3城市气候学 3城市气候学 城市热岛效应 城、郊气温对比 城市热岛( 城市内部气 比周围郊区高的现象,城市气候中最典型的 AT热岛强度=同时间同高度(高地15m) 热岛中心与近郊的气温差值。 特征之一无论是在中高纬度或低度地区 这一现象均普遗存在 城市热岛”蛋立在农村较凉的“海洋”之上 城市热岛效应可以从两个方面来分析 国内外均如此 同一时间城市和郊区气温的对比 冬季傍晚上海市区比郊外要高2-5°C; 同一城市历史发展过程中气温的前后对比 巴黎城中心年均温比郊区高17°C HmAr) aW 业区 国人民会园动物园 城市热岛温度剖面示意图 稀堵筑 建民 稀建筑集读 3城市气候学 城市发展过程中气温的前后对比 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:气温变化趋势还年上升(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) 12 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 19201930194019501960年 日本东京1916-196年年平均气温的变化
3 3 城市气候学 z 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 z ΔTu-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。 z “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 城市热岛温度剖面示意图 3 城市气候学 城市发展过程中气温的前后对比 z 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) 日本东京1916~1965年年平均气温的变化
3城市气候学 热岛强度1 热岛强度 ●城市热岛强度的变化 ·周期性 日变化:夜晚强白昼午间弱 城市 年变化:冬秋两季比夏春两季表现更明显,可 冷却速度 能归因于冬季城市取暖耗能较多释放大量 人为热量 乡村 逐时降温率 周变化:明显受工休日周期影响,周末弱,周内 4T/Ar(C.hr-) 匚特利尔夏季热岛强度的日变化优云无风天气 美国两座城市冬季热岛强度ΔT、℃)的周变化 1956年7月 星星星星星星星 城市期期期期期期期 三四五六日 郊区站 纽黑文 (1939-06070.6070606030.6 1956年2月 1943) 巴尔的摩 8 (1971-09100.80.707040207 1975) 维也纳城市和郊区气温差值的日变化 3城市气候学 北京地区热岛消失的临界风速 非周期性 季节热岛消失的风速 1)临界风速:风速大则热岛效应小 (m/s) 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 春夏秋冬 5 气状态下
4 3 城市气候学 城市热岛强度的变化 z 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 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 ΔT/Δt (°C.h-1) 热岛强度 ΔTu-r (°C) 城市 乡村 维也纳城市和郊区气温差值的日变化 城 市 星 期 一 星 期 二 星 期 三 星 期 四 星 期 五 星 期 六 星 期 日 平 均 纽黑文 (1939~ 1943) 0.6 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.3 0.6 巴尔的摩 (1971~ 1975) 0.9 1.0 0.8 0.7 0.7 0.4 0.2 0.7 美国两座城市冬季热岛强度ΔTu-r(℃)的周变化 3 城市气候学 z 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 季 节 热岛消失的风速 （ m/s） 春 4~5 夏 2~3 秋 5 冬 5~6 北京地区热岛消失的临界风速
3城市气候学 城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系 旧金山圣约瑟帕阿尔托 城市热岛强度的地区差异 城市面积 22.27 城市热岛强度与城市的布局形状、城 (km2) 116.81 38.33 有密切关系。团块状紧凑布局,城中 位朝 居民人口数 万人) 78.4 10.1 3.3 不仅抵消了冷空气的下沉作用,反而成为最 地,由于风遠小,热岛效应特别强,这 居民密度 67122635148 (人/km2) 想城市规模(面积、人口及其密度等)对热岛强 夜晚平均 度亦有影响 城乡气温差5.6~6.739~52.2-3.3 3城市气候学 上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(℃) 01时07时13时19时 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。无 公园内271283318283 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 公园附27929229293 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 两处 1.1 气温差 0.80.9 1.0 3城市气候学 34城市的风及局部环流 城市热岛环流 天气睛朗无云,大范围内气压梯度极小的形 势下,由于城市热岛的存在,城市中形 低压中心,并出现上升气流。从热岛垂直结 看来,在一定高度范围内,城市低空都比郊区 同高度的空气为暖,因此随着市区热空气的不 断上升,郊区近地面的空气必然从四面八方流 入城市,风向向热岛中心辐合。 在晴朗的夜间城市热岛环流模式
5 3 城市气候学 z 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、人口及其密度等）对热岛强 度亦有影响 城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系 旧金山 圣约瑟 帕阿尔托 城市面积 (km 2) 116.81 38.33 22.27 居民人口数 (万 人 ) 78.4 10.1 3.3 居民密度 (人 /km 2) 6712 2635 1481 夜晚平均 城乡气温差 (℃ ) 5.6~6.7 3.9~5 2.2~3.3 3 城市气候学 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。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 01 时 07 时 13 时 19 时 公园内 27.1 28.3 31.8 28.3 公园附 近街道 27.9 29.2 32.9 29.3 两处 气温差 0.8 0.9 1.1 1.0 上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(℃) 3 城市气候学 3.4 城市的风及局部环流 z 城市热岛环流 在天气睛朗无云，大范围内气压梯度极小的形 势下，由于城市热岛的存在，城市中形成一个 低压中心，并出现上升气流。从热岛垂直结构 看来，在一定高度范围内，城市低空都比郊区 同高度的空气为暖，因此随着市区热空气的不 断上升，郊区近地面的空气必然从四面八方流 入城市，风向向热岛中心辐合。 在晴朗的夜间城市热岛环流模式
3城市气候学 城市气候学 此时郊区因近地面层空气流失需要补 城市发展对盛行风的影响 热岛中心上升的空气又在一定高度上流回到郊 随着城市的发展,人口增多,建筑物的密度和 区,在郊区下沉,形成一个缓慢的热岛环流 高度增加,下垫面的粗着度加大,因而有使城 市年平均风速减小的趋势 市风系。在近地面部分风由郊区向城市辐合 称为乡村风 上海历年风速(m/s) 应该指出,向城市中心辐合的乡村风,并不是 1951~1956~1961~1966~1971~1976~ 很稳定的,它往往具有间歇性或脉动性(周期 性),即吹一段时间,要停一段时间。此脉动周 195519601965197019751980 期约为15-20h。这种脉动性在夜间特别明 3.6323.2313.130 3城市气候学 ●城市的平均风速比郊区小。 城市与郊区风速的差值还因时、因 风速而异:一般是白天差值大,晚上 小;夏季大,冬季小。 松江上海县龙华市二继光江两宝山 上海地区1980年年平均风速示意图 3城市气候学 城市气候学 城市援盖层内部风的局地差异 盛行风遇到不能穿透的建筑物时在迎风面上 从城市整体而言,其平均风速比同高度的开旷 部分气流上升越过屋顶,一都分气流下沉降至地 面,另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去 郊区小,但在城市摄盖层内部风的局地性差异 当盛行风向与街道平行时,由于狭管效应,风速会 很大。有些地方风速极微;而在特殊情况下 某些地点其风遠亦可 同时期同高度的郊 加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速 区。造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因 度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物 的风速算作100% 是由于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高 的话,那么在迎风面的人行道风速为90%背风面 的人行道风速只有45 道旁如果种植行道 比、参差不齐的建筑物时,因阻障效应产生不同 的升降气流、涡动和绕流等使风的局地变化复 树树叶茂盛时风速将再减低20%~30%;在公园 的浓荫中风速更会削剩50%
6 3 城市气候学 此时郊区因近地面层空气流失需要补充，于是 热岛中心上升的空气又在一定高度上流回到郊 区，在郊区下沉，形成一个缓慢的热岛环流 (local heat island circulation)，又称城 市风系。在近地面部分风由郊区向城市辐合, 称为乡村风(country breeze)。 应该指出, 向城市中心辐合的乡村风, 并不是 很稳定的, 它往往具有间歇性或脉动性(周期 性),即吹一段时间,要停一段时间。此脉动周 期约为1.5~2.0h。这种脉动性在夜间特别明 显。 3 城市气候学 z 城市发展对盛行风的影响 随着城市的发展，人口增多，建筑物的密度和 高度增加，下垫面的粗糙度加大，因而有使城 市年平均风速减小的趋势。 上海历年风速(m/s) 1951~ 1955 1956~ 1960 1961~ 1965 1966~ 1970 1971~ 1975 1976~ 1980 3.6 3.2 3.2 3.1 3.1 3.0 3 城市气候学 城市的平均风速比郊区小。 城市与郊区风速的差值还因时、因 风速而异: 一般是白天差值大，晚上 小；夏季大，冬季小。 上海地区1980年年平均风速示意图 3 城市气候学 z 城市覆盖层内部风的局地差异 从城市整体而言，其平均风速比同高度的开旷 郊区小，但在城市覆盖层内部风的局地性差异 很大。有些地方风速极微；而在特殊情况下， 某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊 区。造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因 是由于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高 度、形式和朝向不同, 当风吹过城市中鳞次栉 比、参差不齐的建筑物时, 因阻障效应产生不同 的升降气流、涡动和绕流等, 使风的局地变化复 杂化。 3 城市气候学 盛行风遇到不能穿透的建筑物时, 在迎风面上一 部分气流上升越过屋顶, 一部分气流下沉降至地 面, 另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去。 当盛行风向与街道平行时, 由于狭管效应, 风速会 加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速 度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物 的部分大些。如果以街道中心的风速算作100% 的话, 那么在迎风面的人行道风速为90%, 背风面 的人行道风速只有45%。人行道旁如果种植行道 树, 树叶茂盛时风速将再减低20%~30%; 在公园 的浓荫中, 风速更会削弱50%上下
3城市气候学 3城市气候学 35城市的湿度、降水及水分平衡 区比郊区寞多 区年均绝对湿度 大气污染,颗粒物质为 形成提供了丰富的 欧洲几城市年平均湿度的城乡异 核。城市中鳞次栉比的建筑物群,增加了 也纳柏林特利尔科隆弗罗羡瓦夫尼暴 下墊面的粗糙度,减少了风速,为雾的形成提 20年,平 供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流 郊区农村带来的水汽,使低空辐合上升凝结成 城乡相对 冥的机率增大 3城市气候学 城市气候学 城市的大雾阻碍交通,使航班停开, 市的降水与水分平衡 n城市水分收入项比郊区大 加城市交通事故 想城市水分收入比郊区大首先在于城市中的降 大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩 水量一般比郊区多,一般比郊区多5%-15% 散,加重了大气污染 形成城市降水较多的原因有三 城市雾还减弱了太阳辐射,不利于人类 气层结不稳定,有利于产生热力对流,当城市中 与其它生物的生活。 水汽充足时城市中还有一定量的人为水汽和人 工管道供应的水分,容易形成对流云和对流性 3城市气候学 城市气候学 第二城市阻滞效应。城市因有高高低低的建 城市下垫面燕散量和水分贮存量比郊区小 筑物其粗糙度比附 它不仅能 引起机被湍流而且 降水系统如 城市由于地面一般经人工铺装植被憂盖率低 静止锋、静止切变 )有阻滞效应 不透水面积大,降雨后雨水滞留地面时 使其移动这度减慢 间加长,因而 面水分蒸发量及植物蒸腾量均小于郊区 导致城区的降水强度 根据在美国东北 小流域的观测研究估 当流域面积的25%为不透水区时 第三,城市凝结核效应。城市因生产和生活强 度较大空气中尘粒及其它微粒比周围地区多, 量要减少19%;若不透水面积增加到50%,年蒸 腾量减少38%;不透水面积增大到75%时,则年 为形成降水提供了丰富的凝结核 燕腾量减少59%
7 3 城市气候学 3.5 城市的湿度、降水及水分平衡 城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低 欧洲几座城市年平均湿度的城乡差异 维也纳 柏 林 特利尔 科 隆 弗罗茨瓦夫 慕尼黑 (20年平均) (14年平均) (2年平均) (3年平均) (9年平均) (4年平均) 城乡绝对 湿度差(Pa) -20 -20 -50 -40 -50 -25 城乡相对 湿度差(%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5 3 城市气候学 城区比郊区雾多，能见度低 城市多雾的原因，首先是因为人为造成的 大气污染，颗粒物质为雾的形成提供了丰富的 凝结核。城市中鳞次栉比的建筑物群，增加了 下垫面的粗糙度，减少了风速，为雾的形成提 供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流， 郊区农村带来的水汽，使低空辐合上升凝结成 雾的机率增大。 3 城市气候学 城市的大雾阻碍交通，使航班停开，增 加城市交通事故。 大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩 散，加重了大气污染。 城市雾还减弱了太阳辐射，不利于人类 与其它生物的生活。 3 城市气候学 城市的降水与水分平衡 1) 城市水分收入项比郊区大 城市水分收入比郊区大, 首先在于城市中的降 水量一般比郊区多, 一般比郊区多5%~15%。 形成城市降水较多的原因有三： 第一, 城市热岛效应。城市由于有热岛效应, 空 气层结不稳定, 有利于产生热力对流, 当城市中 水汽充足时(城市中还有一定量的人为水汽和人 工管道供应的水分), 容易形成对流云和对流性 降水。 3 城市气候学 第二, 城市阻滞效应。城市因有高高低低的建 筑物, 其粗糙度比附近郊区平原大。它不仅能 引起机械湍流, 而且对移动滞缓的降水系统(如 静止锋、静止切变、缓进冷锋等)有阻滞效应, 使其移动速度减慢, 在城区滞留时间加长, 因而 导致城区的降水强度增大, 降水的时间延长。 第三, 城市凝结核效应。城市因生产和生活强 度较大, 空气中尘粒及其它微粒比周围地区多, 为形成降水提供了丰富的凝结核。 3 城市气候学 2) 城市下垫面蒸散量和水分贮存量比郊区小 城市由于地面一般经人工铺装, 植被覆盖率低 , 不透水面积大, 降雨后雨水滞留地面时间短 , 地面水分蒸发量及植物蒸腾量均小于郊区。 根据在美国东北部一个小流域的观测研究估算 : 当流域面积的25%为不透水区时, 其年蒸腾 量要减少19%; 若不透水面积增加到50%, 年蒸 腾量减少38%; 不透水面积增大到75%时, 则年 蒸腾量减少59%