城市气候学教案谢宇龙.docx

1、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3434662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1411.272气象园22第一章 绪论1411.30221222第二章 城市的云量 日照和辐射1412.12气象园22第二章 城市的云量 日照和辐射1512.42气象园22第三章 城市的能量平衡和水分平衡1512.7221222第三章 城市的能量平衡

2、和水分平衡1512.82气象园22第四章 城市热岛1612.112气象园22第四章 城市热岛1612.14221222第五章 城市风场1612.152气象园22第六章 城市 的湿度 雾 降水和能见度1712.182气象园22第六章 城市 的湿度 雾 降水和能见度1712.21221222第七章 城市气候灾害的防治和局地气候的改善1712.222气象园22第七章 城市气候灾害的防治和局地气候的改善1812.252气象园22第八章 环境气象和特种天气预报1812.28221222第八章 环境气象和特种天气预报1812.292气象园22第八章 环境气象和特种天气预报191.12气象园22第八章 环境

3、气象和特种天气预报191.4221222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

4、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200250m，尘盖顶在100200m之间。（4）研究对象：

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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：能量平衡模式 混合层模式 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=DS 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=15.8D、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

10、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

11、 ： 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5 7.2个 日平均总云量280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

12、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：1215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

13、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39%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

14、。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：主要为四类空调取暖 （25.7w/m2）电力（包括夏季空调） （16.7w/m2）交通运输 （夏 208，冬 20）工业（）4）季变和日变季变：一般

15、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:其传热能力和蓄热能力；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比郊区大大气稳定度小于郊区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

16、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593）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

17、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

18、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 23 m/s, 秋 5 m/s, 冬 56 m/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

19、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-6.79P：城市人口 欧： T=2.01LogP-4.062、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0.93、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

20、、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0.51.5km，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

21、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

22、。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

23、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市区湍流持续时间比郊区长热岛

24、粗糙度湍流频率不同 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

25、 270m正郊居民点 390m城市中心区 420m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

26、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

27、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 1km10km轻雾能见度：目力观测，级别标准0-50m 0

28、 2 -4km 550-20m 1 4-10km 6200-500m 2 10-20km 750-1000m 3 20-50km 81-2km 4 50km 9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40m 200m 400m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，