城市氣象學(xué)課件：01城市氣候

1、城市氣象學(xué)Urban Meteorology,內(nèi) 容,一、緒論 二、城市生態(tài)系統(tǒng) 三、城市大氣污染 四、城市能量通量 五、城市熱島 六、城市風(fēng)場,七、城市水平衡、云與降雨 八、城市碳循環(huán) 九、城市氣象觀測 十、城市氣象災(zāi)害 十一、城市規(guī)劃與氣候,教材及參考書（一）,Helmut E. Landsberg, The Urban Climate, 1981, 電子書 周淑貞、束炯，城市氣候?qū)W，氣象出版社，1994,超星電子圖書 城市氣候聯(lián)合會網(wǎng)頁，International Association for Urban Climate, IAUC, 加拿大

2、 University of British Columbia,Urban Meteorology, http:/www.geog.ubc.ca/courses/geog401/,教材及參考書（二）,Web of SCI Atmospheric Environment ( Journal of Applied Meteorology and Climatology( Boundary-Layer Meteorology(http:/ Theoretical and Applied Climatology(http:/ International Journal of Climatology(

3、Energy and Buildings(http:/ Urban Ecosystems(,最新的研究進(jìn)展一般來說都在這些文獻(xiàn)里！,考查及考試方式,考查：40文獻(xiàn)閱讀報(bào)告,考試：60期末考試：開卷 a piece of cake！,好消息！另有練習(xí)題一個(gè)：污染擴(kuò)散模式編程及繪圖?？勺骺刹蛔鳎髁司蜁行б?！,文獻(xiàn)閱讀作業(yè)說明,閱讀35篇文獻(xiàn)，寫出閱讀報(bào)告。文獻(xiàn)自找、題目自定，可以是關(guān)于城市氣象（候）及防災(zāi)減災(zāi)的任何內(nèi)容，例如： 大氣污染、城市熱島、城市熱島環(huán)流、城市風(fēng)場、污染與城市規(guī)劃、數(shù)值模擬、城市氣候資源利用、城市氣象災(zāi)害等等。 本課程停課期末考試前交打印稿或發(fā)給我電子版，推薦后者。,文獻(xiàn)

4、閱讀報(bào)告范例,污染與氣象條件關(guān)系 喬xx 0232310 xx 摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市污染越來越嚴(yán)重，大氣污染是城市污染的一個(gè)重要方面。在短期內(nèi)空氣污染物排放量變化不大的情況下，近地面空氣污染物在大氣中的稀釋、遷移、擴(kuò)散等過程主要受氣象條件的制約。風(fēng)、層結(jié)穩(wěn)定度、天氣形勢等都與近地面大氣污染有密切關(guān)系。 關(guān)鍵詞：大氣污染 氣象條件 城市氣候 關(guān)系,正文： 一、氣象條件與大氣污染的關(guān)系 1. 風(fēng)、湍流與污染物的關(guān)系 。 二、 大氣污染對城市氣候的影響 。 三、小結(jié) 參考文獻(xiàn)： 孟小絨,王建鵬,林楊,鄧小麗，氣象條件與西安污染物的關(guān)系及預(yù)報(bào)方法，陜西氣象，2001，6，23-26 張伯寅,李長

5、令,桑建國, 層結(jié)大氣中煙氣擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬, 大氣科學(xué), 1999, 23(01), 19-24 . 。,人類活動對氣候的影響可分為兩類：一是無意識的影響，即在人類活動中對氣候產(chǎn)生的副作用；二是為達(dá)到某種目的，采取一定措施，有意識改變氣候條件。周淑貞，城市氣候?qū)W 城市氣候定義：在區(qū)域氣候背景上，經(jīng)城市化后，在城市特殊下墊面和城市人類活動的影響下（主要是無意識的）而形成的一種局地氣候。 城市化地區(qū)的特點(diǎn)： 非農(nóng)業(yè)人口高密度聚集、高強(qiáng)度經(jīng)濟(jì)活動區(qū)、特殊下墊面 城市氣候影響因子:地理緯度、太陽輻射、大氣環(huán)流、海陸位置、地形地貌。人類活動影響：太陽輻射、熱力作用、空氣質(zhì)量、動力學(xué)等,研究簡史,最

6、早人們憑直觀感覺認(rèn)識到城市氣候的一個(gè)顯著特點(diǎn)是空氣混濁、多煙多塵。唐代詩人劉禹錫玄都觀桃花中寫道：“紫陌紅塵撲（拂）面來，無人不道看花回；玄都觀里桃千樹，盡是劉郎去后栽?！毙稳蓍L安城街市繁華，飛塵撲面。在外國古代文獻(xiàn)中關(guān)于城市空氣污染的記載亦很多，例如 Horacer 在公元前24年就在詩歌中描寫古羅馬城中煙塵蔽日的景象。 我國的重慶和英國的倫效都是遠(yuǎn)近馳名的“霧都”。 “蜀犬吠日，吠所怪也”形容重慶冬季多濃霧蔽天，偶逢日出，犬都會因奇怪而吠叫。倫敦英國皇族自然科學(xué)家John Evelyn在1661年曾大聲疾呼，反對在倫敦城以大量劣質(zhì)煤作為燃料。他再三闡明燒煤是導(dǎo)致倫敦多霧的重要原因。,對城市

7、氣候系統(tǒng)地研究始自19世紀(jì)初期英國的Luke Howard (1818),他是一位化學(xué)家和業(yè)余氣象學(xué)者,曾對倫敦市內(nèi)和郊區(qū)的氣象記錄進(jìn)行對比分析,從大量的觀測資料中總結(jié)出倫敦城市氣候的特點(diǎn),并出版巨著倫敦氣候。,20世紀(jì)30年代以前，關(guān)于城市氣候的研究以描述城市氣候的特征和現(xiàn)象為主，很少闡述分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，而在30年代以后，城市氣候的研究有了迅速的發(fā)展。如Kratzer (1956) 在修訂再版的城市氣候一書中增添了大量內(nèi)容，是世界上第一部通論性的城市氣候?qū)Ｖ?，在城市氣候研究史上具有承上啟下的重要作用?80年代之后，又有兩部通論性的城市氣候?qū)Ｖ鴨柺溃谝皇荓andsberg (198

8、1)的城市氣候，該著作對世界特別是發(fā)達(dá)國家城市氣候研究工作進(jìn)行總結(jié)，系統(tǒng)分析了城市和郊區(qū)氣候的差異及其形成原因。第二是周淑貞和束炯（1994）合寫的城市氣候?qū)W，該書不僅從理論上闡明城市氣候的特征和形成過程，同時(shí)對城市氣候與城市規(guī)劃建設(shè)的關(guān)系進(jìn)行了探討，對推動我國城市氣候的研究起到了積極的促進(jìn)作用,關(guān)于城市氣候研究的尺度,介紹Murakami 的一篇文章,Computational Fluid Dynamics,對比 Oke 的劃分方法,幾個(gè)概念,城市邊界層（Urban Boundary Layer, UBL）：在中緯度地區(qū)， 晴朗天氣，其高度大約1000m1500m，夜晚約200250m。城市

9、冠層（Urban Canopy Layer, UCL）：建筑物平均高度之下的大氣，1987年由Oke首次提出這個(gè)概念。 城市尾羽層（Urban Plume, UP）：城市對大氣邊界層的下風(fēng)方向影響的范圍，可及30km，最大可達(dá)100km。當(dāng)出現(xiàn)區(qū)域微風(fēng)或者靜風(fēng)時(shí)，UP消逝，出現(xiàn)熱島環(huán)流，此時(shí)的城市大氣邊界層呈現(xiàn)出穹隆式的形狀，稱作城市塵蓋（Urban Dome）。 城市氣候?qū)W的研究范圍包括了UBL、UCL、UP。,DOME,塵罩Dust Dome / 污染罩 Pollution Dome,塵罩Dust Dome / 污染罩 Pollution Dome,逆溫,冷,冷,IAUC,INTERNAT

10、IONAL ASSOCIATION FOR URBAN CLIMATE Web site: ,Logo,首屆Luke Howard 獎獲得者 Tim Oke,Tim Oke,例子：城市氣候研究,HONG KONG,研究方向,通量觀測研究，如：CO2 降雨研究 熱力環(huán)境研究 風(fēng)場研究，建筑布局和風(fēng)場關(guān)系 城市大氣污染研究 氣候資源利用研究，風(fēng)能、太陽能 災(zāi)害防御研究，高溫、大風(fēng)、雷電、暴雨、火災(zāi)、污染、霧、灰霾。,城市氣候研究方法主要包括：外場觀測、物理模擬和數(shù)值計(jì)算。外場觀測是取得第一手研究資料的較好方案，但是其觀測方案設(shè)計(jì)需要很高的技巧，另外該方法對

11、規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)效。物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)α鲌黾皵U(kuò)散特征進(jìn)行詳細(xì)研究，成本較高是其缺陷。數(shù)值模式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供詳細(xì)的流場以及污染物濃度場等特征，前提是必須經(jīng)過外場觀測或者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。,城市氣候研究方法,外場觀測 外場觀測可以直接獲得城市氣候有關(guān)參數(shù)，并可提供數(shù)值模式基本參數(shù)和對比依據(jù)，其主要監(jiān)測手段有地面監(jiān)測站、氣象觀測塔、低空探空、風(fēng)廓線儀、雷達(dá)和衛(wèi)星遙感 。這些監(jiān)測手段各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中地面監(jiān)測站只能進(jìn)行近地面的監(jiān)測，而氣象觀測塔（如中科院大氣所325m氣象觀測塔）可以觀測邊界層中下層的各種氣象要素，這兩種手段的優(yōu)點(diǎn)在于可長期連續(xù)觀測。低空探空可以得到地面至2000m高度的氣象資料，但因成本較高，不

12、能進(jìn)行長期觀測。雷達(dá)和衛(wèi)星遙感因資料的同步性、點(diǎn)位的密集性以及均勻性彌補(bǔ)了前三種方法不足，在大氣環(huán)境監(jiān)測，如城市熱島及氣溶膠分布狀況等方面發(fā)揮著重要作用。另外，近幾年內(nèi)針對城市街谷大氣環(huán)境研究進(jìn)行的外場實(shí)驗(yàn)發(fā)展也很迅速，Pearlmutter對位于以色列境內(nèi)的一個(gè)街谷進(jìn)行了詳盡的觀測，觀測項(xiàng)目包括太陽短波輻射、長波輻射、氣溫、地表溫度、墻面溫度以及風(fēng)向風(fēng)速，作者同時(shí)還結(jié)合一個(gè)位于街谷中央的人體表面能量平衡模式，討論了建筑物布局與人體舒適度之間的關(guān)系。Pfeffer(1995) 采用NO2、CO、苯及煙塵等污染物的監(jiān)測資料（街谷位于德國埃森），分析了各污染物濃度之間的相關(guān)以及不同氣象條件對污染物

13、濃度的影響。,物理模擬 物理模擬的實(shí)驗(yàn)裝置有風(fēng)洞和水槽，前者應(yīng)用更為廣泛，但二者的理論基礎(chǔ)是相同的，均為相似性原理（包括幾何相似、動力相似、大氣邊界層相似等）。物理模擬可以對個(gè)別現(xiàn)象進(jìn)行獨(dú)立而詳細(xì)的研究，同時(shí)也可以對數(shù)值模式的精確性進(jìn)行檢驗(yàn) 。Farell（1999）用風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)城市邊界層的結(jié)構(gòu)特征。Liu et al（2001）用水槽試驗(yàn)?zāi)M了香港島在不同氣象條件下的流場和污染物擴(kuò)散特征。Kastner(1999) 在中性大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行了示蹤實(shí)驗(yàn)，綜合考察了城市街谷幾何尺寸、建筑物不同配置、屋頂形狀以及風(fēng)向等因素對街谷內(nèi)污染物濃度分布的影響。,數(shù)值模擬 數(shù)值模式利用大氣方程組以

14、及污染物傳輸擴(kuò)散方程，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬大氣邊界層及大氣環(huán)境特征。數(shù)值模擬可以詳細(xì)描述大氣邊界層結(jié)構(gòu)和大氣運(yùn)動變化以及污染物傳輸擴(kuò)散規(guī)律，考察各種影響因子的相對重要性，并提出有效的污染控制方案，因此數(shù)值模擬已經(jīng)成為城市大氣邊界層和大氣環(huán)境科學(xué)研究中十分重要的手段,城市化對城市氣候有諸多方面的影響，如城市風(fēng)、溫、濕、能源消耗以及空氣污染等。在充分了解城市化對氣候產(chǎn)生的影響之后，城市氣候?qū)W另一個(gè)重要的任務(wù)就是研究如何改變或改善局地氣候，從而提高人類的居住環(huán)境。城市通風(fēng)能力是建筑群設(shè)計(jì)需要考慮的重要問題，如阿根廷首都布宜諾斯艾利斯商業(yè)區(qū)的改造，該區(qū)原來由與拉普拉塔河平行的若干商業(yè)街構(gòu)成，舊建

15、筑是相同高度的板式樓群。夏季河面上涼爽濕潤的空氣很難穿過建筑群深入到商業(yè)區(qū)中。在新方案中，將商業(yè)街的商用建筑改為高低錯(cuò)落、有良好通風(fēng)性能的建筑群，改善了商業(yè)區(qū)的空氣質(zhì)量和局地氣候，從而使其更具吸引力和經(jīng)濟(jì)效益。另一個(gè)實(shí)例也反證了城市建設(shè)充分考慮城市氣候因素的重要性，瑞典港口城市歌德堡在將一個(gè)造船廠開發(fā)改造為居住區(qū)時(shí)，建筑師和規(guī)劃人員沒有充分考慮氣象學(xué)家提出的改善風(fēng)環(huán)境的建議，導(dǎo)致居住區(qū)建成后出現(xiàn)局地強(qiáng)風(fēng)，大大影響了居住舒適性。,城市氣候主要研究成果,城市“六島”效應(yīng) 城市風(fēng)場 街谷環(huán)流及大氣環(huán)境 局地氣候改善,六島之熱島,城市熱島是在城市化的人為因素和局地天氣氣象條件共同作用下形成的，具體影響

16、因子包括以下幾個(gè)方面： （1）特殊下墊面性質(zhì)：城市下墊面的建筑物和構(gòu)筑物熱容量比郊區(qū)大，這是城市熱島強(qiáng)度夜晚大于白晝的重要原因；城市覆蓋層內(nèi)部街谷中天穹可見度小，大大減少了地面長波輻射損失，而天空視因子與夜間最大熱島強(qiáng)度呈明顯負(fù)相關(guān) ；城市不透水面積較郊區(qū)為大，導(dǎo)致潛熱蒸發(fā)遠(yuǎn)小于通過湍流輸送給空氣的顯熱，這對城市氣溫增加起著相當(dāng)重要的作用； （2） 城市上空污染覆蓋層的存在：覆蓋層吸收地面長波輻射，特別是溫室氣體CO2吸收能力很強(qiáng)，導(dǎo)致城市夜晚氣溫比郊區(qū)高，大氣逆輻射又比郊區(qū)強(qiáng)，地面更不易冷卻；,（3）人為熱及污染物：人為熱量排放導(dǎo)致城市氣溫升高。污染物（如煙塵）漂移到城市上空形成“塵蓋”，從

17、而冷卻吸附水汽結(jié)為霧障，大大減少城市有效輻射，特別是冬季對中高緯度的城市影響很大，導(dǎo)致熱島強(qiáng)度冷季比暖季大，周1周5的熱島強(qiáng)度比周日大； （4）天氣形勢和氣象條件：在同一時(shí)期，同一城市中，下墊面因子、人為熱、溫室氣體及大氣污染物排放源地和源強(qiáng)基本相同，但其熱島現(xiàn)象時(shí)有時(shí)無，時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，這就取決于當(dāng)時(shí)的天氣系統(tǒng)和氣象條件。如周淑貞(1989) 在對上海城市熱島的研究中發(fā)現(xiàn)，在高壓無降水的天氣型中有熱島出現(xiàn)的概率為70.1%，而在強(qiáng)冷鋒過境時(shí)無熱島現(xiàn)象。,熱島強(qiáng)度影響因子,影響熱島強(qiáng)度的因素,熱島強(qiáng)度,熱島強(qiáng)度,熱島強(qiáng)度,熱島強(qiáng)度,熱島強(qiáng)度,城巿規(guī)模大小,風(fēng)速,雲(yún)量,六島之冷島,氣溶膠的輻射作用，主

18、要發(fā)生在白天，所謂的陽傘效應(yīng)。如東北重工業(yè)城市沈陽，冬季燃煤量很大，因而排放的煙塵量很大，在系統(tǒng)風(fēng)較弱情況下，易產(chǎn)生白天的冷島效應(yīng)。,六島之干島、濕島,干、島濕島晝夜交替出現(xiàn)：白天，城區(qū)水汽壓小于郊區(qū)干島；夜間，城區(qū)水汽壓大于郊區(qū)濕島。 以干島效應(yīng)尤為突出！強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長。 出現(xiàn)條件與熱島效應(yīng)類似，晴朗弱風(fēng)。白天，郊區(qū)蒸發(fā)（騰）量比城區(qū)大；夜間，郊區(qū)冷卻快，層結(jié)穩(wěn)定，水汽凝結(jié)，水汽壓低，另外，市區(qū)氣溫高，增加蒸發(fā)力，有部分人為水汽，凝露量小，綜合起來使市區(qū)水汽壓高于郊區(qū)，形成濕島。,六島之雨島,形成在弱環(huán)流條件下 熱島效應(yīng)助長局地氣流輻合上升 下墊面粗糙度大，阻礙降雨系統(tǒng)移動，延長雨時(shí) 城

19、區(qū)凝結(jié)核多，益于成云，利于暖云降水,六島之混濁島,簡單說：就是城區(qū)污染物濃度高于郊區(qū)。Dust dome 混濁度因子：散射輻射D和直接輻射S之比，=D/S。 混濁度與污染物濃度、云量、陰天、晴天等有關(guān),六島之間的關(guān)系,形成條件兩個(gè)方面：一是人為因素；二是弱背景環(huán)流；此時(shí)凸現(xiàn)城鄉(xiāng)差異。一般熱島、干島、混濁島出現(xiàn)頻率較高。 相互聯(lián)系、制約。如，熱島強(qiáng)，導(dǎo)致相對濕度降低，利于干島形成。輻合氣流利于成云致雨及混濁島的形成。相反，混濁島影響輻射從而影響熱（冷）島效應(yīng)。雨島會減弱熱島及混濁島。,城市風(fēng)場,城市化所引起的局地大氣邊界層改變，將對低層氣流和湍流特征產(chǎn)生顯著影響，這些影響主要包括以下方面： （1）城市化對盛行風(fēng)速的影響：城市建筑物導(dǎo)致下墊面粗糙度加大，其阻礙效應(yīng)消耗了空氣水平運(yùn)動的動能，因而使城區(qū)的平均風(fēng)速降低；（2）城市熱島環(huán)流：底層向城區(qū)的輻合流場和上升氣流。在幾百米的高度上又以相反的方向從城市向郊外流出并下沉，形成一緩慢的熱島環(huán)流；（3）城市化對流場垂直結(jié)構(gòu)的影響：不同高度上的城郊風(fēng)向差別主要以熱島環(huán)流為其基本特點(diǎn)；而由于城市下墊面的摩擦作用，城市風(fēng)速隨高度的增加率明顯大于郊區(qū)；（4）城市化對湍流場的影響：與郊區(qū)相比，城市邊界層有著更為明顯的