气象学：第十章 小气候

二、小气候的一般特征
1、温度：超绝热梯度(四种类型)，日变化剧烈， 脉动性强。
2、湿度：水汽压、相对湿度、湿度的铅直梯度、 湿度的时间变化
3、风：风随高度的变化、水平方向风速的变化 特点(阵性)、风向的变化特点(紊乱)
§3 地形小气候
一、地形对日照的影响 二、地形对太阳辐射的影响 三、坡地上的热量平衡状况 四、地形对温度的影响 五、地形对风的影响 六、地形对降水和温度的影响
c
os1
uv
tan
sin sin
1u2
1 u2 1 tan2
(10 1)
sin
1
u
sin
sin
tan v
1u2
1 u2 1 tan2
式中 u sin cos cos sin cos
(10 2)
v cos cos sin sin cos
为坡度；为坡向，顺时针计算，南坡为0，西坡为90，北坡
在小范围内，由于下垫面构造和特性不同， 造成热量和水分收支不一，形成近地层与大 气候所不同的特殊气候。
二、范围
1、铅直范围：1.5~2.0米以下的“贴地气层气候”， 100~200米以下的“近地气层气候”
2、水平范围：微空间(叶面、植株)“微气候”、小空 间(车间、厂区、农田、街道、坡地)以及尺度从几 公里至几十公里(林区、峡谷、沼泽、海岸、城市、 小岛) “局地气候” 一地的小气候主要是由局地自然条件或人为条件所 决定的，但也受天气和大气候条件的影响，一般来 说，愈近下垫面，小气候特征愈明显。
东西坡的辐射日总量介于南北坡之间，各季节均随 坡度增大而减少，但其年变化趋势与水平面相当。
计算任一坡地上的散射辐射公式为：
D
D0 2
(1 cos )
(10 5)
式中，D、D0分别为坡地和平地上的散射辐射；为坡度。
散射辐射主要与坡度有关，一般是随坡度增大而减少，各
坡向差异很小。
对于面向开阔平地上的有效辐射的计算式为：
(指数律)
(10 11)
式中，u1为2m高度z1的风速，在山顶指数m＝0.53,
在谷地m＝0.30,为卡曼常数，平均取0.40，说明
山顶风速随高度的变化比谷地快。
在起伏地形中，不同海拔高度的山顶风速均随高度
增加而增大。随海拔高度的对数增加，实验式为
为180 ，东坡为270；为纬度；为赤纬；为时角。
对于南坡，＝0，于是
＝cos1 tan tan
(10 3)
夏半年南坡上的日照时间是随着坡度增大而减 少，坡度愈大，被遮的时间愈长，南坡上的可 照时间愈短。同时，当坡度大于纬度时，随着 太阳赤纬增加，南坡上的可照时间也愈短；当 坡度等于纬度时，南坡上每天的可照时间均为 12h，不随赤纬而改变；当坡度小于纬度时， 南坡上每天的可照时间的年变化趋势与水平面 上相同。冬半年，南坡上的日照时间与水平面 相当。
效辐射也是不同的，也能影响净辐射的大小，
但其影响仅仅在作用面反射率差别很小时，才
起主要作用。
在地形起伏或有建筑物、植被存在的地方，
净辐射的收入项的差异就很大。例如，在中 纬度地区陡峭的南坡，冬季每天接受的太阳 辐射比水平面多，坡度每增加一度，在接受 太阳辐射上等于纬度降低一度，而北坡的情 形刚好相反；再如到达林地作用面上的太阳 辐射，随森林组成、郁闭度、林分结构、年 龄等而异，而且是决定林地净辐射大小的主 要因素；阴天，太阳辐射为散射辐射所组成， 散射辐射几乎不随作用面的倾角及方位等地 方条件而变化。所以不论在平坦的地方，还 是在地形起伏及有植被的地方，阴天作用面 的净辐射很小，小气候的差异也不显著。
第十章 小气候
本章主要内容
§1 小气候的概念 §2 小气候形成的物理基础及小气候的一般特征 §3 地形小气候 §4 防护林小气候 §5 森林小气候 §6 采伐迹地和林中空地的小气候 §7 城市气候 §8 人工改造小气候的途径 本章重点
§1 小气候的概念
定义 范围 小气候与大气候的区别
一、小气候的定义
＝0.95为相对辐射系数；＝5.6710－8 W /(m2 K 4 )为波
尔兹曼常数;T、T0分别为坡地和平地的地面温度；T为两地 的平均温度。
坡地的有效辐射随坡度的增大而减少，对于一
定的季节和地区，有效辐射的小气候差异决定 于坡地与平地的地面温度差。
三、坡地上的热量平衡状况
对于坡度小于15度的坡地，其热量平衡各分量仍可 用平地相同的方法来计算，即
(二)坡向和坡度对太阳辐射的影响
夏半年，在回归线以内的低纬度地区，坡向和坡度 对于太阳辐射影响不大。在回归线以外地区，南坡 上任何一面上的辐射量，北坡则相反。
冬半年，各纬度南坡上的辐射日总量在一定范围内 随着坡度增大而增加，纬度越高，坡度越陡，在冬 至前后增加越显著。而北坡则随坡度增大而迅速减 少，坡度增加一度，相当于比其纬度升高一度水平 面上的辐射日总量。
五、地形对风的影响
(一)孤立山岗上风的分布 气流经过山岗时，一部分越过山顶，一部分 从两侧绕过，大气越不稳定，越过山岗的气 流越多，绕过的越少，在向风坡下部，由于 气流受阻，空气堆积，产生与气流相反方向 的梯度，发生涡旋，风速减弱。在背风面， 流线辐散，风速迅速减小，产生北风涡旋。
图10－1
地形对风速影响的水平距离，在向风面不超 过山高的10倍，在背风坡可达到山高的10－ 15倍，且山脊愈缓，在背风面影响的距离愈 远；在垂直方向上可达到山高的5－6倍；对 于延伸很长的山脊，影响的水平距离会更远 些。
对于北坡，＝180，于是
＝cos1 tan＋ tan
(10 4)
夏半年，当坡度小于或等于太阳高度角时，坡地对阳光
无阻挡，全天有日照；当坡度大于太阳高度角时，随着 坡度增大而急剧减少；冬半年，北坡上的日照时间随着 坡度增大而迅速减少，坡度每增加一度，相当于纬度升 高一度地方的水平面上的日照时数；当坡度大于太阳高 度角时，全天无光照。
Bα＝Pα＋LE＋θsα
(10－9)
坡地热量平衡状况，主要决定于湍流热通量和蒸发
耗热量，而土壤热通量差别很小。
坡地上热量平衡各分量随坡地方位的变化与坡地上
太阳辐射的变化相平行，只有蒸发耗热量与气候和 天气有关，在湿润气候条件下，接受太阳辐射多的 坡地用于蒸发耗热量多。反之，在干燥气候条件下， 接受太阳辐射多的坡地，蒸发力虽大，但土壤干燥， 实际用于蒸发的热量反而比接受太阳辐射少、蒸发 力弱、土壤湿度大的坡地小。
§2 小气候形成的物理基础及小气 候的一般特征
小气候形成的物理基础 小气候的一般特征
一、小气候形成的物理基础
1、几个基本概念 作用面(活动面)：能吸收和放射辐射，并能与相邻 的土壤和空气发生热量和水分交换的表面。 作用层(活动层)：是具有一定厚度的空气层。
2、物理基础： 热量平衡和水分平衡
3、乱流交换作用 乱流扩散与温度和下垫面粗糙度有关；它使各种物 理属性由高值向低值区扩散，使它们在空间上的变 化趋于和缓，所以在近地层中温、湿、风的铅直梯 度向着作用面迅速增大，同时由于乱流交换的不规 则性，形成了近地层气候要素具有明显的脉动特性。
(二)坡地方位对温度的影响
南坡的温度高于北坡，西坡高于东坡，西南 坡高于东南坡，西南坡为最高。
各坡向坡地上气温分布趋势与地温一致，但 各坡的气温差异比地温缓和。随着离坡地高 度增加，坡地对气温的影响逐渐减小。
在群山围绕的山谷或盆地中，气温日较差比 山顶和坡地大，特别是在晴朗无风、气候干 燥、植被稀少情况下更显著。谷底冷的程度 和暖带的位置决定于山谷的宽度和天气条件。 如果谷中有水或坡上有森林密布，冷湖和暖 带现象不明显。
作用面的热量收支除了作用面的净辐射外还有作
用面与大气间的乱流热交换、蒸发或凝结所产生 的潜热转移以及土壤中的热量交换。白天，净辐 射为正值，作用面由辐射获得能量，并通过作用 面与大气间的乱流热交换和土壤热交换将热量传 给空气和土壤，造成白天气温和地温分布都是由 作用面向上和向下递减；同时还有一部份热量供 给蒸发，造成空气湿度由作用面向上递减，土壤 湿度向下递增。夜间情形刚好相反，在近地层中 形成逆温分布，蒸发停止或有凝结发生。净辐射 的绝对值愈大，能量平衡其余各分量的值也相应 增大，空气和土壤的增热和冷却愈厉害，温度的 铅直变化愈大，蒸发或凝结作用愈强。在净辐射 一定的条件下，蒸发愈大，则耗热泪盈眶愈多，
东西坡地上每天的可照时数全年均随坡度增大而减少， 但其年变化趋势与水平面上相同。总之，由于坡向和坡 度的影响，总是使日照减少。
二、地形对太阳辐射的影响
(一)海拔高度对太阳辐射的影响 山地上的太阳辐射随着海拔高度的增加而增 强，中纬度地区，每升高100米，直接太阳辐 射约增加5－15%；晴天散射辐射随高度的增 加而减少，而阴天则相反；山地上的紫外辐 射随高度而递增；净辐射随高度增加而递减。
能量平衡方程：
B=LE+P+Qs 净辐射方程：
B=(Sb+Sd)(1-r)-Ln
Ln=L0-La
在平坦的地方，投射到一个地区不同作用面上
的太阳总辐射几乎没有差别，但由于各种作用
面的反射率不同，反射率由百分之几至百分之
几十，从而造成了作用面上吸收辐射能的显著
差别；作用面反射率的差别晴天大，阴天小，
所以其净辐射晴天大于阴天。不同作用面的有
＝
0
2
(1
cos
)
(10 6)
当 15，可用下式计算
0 cos (10 7)
在白天，由于坡地与坡前平地的地面温差较大，坡地与平地
之间要进行辐射热交换，这时坡地上的有效辐射计算式为：
0
cos
4T 3 (T
T0 ) sin 2
2
(10 8)
式中 、 0分别为坡地和平地上的有效辐射；为坡度；
水分平衡方程：
R=E+f+ΔS
作用面上水分的主要来源是降水，消耗于 蒸发、迳流及增加土壤含水量上。作用面 上水分平衡各分量间的关系，也是互相影 响和制约的，其中任何一项发生变化，都 能影响到其它项。作用面上水分平衡分量 的大小，不仅影响土壤和近地气层的水分 状况，而且通过蒸发作用影响热量状况。 因此作用面上能量和水分的交换是决定土 壤和近地层小气候特性的基本因素，是形 成小气候的物理基础。
一、地形对日照的影响
（一）海拔高度对日照的影响 海拔高度对日照的影响不大，山顶平地上的日出日 落时间一般与海平面相同，在坡地和谷地上，由于 遮蔽作用，日照时间总是比海平面少。由于天气气 候条件，实际日照很复杂，一般在气候湿热地区， 山的下部比上部少，面向暖湿气流的迎风坡的日照 比北风坡少。
（二）坡地方位对日照的影响 当周围无其它遮蔽，计算坡地日出、日落时角ωα的 公式为：
在山地贴地气层中，风速随高度增大。向风 面变化最大，山顶次之，背风面小些，在周 围山坡高度以下的谷地风速随高度变化最小， 但接近和超过山坡顶后风速向上急增。
近地层风廓线在平均情况下比较符合对数律， 在风速较大时则符合指数规律，即
u u* ln z (对数律)
z0
(10 10)
m
u
u1
z z1
而进入空气和土壤的热量愈少，因而土壤和空
气增温愈小愈缓，温度的铅直变化愈小，空气湿 度愈大，反之情形相反。
因此，作用面能量平衡各分量是相互影响和制约 的，改变其中任何一项都能引起其它各项的变化， 从而形成不同的小气候特点。例如在林区，能量 平衡的主要支出项是蒸发耗热，因而形成林区湿 度大，地温和气温变化和缓和小气候特点；在干 燥地区，蒸发耗热很小，土壤热交换和作用面与 大气间乱流热交换是主要支出项，因而造成了空 气湿度低，地温和气温变化剧烈的小气候特点。
三、小气候与大气候的区别
在铅直方向上，小气候变化剧烈，但只能达 几十米至几百米，大气候变化缓和，可达对 流层顶； 在水平方向上，小气候要素变化剧烈，而大 气候要素变化缓慢； 小气候日变化显著，脉动性强，而大气候的 日变化不太显著，脉动性不明显。
小气候学：研究小气候形成的物理过程 和变化规律以及各种类型小气候特点， 合理利用小气候资源以及人工改造小气 候的一门科学。
四、地形对温度的影响
(一)海拔高度对温度的影响 山地的平均气温是随测点的海拔高度增加而 递减的。山地的气温年较差、无霜期都有随 高度减小和缩短。年平均气温递减值随季节、 坡向、纬度和天气条件而不同。山区气温日 较差也随高度递减。山地上的土壤温度高于 气温；最高温度和最低温度出现的时间随着 海拔升高而落后。