第3章城市气候特征

植物光合作用富集的能量：
一般乡村农田每年生产干物质2kg/m2,转化每
克干物质需要消耗太阳能17.22kj/m2,则乡村
转化光能的潜力为34440kj/m2.
（四）城市热岛
城市热量平衡特征表明城市往往有更多的热量， 使城市在广阔的郊区和农村中成为一个热量 较多的孤岛地区。 城市热岛的强度则以城市热岛中心位置的气温 与同时间同高度近郊气温的差值表示，即Tu-r 也可以同一城市历史发展过程中气温的前后 对比 在热岛效应最明显时，热岛中心位于建筑群最 密、人口最密集的市中心。
大气层厚度与太阳高度角的关系m=1/sin(h)
城郊太阳辐射差异
城市人口集中，活动强度和频度大，排放进空气的 污染物浓度大城市空气混浊透明度小直接辐 射少散射辐射多城市的总辐射一般比郊区少 一年中由于太阳高度角随季节、时间周期性变动， 太阳辐射透过的大气层厚度有所不同，在中、高纬 度地区，城、郊太阳辐射强度的差异也有明显的周 期性变化。冬季的太阳高度角最小，又值采暖季节， 城市空气污染较重，大气透明系数小，城郊间太阳 辐射强度的差异最大。
（二） 光
质
太阳辐射透过大气层过程中，光波越短越容 易被散射，而长波光线则透射较强。 城市上空大气透明系数较小，较多的短波在 经过大气层后被散射，达到地面的短波比 例较少，而长波比例有所增加。 据报导，太阳辐射中可见光部分在城市地区 也有所减弱。
（三） 日照
城市日照总时数和日照百分率小于乡村
北京地区热岛消失的临界风速
季
节
春 夏 秋 冬
热岛消失的风速 （m/s） 4~5 2~3 5 5~6
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
净辐射公式：
Qm=Q（1-α）-E*
Qm为净辐射； Q为太阳总辐射（直接辐射+散射辐射）；
α为地面反射率；
E*为有效辐射，是地面辐射与大气逆辐射
之差值。
城市因建筑物密度大且高低不一，相互间往往经过 多次反复反射和吸收，一般情况下，城市的地面 反射率小于郊区。(反射率小意味着吸收率高) 但在中、高纬度地区，冬季积雪和植物枯黄等 原因，城、郊的反射率可能有较大变化。 在有效辐射方面，因城市的温度偏高，地面长波辐 射量较大，但因城市上空微尘较多，大气逆辐射 又比郊区多，故二者相抵，城市的有效辐射与郊 区差别甚微。 综上所述，城市的总辐射比郊区少，但反射率较低， 而城郊之间的有效辐射相差不大，故城市与郊区 的净辐射一般无显著差别。 Qm=Q（1-α）-E*
对策：根据城市热量平衡式：

Qu+QF=QH+QE+QG+QA+QP
一是减少人为热：控制城市人口，减少矿物燃料的
消耗，提高利用率，开发新能源。
二是削减城市净辐射量：增大反射率（如浅色装
修），减少净辐射；合理规划城市建筑物的高度和 密度及道路网的方位，扩大天穹视角，增大地面长 波射出辐射；削减大气污染，减少大气逆辐射。
街道 朝向 南 墙 北 墙 平面
H/D
1/2
1/1
2/1
3/1
1/2
1/1
2/1
3/1
全年 可照 3180.4 2112.7 1346.5 986.3 650.2 524.3 382.6 300.6 4394.4 时数
H:建筑群高度,D:街道宽度
二、 城市热量
（一） 净辐射 地表面由于吸收太阳总辐射而获得热量，但又 通过地面的反射，地面辐射等方式失去热量。 “收入”与“支出”的辐射量之差，称为辐 射差额，又称净辐射。 净辐射直接影响地面实际的热量状况.
纽黑文 (1939~ 0.6 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.3 0.6 1943)
巴尔的摩
(1971~ 0.9 1.0 0.8 0.7 0.7 0.4 0.2 0.7 1975)
非周期性变化
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
三是增加绿化，提高城市绿地覆盖率；保持或增加
水域面积等。
第2节 城市的水
一、城市与降水 二 、 城市下垫面蒸散量 和水分贮存量 三、城市与雾日 四、城市的绝对湿度与 相对湿度 五、城市的径流
中国水资源总量为 28000亿m3，居世界第6，但人 均水量居世界第 88，相当于世界平均水平的 1/4。 时空分布不均，南多北少，东多西少，春夏多， 秋冬少。有2/3土地年降水量不到 200mm，浪费 严重（如生产1t钢的需水量，中国为25~30 m3, 发达国家为 6 m3 ）。目前的缺水量为 1600 万 m3/d ， 666 座城市中有 333 座城市不同程度缺水， 其中 108座城市严重缺水。工业用水重复使用率 不高，仅为 20% ，而美国 1985 年为 75% ，日本 为70%。
的城市气候特征。
•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。
第1节 城市的热量
一、 城市的太阳辐射及日照 （一） 太阳辐射强度 I=I0 P m
一、城市的太阳辐射及日照 二、城市热量
I为通过m个单位厚度大气层后的辐射强度； I0 为 大 气 上 界 太 阳 辐 射 强 度 （ 太 阳 常 数 =1325.8~1395.6w/m2）； P为大气透明系数，P=1表明大气完全透明，P=0为 完全不透明，一般情况下大气透明度为0.6-0.7； m为太阳辐射经过的大气层厚度，又称大气光学质量， 取太阳在天顶时所通过的大气层厚度为1.0。 m=1/sin(h) 如下图：
回顾：第2章 第一节
城市生态系统
近代城市特点
(城市由大量物质要素所构成；环境对城市的发展 有重要的影响) 第二节 城市生态系统 （城市生态系统的的组成结构、特点；城市生态 系统的功能，包括能流、物流和信息流；城市生 态系统的平衡和调控）
下列（ C ）不是城市生态系统物质循环的特点。
A．所需物质对外界有依赖性
人为热 /(w/m2) 127 21 19 117 21 26 4 3
净辐射 /(w/m2) 42 57 57 93 108
110 110
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
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
城市热岛强度的变化
周期性变化 :
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
式中
Qr、Qu:净辐射，
QF：人为热，
H、QH：下垫面与空气间的湍流显热交换， LE、QE：下垫面与空气潜热交换， G、QG：下垫面贮热量， A、QA：热平流量。
P、QP：植物光合作用富集能量
城市热量平衡特点
与郊区相比，城市热量平衡的“收入”中有 较多的人为热。而“支出“中的各分量中 有如下特点： 1.显热交换:大 2.潜热交换:小 3.城市的贮热量:大 4.热平流量:忽略 5.光合集能：少
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
西安(北纬34)街道可照时间(h)
不同城市年平均人为热排放量
（引自H.E.Landsber，1981年）
城市名称
莫斯科 西柏林 温哥华 曼哈顿 洛杉矶 大阪 香港 新加坡
纬度 /° N 56 52 49 40 34 35 22 1
人口密度/（人 /km2) 7300 9830 5360 28810 2000 14600 3730 3700
热岛强度
Tu-r (C)
城市
乡村
逐时降温率
T/t (C.பைடு நூலகம்-1)
蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气)
维也纳城市和郊区气温差值的日变化
美国两座城市冬季热岛强度Tu-r(℃)的周变化
城 市
星 星 星 星 星 星 星 平 期 期 期 期 期 期 期 均 一 二 三 四 五 六 日
国内城市规模与热岛强度的关系
项目 城区面积 /km2 城区人口 /万人 城区人口密 年均温热岛 度 /人/km2 强度 /℃
沈阳 北京 西安 兰州 上海 广州
164 87.8 81 164 140 54.5
240.8 239.4 130 89.6 603.6 300
14,680 27,254 16,000 5,463 43,115 55,045
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 城市面积 116.81 2 (km ) 居民人口数 78.4 (万人) 居民密度 6712 2 (人/km ) 夜晚平均 城乡气温差 5.6~6.7 (℃)
气候是生物生存所不可缺少的生态因子之一。
城市气候是在区域气候的背景下，经城市化后，在
人类活动的影响下形成的一种局地气候。
城市气候对城市居民的生存与发展有着各种直接或
间接的影响。是城市生态环境的重要组成部分。 因城市建设与发展，下垫面、空气成分发生变化， 增加了人为热与人为水汽，使城市内部许多气候要 素发生变化，与周围郊区产生了差别，表现出明显
（三） 城市热量平衡
小气候研究表明，下垫面热量平衡各分量
的相对分配状况直接决定着小气候的温度 分布特点。 城市的热量收入有净辐射和人为热; 热量支出则有下垫面与空气的显热交换、 下垫面与空气的潜热交换以及下垫面的贮 热量等。
城乡热量平衡式：
乡：Qr=H+LE+G+A+P 城：Qu+QF=QH+QE+QG+QA+QP
1.5 2.0 1.5 1.0 1.2 0.6~1.0
热岛效应对城市气候与环境的影响
影响： 1. 加重城市空气污染（不洁乡村风进城，上层逆 温时的污染锅盖） 2. 影响冬季取暖与能耗（有点节能减排） 3. 影响城市积雪（雪灾减轻） 4. 影响无霜期与物候期（有利于城市绿化） 5. 加强城市夏季高温的酷热程度，影响健康舒适。 （人体的高温中暑、促进光化学烟雾的形成、 加重污染、能耗增加）
（二） 人为热
现代城市的人口和各种生产、运输等活动高度集
中，通过大量燃烧、呼吸等活动，在城市内所排 放的大量人为热量。 人为热在城市总热量来源中所占的比重受城市的 地理位置、城市性质、城市规模、人口密度、能 源消耗以及气候、季节等因素影响。 一般，在高纬度地区，采暖期长，耗能量大，人 为热排放量也较大。由于纬度增加年净辐射量相 对减少，故随纬度增加人为热在城市热量来源中 所占的比例也随之增大，且有季节性变化，冬季 的比重最高。
冬季傍晚上海市区比郊外要高2~5C; 巴黎城中心年均温比郊区高1.7C
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)
B．物质既有输人又有输出
C．生活性物质远远大于生产性物质 D．物质循环中产生大量废物
城市生态系统的调控机制是（D ）。
A．通过自然选择的负反馈为主 B．通过自然选择的正反馈为主 C．通过人工选择的负反馈为主 D．通过人工选择的正反馈为主
第三章
城市气候特征
第1节 城市的热量 第2节 城市的水 第3节 城市与风
圣约瑟 38.33 10.1 2635 3.9~5
帕阿尔托 22.27 3.3 1481 2.2~3.3
上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(℃)
01 时 公园内 公园附 近街道 两处 气温差 27.1 27.9 0.8
07 时 28.3 29.2 0.9
13 时 31.8 32.9 1.1
19 时 28.3 29.3 1.0