市下风向降水有增多的现象，并第一次发现了城市边界层气候

15、特征城市热岛环流。1937年德国人Kratzer对20世纪30年代以前的城市气候研究工作进行了总结，写出了城市气候一书，这是世界上第一部通论性的有关城市气候的论著。在30年代以前世界上关于城市气候的研究，以描述城市近地层气候特征和现象为主，很少阐述产生这些现象的机制原因，更没有涉及到这些现象对城市边界层的影响和边界层的特征。 1968年联合国世界气象组织气候学委员会在比利时首都布鲁塞尔召开了第一次国际性的城市气候会议“城市气候和建筑气候学讨论会”。会议呼吁：加强城市气候形成过程和机制的研究；加强城市气候的数值模式研究；扩大城市气候研究的范围。 这次会议之后，美国几个高等学校和研究机构于1969

16、1970年共同拟定了一项为期5年（19711975年）的大规模城市气象观测试验计划，称为“METROMEX”（Metropolitan Meteorological Experiment,大都市气象观测试验计划）。观测试验城市是美国中部平原地区密苏里州的圣路易斯（St. Louis, Missouri）,在半径为人2km的面积范围内（5542km2）,每24km2就设置一个观测点，共设了225个观测点。这次试验的主要目的是研究城市对降水的影响。因为在当时关于城市大气污染，大气中气溶胶比郊区多，其对城市降水的作用是增大还是减小存在着不同意见，企图通过周密的观测试验来解决这个问题。 METROME

17、X 计划是世界上第一次大规模的，对一个地形平坦、自然环境比较简单的城市，用先进的探测技术和方法进行的连续5年的观测研究的试验。这次大规模的观测试验研究，不仅首次证明了城市及其下风方向有增加降水的效应，并且对城市边界层气候中有关的热岛、风场、湿度场的研究也取得了丰硕成果。 我国有关城市气候和环境的研究始于70年代初，并且大气和水污染的研究比气候研究还略早一点。在70至80年代，我国上海、北京、沈阳、广州、兰州等大城市都进行过大气环境污染和边界层气候的研究，研究成果散见于“大气科学”、“气象学报”、“环境科学”等学术刊物上。中国地理学会分别于1982年9月在厦门和1986年4月在桂林召开了第一、二

18、次全国城市气候学术讨论会。 三、城市边界层气候研究方法 城市边界层气候的研究方法，随着城市化和科学技术的发展已有很大改变，已从简单的天气现象和区域气候观测分析研究，发展到了大气边界层的一维、二维和三维大气环流数值模式，并且卫星遥感技术直接应用于城市环境生态和大气边界层气候的研究。目前仍然以实际观测资料为基础，并注重城市边界层气候形成过程和机制的数值模拟研究。一般研究方法如下： 1.历史对比法 为了研究城市发展对边界层气候的影响，对某些发展的比较快的城市，可以应用其多年的气象和边界层气候资料，分析在城市发展过程中的变化。应用此法时必须注意以下两个问题： 一是气象资料来源，最好是出自同一气象站，或

19、前后两站的地理位置相差不大，而所用仪器及观测规范一致。这样的历史资料才有可比性。 二是在分析研究城市发展与城市边界层气候的历史变化关系时，还必须考虑在这段历史时间内由于大区域环境及气候因子、天文、自然现象（如大气环流的变化、太阳黑子、火山爆发等）所引起边界层气候的自然变化。所以要滤掉气候自然变化的因素，才能突出城市发展和人类活动对城市边界层气候的影响。 2.周末与工作日对比法 在欧美大城市中工厂、机关、学校等都在周末（星期六及星期日）休假（一般去教堂、购物或郊游）。人类活动对城市边界层气候的影响在周末要比工作日小些。所以，在研究城市边界层气候某些特征是，常有人利用同一气象站某些气象要素周末平均

20、记录（Mn）与工作日平均记录（Mw）进行比较分析，求出两者的差值M（M=Mn M）w。从中可以看出人类活动强度不同时对城市边界层气候的影响。 Petterson等（1978）10在研究美国洛杉矶盆地中各城市气象站的太阳总辐射和紫外辐射时，就分别根据各站实测资料按工作日和周末休息日进行统计平均，求出两者的差距，如表1.2所示。 表1.2 洛杉矶盆地三个城市站日平均太阳总辐射和紫外辐射 工作日和休息日的比较（在无云天气） 资料天数 工作日平均值 休息日平均值 差值M Mw Mn Mn MwLAX站（36m）总辐射 50 0.884 0.907 0.013紫外辐射 49 0.773 0.823 0.

21、050DLA站（102m） 总辐射 51 0.866 0.899 0.033紫外辐射 49 0.709 0.771 0.062ELM站（82m）总辐射 50 0.860 0.900 0.040紫外辐射 51 0.677 0.770 0.093_表中数值系各站实测值与北郊山区MTD站实测值的比值，站名后括号中的数值系该站的海拔高度（m）。 由上表可见，在工作日由于空气混浊程度比休息日大，到达地表的太阳总辐射和紫外辐射都比休息日小。其中尤以紫外辐射的差距更为明显。 3.城、郊对比法 应用城市气候资料（Mu）与郊区同时间观测资料（Mr）进行比较分析，两者的差值可作为城市发展对气候影响的重要标志。在应

22、用此方法时必须注意以下几个问题： （1）注意城区站和郊区站的选址问题，为了滤掉自然地理因子的影响，城区站和郊区站必须具有相似的地形、海拔高度和区域气候条件。即当城市站未经城市化之前，其气象条件应与郊区站相似。 （2）注意观测时间的同步性和仪器的一致性。 （3）在应用城、郊对比法进行研究时，最好在不同方位上都设有郊区对照站，以便在不同风向时，选择位于城市上风方向的郊区站资料来与同时间城区站资料进行比较。 城、郊对比法是进行城市边界层气候研究时经常使用的方法。在选择好适宜的城区站和郊区对照站之后，对主要气候要素的年际变化、季节变化和日变化要进行对比，才能掌握城市和郊区气候周期性变化规律。 4.城市

23、内部不同性质下垫面对比法 城市内部具有各种不同性质的下垫面，不同性质的下垫面的水、热和辐射平衡及对城市边界层气候的影响不同。在进行城市覆盖层中水、热及污染物的输送和城市大气边界层数值模拟研究时，初始条件及边界条件的设置必须用到城市覆盖层内，不同性质下垫面的地面温度、大气温度、大气湿度、风速和辐射等要素值。另外，在进行城市覆盖层内边界层气候和环境生态研究时，也最好先将城市内部下垫面按其不同区域性质、环境生态状况、植被覆盖度等进行分类（如工业区、商业区、普通住宅区、密集住宅区、近郊区、远郊区、大都市自然景观区、水域等）。在不同类型的下垫面设观测点，可采用定点长期观测和短期流动观测相结合的方法，观测

24、地表和城市覆盖层内不同高度的气象要素的分布和变化，分析其时空分布的规律及其形成机制。这对了解城市覆盖层的边界层气候特征和形成原因，大气边界层模式初、边条件的设立是十分必要的。 美国学者White 、Eaton1、August和 Auer等曾对圣路易斯城做过比较深入的观众实验研究11，他们除了在各种不同类型的下垫面设置定点长达5年以上的气象观测站外，还在有代表性意义的天气中进行了一些特殊项目的观测。例如，在1976年8月1819日，天气晴朗，他们做了不同下垫面上净辐射的观测，并且每天从早晨至傍晚连续做8次每次2小时的低空飞行探测。飞行高度距地面150 m，飞行路线穿过圣路易斯的郊区和城区各种类型

25、的下垫面。飞机上安装了测量地面红外温度、太阳直接辐射、散射辐射、反射辐射等有关遥感仪器，并在城市中心站进行了总辐射的观测。在地面各站还利用低空探空仪和系留气球观测了不同下垫面上气温、湿度和气压的垂直变化结构。实验发现各不同类型下垫面温度相差很大，工业区比农村未开发地最高温度差别达15C。 5.天气与局地尺度相结合的方法 城市边界层气候的形成不是孤立的，它本身的尺度虽是局地性的，但任何局地边界层气候也同时受大尺度天气形势的影响。局地因素和天气尺度因素是同时存在的。当大型天气比较平稳，气压梯度小，无风或微风，白天晴空，夜间无云时，局地因素起主要作用。此时，城市与郊区以及城市内部不同下垫面的边界层气

26、候特征相差最大，城市热岛及热岛环流最容易形成。而当大尺度天气系统过境，气压梯度力大，风速较大，阴云密布或有降水时，则天气尺度的因素占优势，局地因素被掩盖而不起主要作用，城、郊边界层气候差别就不明显。 6.模拟实验法 为了确切、定量的了解城市化对城市边界层气候的影响，现在还采用模拟实验法。最常用的方法是，将要研究的城市实况按比例做一模型，放入风洞的工作段中，使带烟气流通过此城市模型，利用烟气的扩散流动状况，了解城市风的流动和污染物的输送情况。 为了观测城市对不同风向的影响，一般将城市模型安装在一个大转盘上，便于转动，以适应不同的风向。塞尔麦克（Cermak,J.E,1974）12曾用风洞实验研究

27、城市气压的分布与风速的结构变化和城市风场中污染物的扩散问题。这种方法虽然能够直观地模拟出城市下垫面对边界层气候的影响及高层建筑物街道所产生的涡流，但是对城市覆盖层的真实热力和动力特征及城市边界层的温度层结状况是很难真实的模拟出来的。 但是，风洞模拟手段具有直观、实验条件可控、实验周期短以及不受实际天气条件影响等优点，是一种研究城市边界层气候，经济而行之有效的方法。 7.数值模拟方法 应用数学物理方法建立城市边界层气候研究模式是当前国内外学者最常用的方法。在建立模式的过程中，由于考虑的着眼点不同，每种模式都有其物理假设、基本方程、参数化方案、计算格点、边界条件和初始条件等基本框架，大致可分为以下

28、几种：（1）能量平衡模式 主要研究发生在地气界面上的能量收支等物理过程。按照研究的范围不同，主要有简单的地面能量平衡模式和具有与上层边界层相互作用的边界层能量平衡模式。前者将城市地气界面看作一个简单的平面，按其不同的下垫面特征进行参数化，然后计算其能量平衡收支及地表温度；而后者考虑了城市近地层与上层边界层的相互作用，其物理机制比较明确，所得结果比较符合实际。（2）混合层模式 主要是根据城市下垫面粗糙度、城市表面风速、城市热量输入以及在上风方向乡村逆温强度等控制参数，模拟一个充分混合的城市边界层内温度结构及其对下风方向郊区影响所及的厚度。这种模式也常用来计算城市大气混合厚度和热岛强度。（3）动力学模式 根据流体动力学方程、热力学方程、有时亦兼用辐射方程来模拟城市大气边界层的平均温度场、流场和湍流输送特征。这种模式多用能量平衡方程作为下边界条件，以客观反映城市边界层内各种要素的变化规律。