城市氣象學(xué)第九章：城市中的地-氣顯熱交換與地-氣潛熱交換

1、計算公式計算公式城市中大氣穩(wěn)定度一般比郊區(qū)小，容易發(fā)生熱力湍流，城市中大氣穩(wěn)定度一般比郊區(qū)小，容易發(fā)生熱力湍流，同時城市下墊面的粗糙度也比郊區(qū)大，又有利于機(jī)械湍同時城市下墊面的粗糙度也比郊區(qū)大，又有利于機(jī)械湍流的發(fā)展，因此，城市的顯熱總是比郊區(qū)大。流的發(fā)展，因此，城市的顯熱總是比郊區(qū)大。城區(qū)下墊面都是一些不透水的人工材料組成，并供蒸城區(qū)下墊面都是一些不透水的人工材料組成，并供蒸發(fā)的水汽量遠(yuǎn)比郊區(qū)自然的泥土地表少，且植被覆蓋也發(fā)的水汽量遠(yuǎn)比郊區(qū)自然的泥土地表少，且植被覆蓋也小，植被蒸騰的水汽量也少，因此，城市下墊面向大氣小，植被蒸騰的水汽量也少，因此，城市下墊面向大氣提供的潛熱遠(yuǎn)小于郊區(qū)。提供的

2、潛熱遠(yuǎn)小于郊區(qū)。5城市地氣顯熱交換特征城市地氣顯熱交換特征城市的地氣顯熱交換特征城市的地氣顯熱交換特征波文比 Bowen ratio 波文比指的是顯熱通量（又稱感熱通量）與潛熱波文比指的是顯熱通量（又稱感熱通量）與潛熱通量的比率。通量的比率。反映了生態(tài)系統(tǒng)與大氣交換能量的反映了生態(tài)系統(tǒng)與大氣交換能量的形式分配情況。形式分配情況。 顯熱通量顯熱通量/感熱通量（感熱通量（sensible heat flux）地表）地表和近地表大氣間通過傳導(dǎo)和對流運動轉(zhuǎn)移的能量和近地表大氣間通過傳導(dǎo)和對流運動轉(zhuǎn)移的能量 。 潛熱通量（潛熱通量（latent heat flux）通過水分蒸發(fā)和水）通過水分蒸發(fā)和水蒸氣

3、凝結(jié)進(jìn)行的地表與大氣間的能量交換蒸氣凝結(jié)進(jìn)行的地表與大氣間的能量交換 。城市草地的小氣候調(diào)節(jié)作用初步研究城市草地的小氣候調(diào)節(jié)作用初步研究 晴天草地所獲得的太陽輻射能量大部分用晴天草地所獲得的太陽輻射能量大部分用于植被蒸騰和土壤蒸發(fā)。草地所獲得的凈于植被蒸騰和土壤蒸發(fā)。草地所獲得的凈輻射能量約輻射能量約12用于蒸散，約用于蒸散，約13用于顯用于顯熱，約熱，約6% 向土壤深處傳遞；而裸地所獲向土壤深處傳遞；而裸地所獲得的凈輻射能量約得的凈輻射能量約13用于土壤蒸發(fā)，約用于土壤蒸發(fā)，約 25用于顯熱，約用于顯熱，約110向土壤深處傳遞。向土壤深處傳遞。城市“屋頂花園對城市氣候影響方法研究 對熱量和溫

4、度的影響對熱量和溫度的影響nFHESAnFHESAQQQQQQQQQQQQ其中，：地面凈輻射：人為熱：下墊面與空氣間的湍流顯熱：下墊面與空氣間的潛熱交換：下墊面內(nèi)部貯熱量的變化：熱平流量的變化城市“屋頂花園對城市氣候影響方法研究 在同一個城市，人為熱在同一個城市，人為熱QF和熱平流量和熱平流量QA，無論屋頂是否綠化都可以作為同值處理。無論屋頂是否綠化都可以作為同值處理。綠色屋頂面的凈輻射熱量綠色屋頂面的凈輻射熱量Qn遠(yuǎn)小于未綠化遠(yuǎn)小于未綠化的屋頂面，同時綠色屋頂面因植物的蒸的屋頂面，同時綠色屋頂面因植物的蒸騰和潮濕下墊面的蒸發(fā)作用消耗的潛熱騰和潮濕下墊面的蒸發(fā)作用消耗的潛熱QE明顯比未綠化的屋

5、面大。從而使綠化屋頂明顯比未綠化的屋面大。從而使綠化屋頂空氣獲得的熱量少熱效應(yīng)降低，破壞或空氣獲得的熱量少熱效應(yīng)降低，破壞或減弱了城市的減弱了城市的“熱島熱島”效應(yīng)。效應(yīng)。南京夏季城市熱島時空分布特征南京夏季城市熱島時空分布特征觀測及模擬研究觀測及模擬研究 模擬結(jié)果表明，夏季晴好天氣下，南京地區(qū)晝夜均在邊界層模擬結(jié)果表明，夏季晴好天氣下，南京地區(qū)晝夜均在邊界層內(nèi)形成熱島。午后內(nèi)形成熱島。午后14時，城市顯熱達(dá)到時，城市顯熱達(dá)到350W/m2以上，是郊區(qū)以上，是郊區(qū)的的2倍；此時城市土壤熱通量為倍；此時城市土壤熱通量為200W/m2，是郊區(qū)的，是郊區(qū)的4倍；城市倍；城市下墊面大量儲熱，提供了熱島

6、形成的熱量基礎(chǔ)。同時，城區(qū)湍能下墊面大量儲熱，提供了熱島形成的熱量基礎(chǔ)。同時，城區(qū)湍能在在200-700m達(dá)到高值達(dá)到高值1.2m2/s2，是郊區(qū)的，是郊區(qū)的2倍，白天強(qiáng)湍流運動倍，白天強(qiáng)湍流運動促進(jìn)了城市邊界層發(fā)展及促進(jìn)了城市邊界層發(fā)展及700m以下熱島的形成，與夜間相比，以下熱島的形成，與夜間相比，熱島向高空延伸更高。夜間熱島向高空延伸更高。夜間02時，城、郊顯熱均明顯降低，此吋時，城、郊顯熱均明顯降低，此吋城市土壤熱通量約城市土壤熱通量約30-35W/m2，是郊區(qū)的，是郊區(qū)的2倍，城市積蓄的熱量倍，城市積蓄的熱量持續(xù)輸出，維持夜間近地面較高的熱島強(qiáng)度；與白天相比，夜間持續(xù)輸出，維持夜間近

7、地面較高的熱島強(qiáng)度；與白天相比，夜間城市大氣相對穩(wěn)定，熱島在近地面分布范圍更廣且強(qiáng)度更大，熱城市大氣相對穩(wěn)定，熱島在近地面分布范圍更廣且強(qiáng)度更大，熱島發(fā)展高度較低為島發(fā)展高度較低為100m。 城市建筑的屋頂和側(cè)壁等能持續(xù)吸收和儲存熱能，提供了比城市建筑的屋頂和側(cè)壁等能持續(xù)吸收和儲存熱能，提供了比郊區(qū)更多的熱量向近地層輸送，且由白天儲熱多，日落后的城郊區(qū)更多的熱量向近地層輸送，且由白天儲熱多，日落后的城市地表降溫慢，夜間仍可以持續(xù)提供熱量，因此，城市下墊面市地表降溫慢，夜間仍可以持續(xù)提供熱量，因此，城市下墊面的顯熱值都明顯高于其它下墊面，在凌晨氣溫較低時城市顯熱的顯熱值都明顯高于其它下墊面，在凌

8、晨氣溫較低時城市顯熱約降為零，在白天氣溫較高時城市顯熱大于郊區(qū)約一倍之多。約降為零，在白天氣溫較高時城市顯熱大于郊區(qū)約一倍之多。南京夏季城市熱島時空分布特征南京夏季城市熱島時空分布特征觀測及模擬研究觀測及模擬研究南京夏季城市熱島時空分布特征南京夏季城市熱島時空分布特征觀測及模擬研究觀測及模擬研究 下墊面向空氣釋放潛熱通量的大小主要取下墊面向空氣釋放潛熱通量的大小主要取決于下墊面可供蒸發(fā)的水分量的多少，植決于下墊面可供蒸發(fā)的水分量的多少，植被下墊面土壤含水量高，持水能力強(qiáng)，故被下墊面土壤含水量高，持水能力強(qiáng)，故潛熱交換強(qiáng)，而城市巾可供蒸發(fā)的水分很潛熱交換強(qiáng)，而城市巾可供蒸發(fā)的水分很少，因此向大氣

9、提供的潛熱通量小亍郊區(qū)。少，因此向大氣提供的潛熱通量小亍郊區(qū)。在夜間各種下墊面類型潛熱均較小的情況在夜間各種下墊面類型潛熱均較小的情況下，城、郊的差異還不明顯，而在白天氣下，城、郊的差異還不明顯，而在白天氣溫高蒸發(fā)旺盛的時刻差異較顯著。溫高蒸發(fā)旺盛的時刻差異較顯著。 城、郊不同下墊面地表熱量平衡各分量平均日變化特征分析城、郊不同下墊面地表熱量平衡各分量平均日變化特征分析2324城市草坪水汽通量與蒸散量的變化特城市草坪水汽通量與蒸散量的變化特征分析征分析 水汽通量與熱通量的變化趨勢都是倒水汽通量與熱通量的變化趨勢都是倒U型，型，即白天為正，夜間為負(fù)，除即白天為正，夜間為負(fù)，除3月外，其它月月外，

10、其它月份的水汽通量日變化曲線與潛熱通量幾乎份的水汽通量日變化曲線與潛熱通量幾乎重合，且兩者曲線遠(yuǎn)高于顯熱通量；全天重合，且兩者曲線遠(yuǎn)高于顯熱通量；全天蒸騰的時數(shù)也隨日照時數(shù)的縮短而減少，蒸騰的時數(shù)也隨日照時數(shù)的縮短而減少，基本表現(xiàn)為夏季最大，春秋季次之，冬季基本表現(xiàn)為夏季最大，春秋季次之，冬季最??；全年中間波文比較小，冬春兩季較最?。蝗曛虚g波文比較小，冬春兩季較大。大。水汽通量日變化曲線均與潛熱通量幾乎重合水汽通量日變化曲線均與潛熱通量幾乎重合31PFIErSA 32城市供水量-城市化進(jìn)程的加快帶動了行業(yè)發(fā)展 37394042 城市暴雨徑流特點 城市化的程度的提高，直接改變了城市的暴雨徑流形

11、成條件，使其水文情勢發(fā)生變化l 暴雨徑流總量增大，洪峰流量增高，出現(xiàn)時間提前。l 河道中水流流速加大，徑流過程中懸浮固體及污染物濃度提高。發(fā)生這些現(xiàn)象的原因可從兩個方面來分析：發(fā)生這些現(xiàn)象的原因可從兩個方面來分析： 不透水面積增加不透水面積增加 城市化的進(jìn)程，增加了城市的不透水表面，城市化的進(jìn)程，增加了城市的不透水表面，使相當(dāng)部分的流域為不透水表面所覆蓋，如屋使相當(dāng)部分的流域為不透水表面所覆蓋，如屋頂頂 匯流時間縮短匯流時間縮短 排水管渠系統(tǒng)的完善，如設(shè)置道路邊溝排水管渠系統(tǒng)的完善，如設(shè)置道路邊溝降雨后城市與郊區(qū)徑流曲線的圖式降雨后城市與郊區(qū)徑流曲線的圖式曲線下的面積曲線下的面積代表徑流總量代

12、表徑流總量46城 市 化人 口 密 度 增 大建 筑 物 密 度 增 大城 市 污 水 量 增 加需 水 量 增 加不 透 水 面 積 增 加排 水 系 統(tǒng) 完 善城 市 氣 候 改 變城 市 雨 水 水 質(zhì) 惡 化接 納 變 質(zhì) 水地 下 水 補 給 減 少基 流 量 減 少徑 流 量 增 大洪 峰 流 量 增 加水 流 流 速 增 大洪 峰 滯 時 和 歷 時 縮 短城 市 水 質(zhì) 污染 控 制 問 題城 市 洪 水控 制 問 題城 市 水 源 問 題低洼綠地對降低城市徑流深度、徑流低洼綠地對降低城市徑流深度、徑流系數(shù)的效果分析系數(shù)的效果分析 綠化率綠化率35%深度為深度為100 mm的低

13、洼綠的低洼綠地，在地，在1 h不同頻率降雨條件下，可以將相不同頻率降雨條件下，可以將相同徑流深度所對應(yīng)的降雨頻率提高同徑流深度所對應(yīng)的降雨頻率提高12個個標(biāo)準(zhǔn)級；在標(biāo)準(zhǔn)級；在1h相同頻率降雨條件下，可以相同頻率降雨條件下，可以將徑流系數(shù)降低將徑流系數(shù)降低0.30.4左右，顯著降低左右，顯著降低匯流比例，削減洪峰流量。匯流比例，削減洪峰流量。城市“屋頂花園對城市氣候影響方法研究 在同一城市中燃燒釋放于大氣中的水分在同一城市中燃燒釋放于大氣中的水分F、管、管道供水量道供水量I和徑流量和徑流量r，無論屋頂綠化與否都不，無論屋頂綠化與否都不會改變。降水量會改變。降水量P和空氣平流水分和空氣平流水分A，雖然會，雖然會因屋面綠化受到一些影響，但其差別很小，可不因屋面綠化受到一些影響，但其差別很小，可不于考慮。然而由于綠色植物的蒸騰和潮濕土壤的于考慮。然而由于綠色植物的蒸騰和潮濕土壤的蒸發(fā)會使屋面綠化后的蒸散量大大增加，從而使蒸發(fā)會使屋面綠化后的蒸散量大大增加，從而使貯存于管道和建筑物中的水量貯存于管道和建筑物中的水量s減少，使貯存減少，使貯存于空氣系統(tǒng)中的水分于空氣系統(tǒng)中的水分E增大即屋面綠化后空氣增大即屋面綠化后空氣中的絕對濕度增加。又由于綠化后其溫度有所降中的絕對濕度增加。又