《城市环境气象学》学习资料：十 城市热岛课件.ppt

城市热岛,1,主要内容,城市热岛效应城市热岛强度的周期性和非周期性变化城市热岛效应的地区差异和垂直结构城市热岛的形成城市热岛的影响,2,1.城市热岛效应,城市热岛(urban heat island) 城市内部气温比周围郊区高的现象，城市气候中最典型的特征之一，无论是在中高纬度或低纬度地区，这一现象均普遍存在。,3,城市热岛,定义：城市所发出的巨大热量，使得城区成为好比在冷凉郊区农村包围中的温暖岛屿。,4,热岛环流,热岛环流的含义：通常，城市的平均气温比郊区高0.5-1c，引起空气在城市上升，在郊区下降，在城市与郊区之间形成了小型的热力环流被称为热岛环流。,解释 近地面受热膨胀，空气上升，在高空集聚，由于高空气体增多，形成高压，高压辐散，向周围流动，相反在对应的地面就形成抵低压。若近地面气温低，则气体下沉集聚形成高压而高空形成低压，气体总是从高压流向高压，这样在气温不同的地方就形成了热力环流。,城市热岛效应,近百年来，随着城市规模的迅速发展，城市热岛的强度也越来越大。 城市气温通常比其四周郊区高。特别是当天气晴朗无风时，城区气温Tu与郊区气温Tr的差值Tu-r更大。 城郊温差全年以冬季最大，当晴空、小风天气时，大城市的最低气温可比郊区高45以上。,1.城市热岛效应,城市热岛效应可以从两个方面来分析：（1）同一时间城市和郊区气温的对比（2）同一城市历史发展过程中气温的前后对比,8,（1）城、郊气温对比,Tu-r热岛强度=同时间同高度(离地1.5m)热岛中心与近郊的气温差值。“城市热岛”矗立在农村较凉的“海洋”之上, 国内外均如此:,9,巴黎城中心年均温比郊区高1.9C,冬季傍晚上海市区比郊外要高25C,城市热岛温度剖面示意图,12,（1）城、郊气温对比,（2）城市发展过程中气温的前后对比,随城市化发展, 市区呈现出越来越暖的趋势.,17,如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段,19201942年: 气温变化趋势逐年上升(城市发展)19421945年: 气温变化趋势逐年下降(值第二次世界大战期间, 东京城市受到大规模的破坏, 城市热岛效应不存在)19451967年: 气温变化趋势逐年上升(战后城市建设迅速恢复, 气温又开始回升),日本东京19161965年年平均气温的变化,19,城市热岛效应,2. 城市热岛强度的变化,（1）周期性变化 日变化 周变化 季节变化（2）非周期性变化,26,（1）城市热岛强度的周期性变化,日变化: 夜晚强, 白昼午间弱周变化: 明显受工休日周期影响, 周末弱, 周内强季节变化: 冬秋两季比夏春两季表现更明显, 可能归因于冬季城市取暖耗能较多, 释放大量人为热量,27,（1）城市热岛强度的周期性变化,日变化 在晴稳天气下，热岛强度大都是早晚和夜间强，城市温度比郊外高；白天和中午热岛强度弱，城市和郊外的气温比较接近；而夏季中午，有时甚至会出现城内气温比郊外低的现象。,日变化,这主要与城、郊热量收支状况不同有关；一般郊区在日落后净辐射转为负值，而城区下垫面白天积蓄的热量多，夜间风速又比郊区小，不利于热量向外扩散，使得城区夜间气温比郊区高，城郊之间温差大；随着太阳高度角逐渐增大，郊区因土壤热容量小而迅速增温，使得温差明显减小，到中午前后，城郊的气温已基本接近。,维也纳城市和郊区气温差值的日变化,30,周变化,美国两座城市冬季热岛强度Tu-r()的周变化,34,季节变化,城市热岛强度随季节不同而变化，其变化规律因城市所在的地理位置的不同而有所不同。,在副热带和温带季风气候区，城市热岛强度以秋季和冬季为最强，夏季和晚春为最弱。根据北京市1、4、7、10月城、郊气温分布图，北京年平均气温城、郊温差为2.0，年平均最低气温城、郊温差为2.5；逐月城、郊温差，9月至翌年2月较大，3月至8月较小。,北京热岛强度冬强夏弱的变化规律，同我国北方城市一致，与南方城市不同。原因是：北方城市都处于季风气候区，季节转换明显。冬季受干冷气团控制，湿度小，云量少，有利于热岛的形成与发展。夏季阴雨天气多，不利于热岛的形成和发展。北京冬季为采暖期，城区人为热排放比夏季多。城区吸入热量多于郊区；夏季城区人为热和大气逆辐射比冬季相对减少，城郊的热量收入相差不大，不利于热岛的发展。,城市规模与人为热,城市气温年变化趋势与郊外基本一致，但是城郊气温差值的年变化比较复杂；它不仅与城市所在的区域气候背景有关，而且与城市的规模结构和人为的热释放有关。大体上是冬季热岛强度比较大，夏季热岛强度比较小。,（2）城市热岛强度的非周期性变化,适用于白天热岛强度的公式适用于夜间热岛强度的公式,各地热岛强度与风速关系最为密切，其次是云量。城市热岛强度的大小与风速、云量、气温都呈正相关，与水汽压微弱负相关。,（2）城市热岛强度的非周期性变化,临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下,51,北京地区热岛消失的临界风速,52,思考题,城市热岛的定义。通常，城市热岛效应从那两个方面来分析？城市热岛有哪些周期性变化及具体变化趋势？热岛强度非周期性变化的影响因素？对城市热岛强度影响最大的气象因素？,3.城市热岛效应的地区差异和垂直结构,（1）城市热岛强度的地区差异,城市规模（面积、人口及其密度等）对热岛强度的有影响,55,城市附近自然景观以及城市内部下垫面性质亦对城市热岛强度起一定作用。,61,无绿化的宽阔街道和广场，到中午时剧烈增温，在夜里又急剧冷却，气温日振幅最大。,林荫道和有绿化的广场白昼较凉爽，气温的日振幅较小,上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(),64,南京市四种下垫面气温日变化规律及城市热岛效应,四个观测点的四种下垫面白天气温呈林地水体草地水泥地的变化趋势，夜晚则是相反，但草地的温度最低；与水泥地比较，其他3种下垫面白昼期有明显的降温效应，均幅度为0.2 2.9 ,而夜晚林地与水体有轻微的保暖效应,晴好无风天气时这种效应更明显。,城市热岛强度与城市的布局形状、城市地形等有密切关系。 团块状紧凑布局，城中心增温效应强。条形分散结构，城中心增温效应弱。 盆地或凹地，由于风速小，热岛效应特别强，这里不仅抵消了冷空气的下沉作用，反而成为最暖的热岛中心,例：,兰州 3.30 三面环山 建筑密集呼和浩特 0.13 地势平坦 风速较大草原调节,城市的区域气候条对城市热岛强度也有影响。在高纬度寒冷地区，城市人工取暖耗能多，人为热排放量大，热岛强度强。在长年湿热多云多雨或多大风的城市热岛强度偏弱。,71,例：,沈阳 2.70 济南 1.05 杭州 0.93 上海 1.70 ？,（2）城市热岛效应的垂直结构,白天午后（约1415时）城、郊气温垂直分布形式差异不大；夜间城郊气温垂直分布形式却不大相同城市热岛效应所及的高度与城市规模、建筑物高度和下垫面粗糙度的关系较大城市热岛的垂直结构还与风速有关,73,南京热岛时空分布特征观测研究,热岛随高度的变化与城市边界层的发展密切相关，同时夜间逆温层和大风急流的存在对边界层内热岛产生影响，白天热岛在垂直方向延伸更高，可以达到900m高度，而夜间热岛主要发生在城市混合层300m范围内。,4. 城市热岛的形成,伴随城市化的人类活动是形成城市热岛的内部因素。局地天气形势与气象条件是形成城市热岛的外部因素；,4. 城市热岛的形成,（1）人为因素城市下垫面因素人为热量温室气体大气污染（2）局地天气气象条件,78,城市下垫面因素,下垫面的透水性城市中除少数绿地外，绝大部分的下垫面透水性差。下垫面的几何形状 城市复杂立体下垫面上的天穹可见度比平坦郊区小得多下垫面的热性质 城市下垫面的导热率、热容量比郊区大。,79,此外，城市街道和房屋之间的“峡谷”很多，这是城市覆盖层的重要几何特征。这些“街谷”使得城市与空气接触的表面积增加，对太阳辐射的接收、反射和散射、自身发射和吸收热辐射等都经历了比乡村复杂得多的变化。“街谷”中能量收支与“街谷”中可见天穹范围的大小有关，与“街谷”的走向、四周墙壁的朝向以及其构筑的材料等有关。这种“街谷”和建筑物增大了城市的热量贮存，这也是城市热岛的能量来源之一。,城市下垫面的热贮量（QS） 一般认为，城市下垫面的热贮量QS比乡村土壤中的要大得多。城市中的QS不仅包括地表面的热通量，还包含周围建筑物吸收和放出的热量。城市比郊区在白天能够蓄积更多热量的原因是建筑群密集，在太阳辐射作用下，吸热面和贮热面多。城市中的贮热量还因建筑物墙壁的朝向和季节不同而变化。,湍流热交换量（QH和QE）,城市下垫面吸收的净辐射和人为热，一部分贮存在下垫面内部，其余的通过湍流交换以感热和潜热形式输送给近地层空气。大气湍流扩散系数的大小与层结稳定度、风速和风向的切变有关。城市中的大气层结稳定度一般比郊区小，容易发展热力湍流；下垫面的粗糙度比郊区大，又有利于动力湍流的发展。因此，一般情况下，城市中地气之间的感热交换量比郊区大。,人为热量,在中高温度城市，特别是冬季，城市中排放大量的人为热是热岛形成的一个重要因素。城市热岛冷季比暖季大，工作日热岛强度比休假日大，都说明人为热因子在起主要的作用。,86,人为热的日变化随着人类活动规律而变。主要由空调取暖、交通运输和电力消耗等人为热源的昼夜变化所决定；而工业生产大多为轮班连续性作业，其排放的人为热量可作为常数来考虑。 此外，同一城市内部由于人口密度不均，各部分功能区性质不同，能源消耗量多少不一，所排放的人为热也有明显差异。城市能源消耗量也随城市规模的扩大、工商业的发展、人口的增加、居民生活水平的提高等因素在不断增加。,温室气体,二氧化碳（CO2）水汽(H2O)甲烷(CH4)氧化亚氮(N2O)氯氟烃(CFC3),88,大气污染,白天，城市大气中悬浮颗粒物的“阳伞效应”对城市覆盖层白昼增温不利。夜晚，这些颗粒物形成“雾障”，笼罩在城区上空，增加长波逆辐射，对加强夜间城市热岛强度有利。,90,3.天气形势与气象条件,城市热岛强度除了与本身的城市化程度有关外，还与大气候条件有关。尽管城市化程度相同，但由于城市所处的地理位置不同，也会表现出不同的城市气候特征；即使是同一城市，在不同的天气气候条件下，城市热岛效应也有不同表现。一般来说，在微风、晴朗少云和大气层结稳定时高气压控制的天气条件下，最有利于城市热岛的形成。,天气形势与气象条件,气压梯度稳定的气压梯度小的天气形势有利于热岛的形成，不稳定的气压梯度大的锋面天气则不利于城市热岛的形成温度层结稳定度空气层结不稳定，城市与郊区空气的水平和垂直方向的混合作用强，热岛效应不明显。空气层结稳定，城郊间空气的混合减弱，出现了热岛。,93,风速。城市热岛效应与风速呈负相关，在气象要素中风速对热岛的形成、消除影响最大。当城市风速大时，空气层结不稳定，城郊之间空气的水平和垂直方向的混合作用较强，则城郊温度差异不明显。当风速大到一定临界值时则无热岛现象出现。当风速小时，空气层结趋于稳定，城郊之间空气的混合作用减弱，这时城郊气温差异才会表现出来，形成热岛效应。一般情况是夜间风速小，空气稳定度增大，热岛效应增强。,云量。热岛效应与低云量具有明显的相关性。低云量多时，热岛强度小；晴空时，热岛强度大。当低云量多时，白天阳光无法穿过云层到达地表，使太阳直接辐射减少，城区下垫面吸收及贮存的热量大大减少；夜间由于多云使郊区和城区的地面有效长波辐射都减少，城市热岛效应不明显。反之，当低云量少时，热岛强度增强。在晴天无云时，城郊之间的反射率差异和长波辐射差异明显，有利于城市热岛的形成。,思考题,热岛强度非周期性变化的影响因素？对城市热岛强度影响最大的气象因素？热岛强度的地区差异与哪些因素有关？热岛强度与哪些人为因素有关？影响热岛强度的局地天气气象条件有哪些？,附1. 北京城市热岛与土地利用覆盖变化的关系,研究区范围,97,地表温度与NDVI的关系研究,98,北京土地利用/覆盖类型的遥感分类,99,北京夏季热岛的空间格局分析,1997,2001,2004,100,地表温度与土地利用/覆盖类型的关系,101,不同土地覆盖类型在各温度等级中的数量分布特征,102,附2. 北京城市化发展与城市热岛效应变化的关系,103,城市绿地变化分析,北京市热岛分布及变化特征,105,城市热岛效应与绿地、城市规模的关系,106,城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系,107,蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气),逐时降温率T/t (C.h-1),热岛强度Tu-r (C),城市,乡村,108,城市热岛的影响及对策,城市热岛直接或间接地对当时、当地的气象要素、居民生活和城市经济等产生多种影响，其影响有利也有弊。,城市热岛的影响及对策,有利影响,由于城市热岛效应使城区气温比郊区高，因此，城区冬季的积雪要比郊区融化得快，这对交通十分有利。 在城市热岛效应的直接作用下，城区霜冻日数减少，无霜期增加。 供暖季节开始的晚而结束的早。,城市热岛的不利影响,*使城市气候舒适度变差酷热高温持续日数增加，中暑病人增多* 加重能源消耗（比如增加对降温电器的使用）* 加重空气污染* 增加水资源消耗,121,* 增加病菌繁殖的条件* 对城市生存物种会影响生态平衡* 容易出现局地大暴雨或强雷暴，在排水不畅时容易造成洪涝灾害,城市热岛的不利影响,城市热岛效应形成之后，城区上空就像罩上了一个大尘盖，使整个城区空气流通不畅，环境质量下降，会造成严重空气污染或二次污染，给人类带来各种疾病，甚至灾难。,城市热岛效应对大气污染的影响,从城市热岛的垂直结构来看，城区低空比郊区同一高度的空气暖。因此，当天气形势比较稳定、大范围风场微弱时，随着城区热空气不断上升，郊区近地面空气必然从四面八方流入市区，风向向市中心辐合，此时近地面空气流失，需要补充，于是热岛中心上升的空气又在一定高度上流回郊区，产生下沉气流，形成城市热岛环流。,一、城市热岛效应对大气污染的影响,城区上空的污染物随热岛环流向郊区扩散，在郊区下沉到地面附近，又随着地面空气向城市中心辐合；热岛环流不利于污染物的输送和扩散。,热岛效应影响污染物质的扩散规律,城市热岛效应对大气污染扩散起着明显的支配作用。 苗曼倩数值模拟结果表明，城市热岛效应对近地面源和高架源的影响不同。城市热岛效应使高架污染源的地面污染浓度增大，而使近地面污染源所产生的地面污染浓度减小。这是因为城市下垫面的动力和热力作用改变了大气边界层的温度结构和湍流结构所致。,城市热岛效应与二次污染,城市热岛效应不仅会使城区增温、夏季造成高温灾害，还会使城区环境质量综合下降。空气中负离子急剧减少，污染物、粉尘急剧上升，造成二次污染。使城区成为培养流感等病毒的温床，引起一系列城市病和多发性流行病。,减轻城市热岛效应的主要措施,1选择高效美观的绿化形式，可有效地降低热岛效应，获得清新宜人的室内外环境。 2居住区的绿化管理要建立绿化与环境相结合的管理机制并且建立相关的地方性行政法规，以保证绿化用地。,132,减轻城市热岛效应的主要措施,3要统筹规划公路、高空走廊和街道这些温室气体排放较为密集的地区的绿化，以改善小气候。4应把消除裸地、消灭扬尘作为城市管理的重要内容。除建筑物、硬路面和林木之外，全部地表应为草坪所覆盖以提高地表的比热容。 5建设若干条林荫大道，使其构成城区的带状绿色通道，逐步形成以绿色为隔离带的城区组团布局，减弱热岛效应,减轻城市热岛效应的主要措施,6. 城市热岛强度随着城市发展而加强，因此在控制城市发展的同时，要控制城市人口密度、建筑物密度。7控制使用空调器，提高建筑物隔热材料的质量，以减少人工热量的排放。 8建筑物淡色化以增加热量的反射。,减轻城市热岛效应的主要措施,9提高能源的利用率，改燃煤为燃气。10此外， 即用透水性强的新型柏油铺设公路，以储存雨水，降低路面温度。11形成环市水系，调节市区气候。,思考题,城市热岛有哪些有利影响和不利影响？热岛效应和大气污染主要有哪些关系？减轻城市热岛效应的措施主要有哪些？,城市的风场,城市的风,城市热岛环流城市对盛行风的影响城市边界层风场城市覆盖层风场,经典模式,新的认识,城市热岛环流,圣路易斯市6月25日（a）和10月2日（b）静风时的辐合值、热岛强度、太阳辐射的日变化,城市对盛行风的影响,城市发展对盛行风速的影响,通过同一地点在其城市发展的历史过程中风速变化的前后对比表明，由于城市的发展，建筑群增多、增密、增高，导致下垫面粗糙度增大，其阻障效应消耗了空气水平运动的动能，因而使城区的平均风速减小。,城郊盛行风速的差异,城市的平均风速比郊区小城郊风速的差值因时、因地、因风速而异夜间城市风速增值的原因,城市发展对盛行风速的影响,上海逐个5年年平均风速变化,城市化进程对近地层大气风温结构的影响,城市化进程对近地层大气风温结构的影响,结果表明,北京城市化进程已经导致该地区近地层大气特征发生明显变化。主要表现为:地面和近地层温度增加,热岛强度增强;地面风速和近地层低层风速明显减小;近地层低层(63 m以下)风向变得更为紊乱;近地层温度垂直递减率增加.,上海地区1980年年平均风速示意图,广州城郊年平均风速分布（ms）,城郊风速的差值因时、因地、因风速而异在盛行风速最大的季节，城郊风速差异也最大，城市下垫面粗糙度大而使风速减弱的效应最显著。反之则城郊风速差异较小，城区下垫面粗糙度对风速的影响就不甚突出。,城郊风速差异与盛行风速大小有关。对于城郊风速差异的日变化研究表明，存在一个“临界风速”，当风速低于这个临界值，市区风速可大于郊区，反之则郊区大于市区。,上海城郊逐月月平均风速的变化,城郊地面风场的改变还与地理位置有关。有学者对纽约市97个观测点4年的样本进行分析研究，认为海陆风的叠加作用对城郊风场的影响非常重要。,距离纽约市中心不同距离的风速分布,白天,夜间,夜间城市风速增值的原因,夜间城市的风速增值是微弱的盛行风场、趋于稳定的郊区大气层结和强烈发展的城市热岛共同作用的结果。并与两个不同的物理过程密切联系。一个是不稳定大气向地面增加了动量通量，而乡村的地面辐射逆温抑制了风速的加强；另一个是热岛环流的维持与发展。,佩塔林查亚市城区与郊区风速日变化,城区,思考题,城市对盛行风速的影响有哪些？原因分别是什么？,城市对风向的影响,城市对局地风场的风向的改变，是气压梯度力、摩擦力和科氏力在平衡状态下的扰动。在气压梯度力一定的情况下，经过城市的气流在摩擦力的作用下减速，造成科氏力的减小，结果形成气流指向低压一侧的气旋性转变。,地转风形成示意图（北半球）,地转偏向力、气压梯度力和地面摩擦力共同作用下的地面平衡风,俄克拉何马城近400m高度上等容气球直线飞越市、郊时的法向速度平滑分布（左图），对法向速度积分所得的平均轨迹（右图）,城郊风的结构差异,城市改变风的结构，突出地表现在改变风的湍流性质。第一，城市的湍流持续时间延长；第二，由于城市热力和机械摩擦力的原因，湍流的频率发生改变。,城市热岛环流城市对盛行风的影响城市边界层风场城市覆盖层风场,城市的风,现已证实，在城市边界层的底部，即建筑物屋顶平均高度之上，经常出现一个较大的风速区，称为“屋顶小急流”。当有强风过境时，其风速与下层风速差距则更大 。,“屋顶小急流”,Davenport使用简单的函数来计算城市边界层以内的风速，认为下垫面摩擦阻力是关键因子。随着高度的增加，摩擦力趋于减小，风速增大，在某一高度上，风速达到地转风速。而城市与郊区由于不同性质的下垫面，其风速垂直变化的差异显著。,城市下垫面粗糙度的影响,西安市秋季市中心（a）和郊区（b）的垂直风速日变化,城市边界层内风向随高度的变化亦很明显。在近地面，风向偏离地转风向较大，随着高度和风速的增加，风向与地转风的偏角逐渐减小，在某一高度，风向基本与地转风向一致。,风随高度分布的埃克曼螺线（北半球）,上述风速随高度变化的情况是指在大气处于中性平衡状态而言。事实上城市大气层结变化很大。 在同样的粗糙度下，当大气层结为稳定状态时，上下层空气混和受阻，垂直湍流不易发展，上层较大的动能不易下传，因此上下层风速差值大，风速随高度的增加而变大甚快；相反地，当大气层结处于不稳定状态时，风速随高度的增加而变化甚慢。,空气层结稳定度的影响,城市热岛环流城市对盛行风的影响城市边界层风场城市覆盖层风场,城市的风,城市建筑物周围的气流分布,城市街道对风向风速的影响,城市建筑物周围的气流分布 .热力作用,城市街道庭院（东西向）白天（A）和夜间（B）的典型空气环流图,.动力作用,盛行风遇到单一建筑物时气流的变化（A）流线和各个气流区的侧视图：a.未受干扰区，b.变形区，c.背风涡旋区，d.尾流区（B）建筑物方位垂直于气流时的风速廓线和各个气流区（C）建筑物方位垂直于气流时的流线平面图（D）建筑物方位与气流斜变时的流线平面图（E）建筑物方位垂直于气流时的气流运行立体示意图,气流经过几幢同高度建筑物后，再遇特高建筑物的变化情况,风洞试验,建筑物周围步行高度上的涡旋流、穿流和角流,城市街道对风向风速的影响 .街道走向和高宽比的不同，使风与街道的交角发生变化，导致气流方向的改变。.车辆在街中行驶所产生的气流（“汽车风”）也会影响周围的风向。,广州市人民南路（南北走向）1988年1月15日的“汽车风”,“汽车风”对街谷内风向的影响随高度而减小。,覆盖层内街道风速的大小受以下因素的影响： .盛行风的风速和盛行风与街道交角的大小。.街道处于迎风一侧还是背风一侧以及街道高宽比值的大小。 .盛行风方向与车流方向是否一致。,