城市氣象學(xué)_1

1、By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 1 任 課 教 師 ： 孫 衛(wèi) 國 授 課 對 象 ： 本 科 生 教學(xué)時數(shù) ： 32 學(xué) 時 2010年2月制作 艱 苦 樸 素 勤 奮 好 學(xué) 追 求 真 理 自 強(qiáng) 不 息 城市氣象學(xué) 第一章 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 2 Urban Meteorology 課程性質(zhì)。 學(xué)科動態(tài)及熱點問題。 以理論教學(xué)為主，結(jié)合課堂討論、課程論文等 形式。 了解城市氣象學(xué)的研究內(nèi)容和研究方法，著重 理解城市氣象的基本特點、形成原因、影響因 素和變化規(guī)律。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 主要參考書 1 城市氣候?qū)W導(dǎo)論,華東師大出版社,1985,周淑

2、貞等。 2 城市氣候譯叢,華東師大出版社,1987,鄧先瑞等。 3 城市氣候與區(qū)域氣候,華東師大出版社,1989,周淑貞等。 4 城市氣候?qū)W,氣象出版社,1994,周淑貞、束炯編著。 5 城市化環(huán)境氣象學(xué)引論,氣象出版社,1998,徐祥德主編。 6 高溫?zé)崂伺c人體健康,氣象出版社,2009,談建國等。 7 大氣環(huán)境與環(huán)境氣象災(zāi)害,氣象出版社,2009,張小曳等。 8 城市氣象災(zāi)害,氣象出版社,2009,王迎春等。 3 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 4 Urban Meteorology The Father of Meteorology Luke Howard (28 November

3、 1772 21 March 1864). Luke Howard is considered the father-figure of urban climatology based on his book The Climate of London. Weather and Climate. By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 5 第一章 緒論 Chapter one: Introduction 1.1 城市與城市化; 1.2 城市氣象的基本概念; 1.3 城市氣象的研究內(nèi)容; 1.4 城市氣象的研究方法; 1.5 城市氣象的研究動態(tài). By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 6 Intr

4、oduction of Urban Meteorology 第一節(jié) 城市與城市化 一、城市的形成 二、城市的類型 三、城市化的概念 四、城市化與城市荒漠化 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 7 City and Urbanization 城市 chngsh city 【釋義】：人口集中、工商業(yè)發(fā)達(dá)、居民以 非農(nóng)業(yè)人口為主的地區(qū)，通常是周圍地區(qū)的 政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。 【出處】：韓非子愛臣：“是故大臣之 祿雖大，不得藉威城市?！?【示例】：宋 蘇軾 許州西湖詩：“但恐 城市歡，不知田野愴?！?By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 8 City and Urbanization 一、城市的形

5、成 城市是人類走向成熟和文明的標(biāo)志，也是人類群居生 活的高級形式。 群居 防御 市井 吳越春秋：“筑城以衛(wèi)君，造郭以衛(wèi)民”。城 以墻為界，有內(nèi)、外之別。內(nèi)城為城，外城叫郭。 世本作篇：“祝融作市”。古未有市，若朝 聚井汲，便將貨物于井邊貨賣，曰市井。 集鎮(zhèn)(Town) 城市(City) 大都市(Metropolis) 都市圈(Circle of the Metropolis) 城市起源的3種學(xué)說：一是防御說；二是集市說；三 是社會分工說。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 9 City and Urbanization 二、城市的類型 1綜合經(jīng)濟(jì)實力分類 集市型城市(Town); 功能型城

6、市(City); 綜合型城市(Metropolis or Megalopolis); 城市群或都市圈(Circle of the Metropolis). 2中國的城市類型 直轄市副省級城市較大的市地級市縣級市 3中國城市發(fā)展史 城市起源和初期發(fā)展時期 封建社會時期 近代及現(xiàn)代社會時期 4世界十大城市 東京、紐約、倫敦、首爾、洛杉磯、大阪、 香港、芝加哥、多倫多、墨西哥。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 10 City and Urbanization 三、城市化的概念 城市化(Urbanization or Urbanisation)也稱為城鎮(zhèn)化、都 市化。指人口、用地和經(jīng)濟(jì)、文化模式

7、由農(nóng)村型轉(zhuǎn)向城市 型的過程和趨勢。城市化是衡量一個國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水 平的重要標(biāo)志。 社會科學(xué)詞典中定義：城市中心對農(nóng)村腹地影響的傳播過 程；全社會逐步接受城市文化的過程；人口集中的過程，包括 集中點的增加和每個集中點的擴(kuò)大；城市人口與全社會人口比 例提高的過程。 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)城市規(guī)劃術(shù)語中定義：城市化是 人類生產(chǎn)與生活方式由農(nóng)村型向城市型轉(zhuǎn)化的歷史過程，主要 表現(xiàn)為農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化為城市人口及城市不斷發(fā)展完善的過程。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 11 City and Urbanization 1城市化的含義 人口學(xué); 地理學(xué); 社會學(xué); 經(jīng)濟(jì)學(xué). 2城市化的本質(zhì) 城市化是人

8、口和勞動力向城市轉(zhuǎn)移的過程。 城市化是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。 城市化是地域性質(zhì)和景觀轉(zhuǎn)化的過程。 城市化是人的整體素質(zhì)不斷提高的過程。 3城市化地區(qū)的特點 非農(nóng)業(yè)人口高密度聚居的區(qū)域。 高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)活動區(qū)域。 具有特殊的下墊面(Underlaying surface)。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 12 City and Urbanization 4城市化的類型 鄉(xiāng)村城市化(rural urbanization)；偽城市化(pseudo- urbanization)；再城市化(re-urbanization)；逆城市化 (counter urbanization) 5城市化進(jìn)程的表征

9、城市化水平: UL= Urban Population / Total Population 1 n 四、城市化與城市荒漠化 1城市化發(fā)展趨勢 世界城市化進(jìn)程空前加快，特別是發(fā)展中國家；大城市 化趨勢明顯；郊區(qū)城市化和逆城市化。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 13 City and Urbanization 2中國的城市化 基本特點：制度轉(zhuǎn)軌；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。 基本形式：集中型; 分散型; 舊地型。 3江蘇的城市化 蘇南模式; 蘇北模式. 4城市荒漠化 人口膨脹; 資源緊缺; 能源過耗; 環(huán)境危機(jī). By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 14 Introduction of Urban Me

10、teorology 第二節(jié)城市氣象的基本概念 一、城市氣象學(xué)的學(xué)科范疇 二、城市氣象的主要特點 三、城市氣象的形成原因 氣候類型水平范圍 （m） 垂直范圍 （m） 氣象現(xiàn)象維持 時間(Sec) 氣候現(xiàn)象 大氣候 5 7 210 510 0 5 10 10 5 6 10 10氣候帶季風(fēng)區(qū) 中氣候 3 5 10 210 0 3 10 610 4 5 10 10盆地氣候 局地氣候 2 4 10 10 -1 3 10 10 1 4 10 10城市坡地暖帶 小氣候 -2 2 10 10 -2 1 10 10 -1 1 10 10溫室氣候 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 15 第二節(jié)城市氣象的基本概

11、念 一、城市氣象學(xué)的學(xué)科范疇 表1.1各種氣候的水平尺度和垂直尺度 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 16 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城市氣象學(xué)主要以城市局地小氣候為研究對象， 研究城市中一些環(huán)境因素對光照，溫度，濕度， 風(fēng)等氣象因子的影響。 在大氣候或區(qū)域氣候的背景條件下，由于城市化 的影響而形成的一種局地氣候或小氣候，稱為城 市氣候。它的尺度介于小氣候和中氣候之間。它 同時要研究“城市邊界層”、“城市覆蓋層”和 “城市尾羽層”的氣候條件和天氣現(xiàn)象 。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 17 第二節(jié)城市氣象的基本概念 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 18 第二節(jié)城市氣象的基本概

12、念 城市氣象學(xué)是研究城市下墊面上有限區(qū)域內(nèi)的中、 小尺度天氣氣候現(xiàn)象的學(xué)科。 Urban Boundary Layer Urban Canopy Layer (Fig) Urban Plume By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 19 第二節(jié)城市氣象的基本概念 二、城市氣象的主要特點 城市氣象是在區(qū)域天氣背景上，經(jīng)過城市化之 后，在人類活動影響下而形成的一種特殊的局 地的氣象條件。 隨著城市氣象研究的不斷發(fā)展，20世紀(jì)80年代 初期，美國學(xué)者H. E. Landsberg將城市與郊區(qū) 各種氣象要素的差異進(jìn)行了對比總結(jié)，給出了 表1.2。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 20 第二節(jié)城市

13、氣象的基本概念 表1.2 城市與郊區(qū)氣象差異的比較 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 21 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城市氣象的主要特征可以歸納為城市的 “五島”效應(yīng)，即混濁島(Fig.)、熱島(Fig.)、 干島、濕島、雨島(Fig.) 。 每一個地區(qū)都有其獨特的氣象條件，不同 的下墊面性質(zhì)產(chǎn)生了不同的氣象現(xiàn)象。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 22 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城 市 下 墊 面 的 影 響，表現(xiàn)在5個方面： 1)城市由無數(shù)建筑物和街道組成，它們具有獨特的 熱力特征；城市中長波輻射強(qiáng)，反射率因多次反射 而減小。 2)城市中不同高度的建筑物形成特殊的粗糙度(Fig)，

14、 對氣流運動和湍流擴(kuò)散影響很大；城市中風(fēng)速較小， 熱量的水平輸送弱。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 23 第二節(jié)城市氣象的基本概念 3)城市工業(yè)區(qū)和采暖設(shè)備能提供相當(dāng)數(shù)量的人工熱 源，增強(qiáng)城市熱島效應(yīng)。 4)城市有良好的排水設(shè)備，積雪被及時清除，地面 滲水能力差，蒸發(fā)耗熱低；表現(xiàn)為城區(qū)氣溫高，濕 度低。 5)城市中空氣污染嚴(yán)重，排放大量固體、液態(tài)和氣 態(tài)污染物質(zhì)；表現(xiàn)為到達(dá)地表的太陽總輻射減小， 局地性降水或陣性降水增多。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 24 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城市中空氣污染越來越嚴(yán)重，它是形成“溫室效 應(yīng)”的物質(zhì)來源，更是太陽輻射減弱的根本原因。 空氣

15、中污染物質(zhì)的來源有兩個：一是自然因素， 二是人為因素所致。在一定的天氣條件下，往往 發(fā)生空氣污染事故，從而影響城市居民生活。所 以說，城市是一個“混濁島”。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 25 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城市氣象的另一重要特征就是它的溫度狀況。 產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)的主要原因： 1)城市上空污染物質(zhì)的保溫作用，即增加大氣 逆輻射，減弱了長波輻射交換。 2)城市熱量平衡特征是感熱交換為主，而潛熱 交換的熱量很小，下墊面吸收的凈輻射主要用 于加熱城市近地層空氣。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 26 第二節(jié)城市氣象的基本概念 3)城市中平均風(fēng)速較小，熱量的水平輸送減弱，

16、而建筑物的機(jī)械作用又能增強(qiáng)熱量的垂直交換。 4)城市人工熱源的作用，工業(yè)區(qū)集中，人口密 度大，人類活動產(chǎn)生的熱量加劇了空氣溫度的 升高。 5)建筑材料的導(dǎo)熱率大，墻體之間的熱交換較 強(qiáng)等。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 27 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城鄉(xiāng)絕對濕度差值的日變化與溫度的日變化相似， 但會出現(xiàn)正負(fù)值晝夜相反的現(xiàn)象。 白天郊區(qū)的蒸發(fā)蒸騰作用比市區(qū)大，因此，郊區(qū) 水汽壓比市區(qū)高，形成城市“干島”。 夜晚郊區(qū)的空氣冷卻快，層結(jié)比市區(qū)穩(wěn)定，水汽 凝結(jié)量多，因此郊區(qū)水汽壓低。市區(qū)夜間熱島效 應(yīng)強(qiáng)，氣溫比郊區(qū)高，水汽凝結(jié)量小；夜間湍流 強(qiáng)度比白天減弱，垂直向上輸送的水汽減少，致 使市區(qū)

17、水汽壓比郊區(qū)大，形成城市“濕島”。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 28 第二節(jié)城市氣象的基本概念 城市對風(fēng)的影響表現(xiàn)在兩個方面： 一是城市中地面風(fēng)速減小， 二是城郊之間產(chǎn)生局地環(huán)流，即“城郊風(fēng)”。 城市對云霧及降水也有很大影響。 英國倫敦的“都市霧”，我國山城重慶的霧等 都比較著名。 近年來的觀測事實表明，在市區(qū)及城市下風(fēng)方 的地區(qū)（距市中心約幾十公里），有降水量增 多的現(xiàn)象，即所謂“雨島”。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 29 第二節(jié)城市氣象的基本概念 三、城市氣象的形成原因 1城市化效應(yīng) 人口密度大。 經(jīng)濟(jì)活動較為集中。 具有特殊性質(zhì)的下墊面。 2城市化對城市氣象的影響 地

18、 表 -1 -1 -1 熱傳導(dǎo)率(calcm sec deg ) -3 -1 熱容量(calcm deg ) 干土壤 -5 610 -1 810 濕土壤 -3 510 -1 510 混凝土 -3 1110 -2 910 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 30 第二節(jié)城市氣象的基本概念 表1.3 不同性質(zhì)的下墊面的熱容量和熱傳導(dǎo)率 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 31 第三節(jié)城市氣象學(xué)的研究內(nèi)容 一、城市氣象學(xué)的研究對象 研究對象是 “城市邊界層”、“城市冠層”以 及“城市夾卷層”中的天氣現(xiàn)象和氣候條件。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 32 第三節(jié)城市氣象的研究內(nèi)容 二、城市氣

19、象學(xué)的研究內(nèi)容 1城市氣象觀測研究 2分析氣象要素特征 3研究城市氣象形成的原因和過程 4城市大氣動力學(xué)研究 5探討改善城市氣象條件的途徑 6有關(guān)城市氣象的應(yīng)用研究 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 33 第四節(jié)城市氣象的研究方法 在城市氣象的研究過程中，方法問題至關(guān)重要。 城市氣象的研究方法視其研究的目的而異。 一、研究方法分類 理論研究方法。 實驗研究方法。 半經(jīng)驗半理論方法。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 34 第四節(jié)城市氣象的研究方法 物理方法大多用于分析城市氣象的形成原因， 描述城市氣象規(guī)律等方面的研究。 這種方法以近地層大氣物理學(xué)和局地能量平衡 學(xué)作為城市氣象的物理基礎(chǔ)

20、，通過對某地區(qū)地 表太陽輻射收支狀況和熱量平衡狀況的分析來 揭示該地區(qū)氣象條件的形成原因和氣象現(xiàn)象的 描述。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 35 第四節(jié)城市氣象的研究方法 統(tǒng)計學(xué)方法是人們所熟悉的廣泛應(yīng)用于氣象條件 分析的一種方法，它可以分析城市區(qū)域氣象要素 場的分布和垂直分布差異；通過對氣象資料時間 序列的分析，還可以在時間頻率域中找出氣象 要素的變化趨勢、年際變率以及周期性等變化特 征和發(fā)生突變的時間位置等。統(tǒng)計學(xué)中的基本方 法同樣適用于城市氣象的研究。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 36 第四節(jié)城市氣象的研究方法 數(shù)值模擬方法及其參數(shù)化，以大氣動力學(xué)和天氣 學(xué)理論為基礎(chǔ)，

21、通過數(shù)值試驗了解特定地區(qū)不同 下墊面條件下的風(fēng)場、溫度場和降水場等氣象要 素的變化規(guī)律，數(shù)值模擬也被應(yīng)用于估計污染物 的運輸和擴(kuò)散，以及城市熱島效應(yīng)等氣象效應(yīng)的 研究，屬于中尺度數(shù)值模擬的范疇，而且已經(jīng)取 得了豐碩的研究成果。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 37 第四節(jié)城市氣象的研究方法 城市氣象一般采用理論和實際相結(jié)合的方法，即理 論分析與實驗觀測資料分析相結(jié)合來研究城市地形 條件的氣象效應(yīng)。 一般情況下，局地氣象條件差異大多出現(xiàn)在一種天 氣條件之下，天氣過程或大氣候背景只能起到加劇 或減緩這種局地差異的作用，而不會使這種局地差 異發(fā)生根本的改變，即不會被大規(guī)模的空氣運動所 混合。

22、By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 38 第四節(jié)城市氣象的研究方法 二、常用研究方法 1歷史對比法 2周末與工作日對比法 3城、郊對比法 4城市內(nèi)部不同性質(zhì)下墊面對比法 5大小尺度因素相結(jié)合的方法 6模擬實驗法 7數(shù)學(xué)物理方法(建立模式) 8氣候?qū)W研究方法 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 39 第五節(jié) 城市氣象的研究動態(tài) 19世紀(jì)初期，英國學(xué)者Luke Howard (17721864) 發(fā)表倫敦氣候、提出“城市霧”、發(fā)現(xiàn)“城市 熱島效應(yīng)”。 19世紀(jì)中后期，法國學(xué)者E.Renon對巴黎城市氣候 作了有價值的研究，英國學(xué)者F.A.Russel、法國學(xué) 者A.Angot等人分別對倫敦和巴黎的霧作了比較深 入的研究。德國學(xué)者G.Hellmann首先研究了柏林 城市效應(yīng)對降水的影響。 By Sun Weiguo城市氣象學(xué) 40 第五節(jié)城市氣象的研究動態(tài) 20世紀(jì)，城市氣候研究的要素越來越多，研究的 地區(qū)也日益廣大。W.Schmidt于1919年開始對城 市內(nèi)部不同景觀地區(qū)的小氣候進(jìn)行了研究。1927 年A.Schmass研究慕尼黑城市對降水的影響。1937 年德國學(xué)者P.A.Kratzer對城市氣候研究工作進(jìn)行 總結(jié)，寫出城市氣候