城市環(huán)境與生態(tài)第十一章

1、第十一章第十一章 城市氣候城市氣候 第一節(jié)第一節(jié) 城市氣候概述城市氣候概述 第二節(jié)第二節(jié) 城市氣溫城市氣溫 第三節(jié)第三節(jié) 城市的風(fēng)城市的風(fēng) 第四節(jié)第四節(jié) 城市濕度與降水城市濕度與降水第一節(jié)第一節(jié) 城市氣候概述城市氣候概述一、概念一、概念 城市氣候：城市特殊下墊面和人類活動(dòng)影響下形成城市氣候：城市特殊下墊面和人類活動(dòng)影響下形成的一種不同于其周圍地區(qū)的特殊小氣候。的一種不同于其周圍地區(qū)的特殊小氣候。二、研究方法二、研究方法 歷史對(duì)比法；歷史對(duì)比法；周末與工作日對(duì)比法；周末與工作日對(duì)比法； 城郊對(duì)比法；城郊對(duì)比法；城市內(nèi)部不同性質(zhì)下墊面對(duì)比法；城市內(nèi)部不同性質(zhì)下墊面對(duì)比法； 模擬實(shí)驗(yàn)法；模擬實(shí)驗(yàn)法；

2、應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法建立模式。應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法建立模式。三、城市氣候環(huán)境三、城市氣候環(huán)境v 城市化地區(qū)的特點(diǎn)城市化地區(qū)的特點(diǎn)高度密集的人口、高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、特殊的下墊面。高度密集的人口、高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、特殊的下墊面。因此城市氣候不僅受緯度、大氣環(huán)流、海陸位置、地因此城市氣候不僅受緯度、大氣環(huán)流、海陸位置、地形地貌等區(qū)域性氣候要素的影響，還受以上因素的影形地貌等區(qū)域性氣候要素的影響，還受以上因素的影響，從而形成特殊的局地氣候。響，從而形成特殊的局地氣候。四、城市氣候的涉及范圍四、城市氣候的涉及范圍v 城市覆蓋層；城市邊界層；城市羽尾層（市尾煙城市覆蓋層；城市邊界層；城市羽尾層（市尾煙氣層）；鄉(xiāng)村

3、邊界層氣層）；鄉(xiāng)村邊界層 主導(dǎo)風(fēng)向主導(dǎo)風(fēng)向五、城市特殊環(huán)境對(duì)其氣候的影響五、城市特殊環(huán)境對(duì)其氣候的影響1. 大氣污染對(duì)城市氣候的影響大氣污染對(duì)城市氣候的影響l減弱太陽入射輻射減弱太陽入射輻射(冬季太陽高度角較小時(shí)減弱尤冬季太陽高度角較小時(shí)減弱尤甚甚)和日照時(shí)數(shù)和日照時(shí)數(shù)l增加城市煙霧頻率、降低能見度增加城市煙霧頻率、降低能見度l改變城市大氣的熱力性質(zhì)改變城市大氣的熱力性質(zhì)(太陽輻射吸收率、長波太陽輻射吸收率、長波反射、熱容量等反射、熱容量等)2. 特殊下墊面對(duì)城市氣候的影響特殊下墊面對(duì)城市氣候的影響l 建筑物密集、縱橫交錯(cuò)建筑物密集、縱橫交錯(cuò) 地面風(fēng)速減小；城區(qū)空氣湍流增加；改變風(fēng)向。地面風(fēng)速

4、減??；城區(qū)空氣湍流增加；改變風(fēng)向。l 下墊面堅(jiān)硬密實(shí)不透水、吸水性差下墊面堅(jiān)硬密實(shí)不透水、吸水性差 降水時(shí)徑流過程加速，降水過后地面迅速變干，使降水時(shí)徑流過程加速，降水過后地面迅速變干，使得水分蒸發(fā)和蒸騰作用相應(yīng)減弱。得水分蒸發(fā)和蒸騰作用相應(yīng)減弱。l 下墊面反射率小、建筑材料的導(dǎo)熱率和下墊面反射率小、建筑材料的導(dǎo)熱率和熱容量熱容量均比均比郊區(qū)高郊區(qū)高 城區(qū)熱貯存量比郊區(qū)大。城區(qū)熱貯存量比郊區(qū)大。比比比比蒸發(fā)蒸發(fā)漫反射漫反射反射反射反射反射漫反射漫反射蒸發(fā)蒸發(fā)漫反射漫反射反射反射吸收吸收吸收吸收吸收吸收3. 人為熱對(duì)城市氣候的影響人為熱對(duì)城市氣候的影響 人為熱：人為熱：由人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)以及生

5、物新陳代由人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)以及生物新陳代謝產(chǎn)生的熱量。謝產(chǎn)生的熱量。 北歐不少城市單位面積的人為釋熱量已超過太陽輻北歐不少城市單位面積的人為釋熱量已超過太陽輻射量，隨著生活質(zhì)量的提高，人為熱的總量和強(qiáng)度射量，隨著生活質(zhì)量的提高，人為熱的總量和強(qiáng)度均在持續(xù)增長。均在持續(xù)增長。 影響：影響：人為熱直接改變了局地的熱平衡，加劇了人為熱直接改變了局地的熱平衡，加劇了城市的熱島效應(yīng)。城市的熱島效應(yīng)。表現(xiàn)：冬季取暖等導(dǎo)致城市高溫，表現(xiàn)：冬季取暖等導(dǎo)致城市高溫，夏季制冷需求也使得城市更熱。夏季制冷需求也使得城市更熱。第二節(jié)第二節(jié) 城市氣溫城市氣溫一一 城市熱平衡城市熱平衡 QS = Qn + QFQHQE

6、nQS 下墊面貯熱量；下墊面貯熱量；nQn 覆蓋層內(nèi)凈輻射得熱量；覆蓋層內(nèi)凈輻射得熱量；nQF 覆蓋層內(nèi)人為熱釋放量；覆蓋層內(nèi)人為熱釋放量；nQH 覆蓋層內(nèi)顯熱交換量覆蓋層內(nèi)顯熱交換量(大氣湍流大氣湍流)；nQE 覆蓋層內(nèi)潛熱交換量覆蓋層內(nèi)潛熱交換量(水分與空氣間水分與空氣間)。1. 城市覆蓋層內(nèi)凈輻射得熱量城市覆蓋層內(nèi)凈輻射得熱量l城市總輻射量比郊區(qū)城市總輻射量比郊區(qū)弱弱(大氣透明度低大氣透明度低)；l城市下墊面對(duì)太陽輻射的反射率城市下墊面對(duì)太陽輻射的反射率小小(多次反射，能量多次反射，能量被大量吸收被大量吸收)；l城市覆蓋層長波輻射能量交換損失城市覆蓋層長波輻射能量交換損失小于小于郊區(qū)。郊

7、區(qū)。2. 城市覆蓋層內(nèi)人為熱釋放量城市覆蓋層內(nèi)人為熱釋放量l城市人為熱釋放量遠(yuǎn)大于郊區(qū)；城市人為熱釋放量遠(yuǎn)大于郊區(qū)；l不同城市人為熱在能量平衡中所占的比重不同，不同城市人為熱在能量平衡中所占的比重不同，主要影響因素有：主要影響因素有：緯度（高緯比重大）、區(qū)域氣緯度（高緯比重大）、區(qū)域氣候條件、人口密度、工業(yè)和交通運(yùn)輸量的大小等；候條件、人口密度、工業(yè)和交通運(yùn)輸量的大小等；l同一城市人為熱存在明顯的季節(jié)變化和日變化。同一城市人為熱存在明顯的季節(jié)變化和日變化?？丝?. 城市覆蓋層內(nèi)潛熱交換量城市覆蓋層內(nèi)潛熱交換量l 城市潛熱交換的主要物理過程城市潛熱交換的主要物理過程 水分的蒸發(fā)與凝結(jié)；冰雪的融化

8、與凝固；冰面的水分的蒸發(fā)與凝結(jié)；冰雪的融化與凝固；冰面的升華與凝華。升華與凝華。l 潛熱交換量的大小主要取決于潛熱交換量的大小主要取決于水分相變量的大小，水分相變量的大小， 城市水分相變量大大小于郊區(qū)，故潛熱交換量也小城市水分相變量大大小于郊區(qū)，故潛熱交換量也小于郊區(qū)。于郊區(qū)。 因城市不透水面積大、雪面升華作用小、植物對(duì)因城市不透水面積大、雪面升華作用小、植物對(duì)汽化潛熱的影響作用小。汽化潛熱的影響作用小。4. 城市大氣顯熱交換量城市大氣顯熱交換量覆蓋層與地面熱交換，覆蓋層與地面熱交換，城市與郊區(qū)大致相同；城市與郊區(qū)大致相同；對(duì)流換熱量，對(duì)流換熱量，由由熱力紊流熱力紊流和和機(jī)械紊流機(jī)械紊流引起的

9、熱量傳引起的熱量傳遞。城市易發(fā)生熱力湍流和遞。城市易發(fā)生熱力湍流和機(jī)械紊流機(jī)械紊流，熱交換量大，熱交換量大于郊區(qū)。于郊區(qū)。 QS = Qn + QFQHQE總之，城市得熱量大于郊區(qū)，失熱量小于郊區(qū)，因總之，城市得熱量大于郊區(qū)，失熱量小于郊區(qū)，因此氣溫高于郊區(qū)。此氣溫高于郊區(qū)。二二 城市熱島效應(yīng)城市熱島效應(yīng)1. 概念概念 城市氣溫高于四周郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象城市氣溫高于四周郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象2. 表現(xiàn)表現(xiàn) 由農(nóng)村至城市邊緣的近郊，氣溫陡然升高，形成由農(nóng)村至城市邊緣的近郊，氣溫陡然升高，形成“陡岸陡岸”；進(jìn)入城市后溫度梯度變得平緩，形成；進(jìn)入城市后溫度梯度變得平緩，形成“高高原原”；到城市中心，人口和建筑密

10、度增加，溫度更高，；到城市中心，人口和建筑密度增加，溫度更高，形成形成“高峰高峰”三三 城市熱島的成因城市熱島的成因1. 城市下墊面的影響城市下墊面的影響l 城市內(nèi)的混凝土、柏油路面及各種建筑墻面等，吸城市內(nèi)的混凝土、柏油路面及各種建筑墻面等，吸熱快而熱容量小，在相同太陽輻射下，比自然下墊面熱快而熱容量小，在相同太陽輻射下，比自然下墊面（綠地、水面等）升溫快，因而表面溫度明顯高于自（綠地、水面等）升溫快，因而表面溫度明顯高于自然下墊面；然下墊面；l 城市的建筑物、道路、廣場等地面不透水；城市的建筑物、道路、廣場等地面不透水；l 建筑密集，不利于熱量的擴(kuò)散。建筑密集，不利于熱量的擴(kuò)散。2. 人工

11、熱的影響人工熱的影響l 工廠生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及居民生活都在排放熱量；工廠生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及居民生活都在排放熱量；l 隨著城市化的發(fā)展，城市人口的增加，城市中的建隨著城市化的發(fā)展，城市人口的增加，城市中的建筑、廣場和道路等大量增加，綠地、水體等卻相應(yīng)減筑、廣場和道路等大量增加，綠地、水體等卻相應(yīng)減少，緩解熱島效應(yīng)的能力被削弱少，緩解熱島效應(yīng)的能力被削弱 。3. 城市大氣污染的影響城市大氣污染的影響l 城市交通、工業(yè)生產(chǎn)以及居民生活產(chǎn)生的大量污染城市交通、工業(yè)生產(chǎn)以及居民生活產(chǎn)生的大量污染氣體形成溫室效應(yīng)，進(jìn)一步引起大氣升溫。氣體形成溫室效應(yīng)，進(jìn)一步引起大氣升溫。四四 城市熱島的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)城市熱

12、島的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)v 中緯度地區(qū)城市熱島生態(tài)環(huán)境效應(yīng)中緯度地區(qū)城市熱島生態(tài)環(huán)境效應(yīng) 冬季：節(jié)省取暖的能量消耗，削減大氣污染；減少冬季：節(jié)省取暖的能量消耗，削減大氣污染；減少城市積雪，延長無霜期，利于植物生長（有利）；城市積雪，延長無霜期，利于植物生長（有利）； 夏季：加強(qiáng)城市高溫的酷熱程度，嚴(yán)重時(shí)引起人體夏季：加強(qiáng)城市高溫的酷熱程度，嚴(yán)重時(shí)引起人體中暑和心血管疾?。豢照{(diào)降溫消耗能量，污染環(huán)境。中暑和心血管疾??；空調(diào)降溫消耗能量，污染環(huán)境。v 削減夏季城市熱島效應(yīng)是防御城市夏季高溫災(zāi)害、削減夏季城市熱島效應(yīng)是防御城市夏季高溫災(zāi)害、減少經(jīng)濟(jì)損失和保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要措施。減少經(jīng)濟(jì)損失和保護(hù)城市

13、生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要措施。第三節(jié)第三節(jié) 城市的風(fēng)城市的風(fēng)一一 城市對(duì)風(fēng)的影響城市對(duì)風(fēng)的影響v 市區(qū)建筑物密集，增大了下墊面粗糙度，市區(qū)建筑物密集，增大了下墊面粗糙度，風(fēng)速一般風(fēng)速一般小于郊區(qū)，小于郊區(qū)，但是，城市中由于狹管效應(yīng)造成的但是，城市中由于狹管效應(yīng)造成的“弄堂弄堂風(fēng)風(fēng)”(峽谷效應(yīng)峽谷效應(yīng))，又比自然風(fēng)速大很多；，又比自然風(fēng)速大很多；v 由于熱島效應(yīng)，市區(qū)低空氣壓比郊區(qū)低，常發(fā)生由由于熱島效應(yīng)，市區(qū)低空氣壓比郊區(qū)低，常發(fā)生由郊區(qū)向市區(qū)輻合的郊區(qū)向市區(qū)輻合的熱島環(huán)流熱島環(huán)流。但在自然風(fēng)速較大時(shí)，。但在自然風(fēng)速較大時(shí)，這種風(fēng)便被破壞而消失。這種風(fēng)便被破壞而消失。二二 風(fēng)與城市規(guī)劃風(fēng)與城市規(guī)劃1

14、. 盛行風(fēng)與城市規(guī)劃：盛行風(fēng)與城市規(guī)劃：l 季風(fēng)區(qū)：季風(fēng)區(qū)：排污的工廠布置在城市最小風(fēng)頻方向的上排污的工廠布置在城市最小風(fēng)頻方向的上風(fēng)方向；風(fēng)方向；l 主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)：主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)：工廠布置在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)；居住工廠布置在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)；居住區(qū)置于上風(fēng)側(cè)；區(qū)置于上風(fēng)側(cè)；l 無主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)：無主導(dǎo)風(fēng)向區(qū)：工廠置于最大平均風(fēng)速風(fēng)向的下風(fēng)工廠置于最大平均風(fēng)速風(fēng)向的下風(fēng)方向，或置于污染系數(shù)或污染風(fēng)頻最小的方位；方向，或置于污染系數(shù)或污染風(fēng)頻最小的方位；l 準(zhǔn)靜止風(fēng)型區(qū)：準(zhǔn)靜止風(fēng)型區(qū)：工廠置于衛(wèi)生防護(hù)距離之外。工廠置于衛(wèi)生防護(hù)距離之外。2. 局地環(huán)流與城市規(guī)劃局地環(huán)流與城市規(guī)劃l海陸風(fēng)，山谷風(fēng)海陸風(fēng)，山谷風(fēng)

15、l城市熱島環(huán)流城市熱島環(huán)流l街道風(fēng)、弄堂風(fēng)街道風(fēng)、弄堂風(fēng)第四節(jié)第四節(jié) 城市城市“五島五島”效應(yīng)效應(yīng) “五島五島”效應(yīng)：熱島、干島、濕島、渾濁島、雨島效應(yīng)：熱島、干島、濕島、渾濁島、雨島1. 城市干島城市干島 城區(qū)的絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度都比郊區(qū)小。城區(qū)的絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度都比郊區(qū)小。 城市特殊下墊及發(fā)達(dá)的排水系統(tǒng)，使其地面比較干城市特殊下墊及發(fā)達(dá)的排水系統(tǒng)，使其地面比較干燥，蒸發(fā)很少，因而水汽含量燥，蒸發(fā)很少，因而水汽含量(絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度)低于郊區(qū)；低于郊區(qū)；相對(duì)濕度則因市區(qū)溫度高，以致偏低更甚相對(duì)濕度則因市區(qū)溫度高，以致偏低更甚 。2. 城市濕島城市濕島 夜間，地面迅速冷卻，氣溫垂直遞減率減小

16、，水汽夜間，地面迅速冷卻，氣溫垂直遞減率減小，水汽向上輸送量隨之減少；由于城市熱島效應(yīng)使市區(qū)氣溫向上輸送量隨之減少；由于城市熱島效應(yīng)使市區(qū)氣溫較高，水汽不易凝結(jié)。從而近地層空氣中的水汽含量較高，水汽不易凝結(jié)。從而近地層空氣中的水汽含量反而高于郊區(qū)。反而高于郊區(qū)。 但與但與“干島干島”效應(yīng)相比，這是次要的。效應(yīng)相比，這是次要的。3. 城市混濁島城市混濁島 城市工業(yè)、交通、居民生活等排放大量的煙塵，大城市工業(yè)、交通、居民生活等排放大量的煙塵，大氣能見度低；另一方面，城市大氣中含較多的吸濕性氣能見度低；另一方面，城市大氣中含較多的吸濕性微粒，在微粒，在70%的相對(duì)濕度下，就能使水汽凝結(jié)，霧日的相對(duì)濕

17、度下，就能使水汽凝結(jié)，霧日增多。增多。4. 城市雨島城市雨島 城市上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于熱力對(duì)流，在城市上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于熱力對(duì)流，在水汽充足時(shí)，易形成對(duì)流性降水；水汽充足時(shí)，易形成對(duì)流性降水； 城市參差不齊的建筑物對(duì)氣流有機(jī)械阻障，引發(fā)城市參差不齊的建筑物對(duì)氣流有機(jī)械阻障，引發(fā)湍流，導(dǎo)致城市降水強(qiáng)度增強(qiáng)，降水時(shí)間延長；湍流，導(dǎo)致城市降水強(qiáng)度增強(qiáng)，降水時(shí)間延長； 城市空氣中凝結(jié)核多，可促使水氣凝結(jié)生成雨滴，城市空氣中凝結(jié)核多，可促使水氣凝結(jié)生成雨滴，從而增加降水從而增加降水 。v 城市降水量增加的直接后果：城市降水量增加的直接后果： 雨洪徑流量增大；雨洪徑流量增大； 加劇地面侵蝕，受納水體污染加劇，河道淤積；加劇地面侵蝕，受納水體污染加劇，河道淤積； 冰雹、雷暴等對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)危害，下雨能見度冰雹、雷暴等對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)危害，下雨能見度低，使交通事故增加；低，使交通事故增加； 利：利：使枯季徑流增大，緩解枯季供水緊張狀況。使枯季徑流增大，緩解枯季供水緊張狀況。 酸雨酸雨 使土壤貧瘠，損害植物生長，減弱作物的光合作使土壤貧瘠，損害植物生長，減弱作物的光合作用和抗病蟲害能力，影響生產(chǎn)；用和抗病蟲害能力，影響生產(chǎn)； 地下水酸化，微量