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城市生态学 康 慕 谊 北京 ? 2002.02~06 3 城市气候学 影响城市气候的因素 城市的辐射和日照 城市的热量平衡与城市热岛效应 城市的风及局部环流 城市的降水及水分平衡 城市的大气污染及与城市气候的关系 城市气候与城市规划和城市建设 3 城市气候学 3.1 影响城市气候的因素 城市除了受当地纬度、大气环流、海陆位置、地形等区域气候因素的作用外, 还受人类(生产与生活)活动中放出热量及水汽的影响, 因而形成有别于近郊区和乡村的局地气候。通常我们称之为城市气候 城市气候所涉及的范围主要包括三个部分: 即城市覆盖层、城市边界层和市尾烟气层 3 城市气候学 在城市高强度的经济活动中, 要消耗大量能源。据统计一个百万人口的城市, 每天要消耗煤3000t, 石油2800t, 天然气2700t, 同时排放出粉尘约150t, 二氧化硫150t, 一氧化碳450t, 一氧化氮100t。当这些粉尘和有害气体进入空气后, 会改变大气的组成成分, 影响城市空气的透明度和辐射热能收支, 减弱能见度, 为云雾提供丰富的凝结核, 从多方面影响气候。如果污染物超过大气的自净能力, 还会造成城市大气污染。 3 城市气候学 由于城市居民的生活和生产活动, 如家庭炉灶、取暖、工厂生产、公共交通、人、畜的新陈代谢和其他各种能源燃烧所排放的热量, 使城市比郊区增加了许多额外的热量收入。这种人为的热量在某些中高纬度城市可以接近或超过太阳辐射热量。如在德国的汉堡每天从煤燃烧所产生的热量为167J?cm2, 而冬季地面从太阳直接辐射和天空辐射一天中所得到的热量为175J?cm2。在莫斯科, 人为热竟超过太阳辐射热的3倍, 对城市增温的影响十分显著。 3 城市气候学 此外由于城市供水、排水的方式和农村不同, 在燃烧和某些工业生产过程中还产生一定量的“人为水汽”进入大气, 致使城市中的水分平衡与农村有明显差异。 3 城市气候学 3.2 城市的辐射与日照 城市太阳总辐射较乡村少 污染物浓度大?直接辐射少?散射辐射多?总辐射少 城市下垫面反射率小 冬季更是如此.反射率小意味着吸收率高 总体说,城市地面吸收的太阳辐射与乡村差别不大 3 城市气候学 城市日照总时数和日照百分率小于乡村 1 大气污染物多,云雾多, 透明度小; 2 热岛效应所引起的对流云经常出现 城市内部日照地区差异明显 此为建筑物遮阴所致, 主要取决于街道走向, 及建筑群高度与街道宽度之比: H/D 北墙冬半年完全荫蔽, 夏半年一天两次日照, 但时间不长; 南墙每天一次, 但随太阳赤纬增加而减少 3 城市气候学 3.3 城市的热量平衡与城市热岛效应 热量平衡 人为热的大量输入: 工业生产、家庭炉灶、空调制冷、机动车排放、冬季取暖等 下垫面导热率高出乡村3倍, 热容量较乡村大1/3倍, 因而贮热量大 热收入远高于乡村 3 城市气候学 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。 城市热岛效应可以从两个方面来分析： 同一时间城市和郊区气温的对比 同一城市历史发展过程中气温的前后对比 3 城市气候学 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: 冬季傍晚上海市区比郊外要高2~5?C; 巴黎城中心年均温比郊区高1.7?C 3 城市气候学 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.如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段 1920~1942年: 气温变化趋势逐年上升(城市发展) 1942~1945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) 1945~1967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) 3 城市气候学 城市热岛强度的变化 周期性 日变化: 夜晚强, 白昼午间弱 年变化: 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 周变化: 明显受工休日周期影响, 周末弱, 周内强 3 城市气候学 非周期性 1）临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失 2）云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下 3 城市气候学 城市热岛强度的地区差异 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 城市规模（面积