城市气象学课件：06_1城市风场_

Urban Scales
Oke (1997)
Urban Scales: Another View
Ooka (2007)
1、风廓线：对数
在中性层结条件下，近地面层（100～150m）风随高度的变化表现为 对数风廓线：
u(z)
u*
ln
zd z0
u(z) ：高度z处平均风速 u* ：摩擦速度 ：冯卡曼常数（Von Karman Constant）,～0.35 z0 ：粗糙度长度，风廓线外延到u=0的高度
86.61
78.42 85.35 76.17 83.63 82.58 76.62 81.72
80.51 79.80 77.73 77.14 71.91 75.82 78.07 79.00 77.49
88.37 90.22
83.42 78.26 81.07 64.29 76.76 76.31
粗糙度比较
(heights are given in meters above
E mean sea level) (from Ackerman,
N
1972).
These studies clearly showed convergence over the urban area and slightly cyclonically curved trajectories. Obviously, the wind field distortion was most notable when regional winds were weak but still observable even in strong winds. The divergence is calculated from the wind field by measuring the increase in area of the horizontal winds subtended in their passage over the city during a given time interval：
内容
一、城市发展对盛行风速的影响 二、风场垂直结构 三、城市冠层内流场的局地差异
一、城市发展对盛行风速的影响
1、随着城市化的不断发展，城市平均风速 有降低的趋势。其原因可概括为：
城市建筑导致下垫面粗糙度增大； 建筑物阻碍效应消耗空气水平运动的动
能，因而使城区平均风速减小。
番禺年平均风速及变化趋势
0600时观测温度廓线
热岛效应
0600时观测温度场
1200时观测温度场
冷岛效应
0700时SO2浓度场
白天冷岛强度
人为热排放
0600时模拟温度场
观测
模拟
0600时模拟流场
1200时模拟温度场
观测
模拟
该文结论
• 弱风条件下： • 夜间产生城市热岛，由人为热引起 • 夜间，在城市下风郊区产生反向气流，
5、热岛环流
• 一般认为，当天气尺度的风速较小时， 边界层大气由于城市热岛的存在，可以 在城市中心形成一个低压中心并产生指 向城市的气压梯度力，在低层造成向内 的辐合流场和上升气流。在几百米的高 度上，空气又以相反的方向从城市向郊 外流出并下沉，形成一缓慢地热岛环流。
热岛环流示意图
热岛环流观测和模拟实例
D 1 A A0 t
D ：divergence (if negative: convergence) A： initial arc ΔA：difference between A and distortion
of winds in time lapse Δt
In the lowest layers there is mass convergence into the city with D values of -1×10-4 sec-l, reaching values up to -1.7×10-4 sec-l Calculations of vertical motion yielded mean values of w = 0.07 m sec-l to maximally 0.3 m sec-l. The afternoon values showed convergence into the city in about 60 percent of all observations, with the greatest disturbance shown in the early afternoon at the time of the maximum temperature
Nocturnal wind convergence on calm nights into Frankfurt am Main, Germany (adapted from Sturnmer, 1939).
二、风场垂直结构
1、风廓线 2、关于粗糙度和零平面位移 3、垂直运动 4、风场辐合（散）（不同高度）
Vertical track of a tetroon on a midday flight across Manhattan Island, New York (after H a s rt ul., 1967).
1600m
4、辐合
900m 500m 250m
Wind perturbation field at noon on a
summer day over St. Louis,
showing the convergence field by
streamlines (solid curves), perturbation
isotachs in meters per second (dashed
curves) at various levels above the city
d ：零平面位移，当粗糙元高度H很低时，d＝0，否 则，d～2/3~3/4H。
根据不同高度风的观测资料，可以采用Gauss-Newton等非线性回 归方法计算粗糙长度、零平面位移和摩擦速度
另外，不根据风的资料而根据下垫面的情况可以求取粗糙长 度，经验公式很多，兹举一例（Lettau）：
z0
Ha 2A
对数线性风廓线
对数律和指数律公式都建立在半经验理论基础之上，现介绍以 莫宁－奥布霍夫相似理论为基础的对数线性风速廓线公式。在 近中性条件下（含弱不稳定和弱稳定）：
u(z)
u*
ln
z z0
z z0 L
L CPu*3 /(gH ' )
：莫宁－奥布霍夫长度，表征大气稳定度的一个参数
L
：空气密度
5.09
3.51 4.03 3.63 3.33 3.45 5.48 4.14
4.42 4.63 5.33 4.66 5.56 3.87 2.88 3.27 3.97
5.73 1.28
8.97 4.03 5.10 3.14 4.58 4.36
2004年 2005年 2006年
0-45 46-90 91-135 136-180 181-225 226-270 271-315 316-360 年平均
指数风廓线－综合指数律
简单指数律在中性和近中性条件下的应用效果不如对数律，而 且也不适用于紧靠地面处，拉依赫特曼提出了综合指数律，考 虑了温度层结对湍流交换的显著影响：
u(z)
u( z1
)
z z1
z
0
z
0
0 0.5 0.5 0
0
：与近地面温度层结有关的参数。 ：逆温时 ：不稳定时 ：中性时，综合指数律转化为对数律
H ：建筑物平均高度；
a ：建筑物垂直于平均风速的侧面积； A ：建筑物的占地面积 。
就某一个城市来说，在不同风向下，其粗糙长度 的值是不同的。
指数风廓线－简单指数律
非中性层结条件下风速廓线可以采用简单指数形式：
u(z)
u(z1)
zd z1 d
：依赖于地表粗糙度和大气稳定度的参数。其他字 母意义同前。大气层结越稳定、地表粗糙度越大， 其值越大，大致范围为0.13～0.30。 一般说来， 城市地区比郊区值大。
城市底层为辐合气流，即“热岛环流”
• 白天，由于大气污染、逆温等原因，产 生“城市冷岛”。
• 三维数值模式可以模拟城市边界层一些 重要特征，如热岛、冷岛、环流等。
The end of Part one
Байду номын сангаас
Li 2010
方法
寻找常通量层
用160-140m两层的 |Ri|<0.01作为中性判据， 200—140m层进行迭代 拟合将给出最好结果。 常通量层厚度约60m
拟合
零平面位移、粗糙度
零平面位移、粗糙度
2004年 2005年 2006年
0-45 46-90 91-135 136-180 181-225 226-270 271-315 316-360 年平均
Ch6 The Urban Wind Field
The changes brought about by urbanization in the local atmospheric boundary layer have a notable effect on the low-level wind. This is caused by the heat island and the change in surface roughness.
番禺月平均风速年际变化
番禺风向玫瑰 （1971－2000年）
番禺风速玫瑰 （1971－2000年）
2、风场辐合
An early observation has been low-level convergence of air flow into urban areas. This is a logical consequence of the heat island, which creates an unstable vertical lapse rate of temperature and thus induces a rising air current.
CP
：空气定压比热
：位温
g
：重力加速度
H'
：垂直显热通量
：与大气稳定度有关的参数
Ri
z L
/1
z L
梯度风
2、关于粗糙度及零平面位移
北京325m气象塔，15层，半小时平均，2004－ 2006年
研究零平面位移d，粗糙度z0 方法：廓线法
根据郑艳萍、杨小千、王宝民的研究初步结果
北京325m气象塔
粗糙度：本文结 果与以往研究结
果量值相当
Monim and Hu 2005
零平面位移比较
上图为Li 2010 结果；高志球等2002给出d=40.12m. 本文结果远大于上述结果，值得进一步研究！！！
3、垂直运动
A great deal of information not only on wind flow over urban areas but on the vertical component of wind motion has been obtained from tetroon flights. Much of this information has been obtained over New York City
观测示意图
The observations in December 1984 lasted from 17th to 28th. The measurements of wind and temperature fields were taken every 2 h.
0600时观测风廓线
下层辐合气流