《城市环境气象学》学习资料：八 城市辐射收支平衡
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城市对这四项皆有明显的影响。到达城市下垫面的 太阳总辐射比郊区小，但其下垫面的反射率亦比郊区小。 在短波辐射收支上，城市与郊区的差别不大。
城市中大气逆辐射虽比郊区大，但地面长波辐射QL↑ 城市大于郊区，因此在长波辐射收支上，城、郊的差别 亦不大。
总体说,城市地面吸收的太阳净辐射与乡村差别不大。
11
城市的能量平衡和水分平衡
城市辐射收支平衡
城市的辐射收支
S
D
QI
QL,
QL,
Biblioteka Baidu
Qn QI (1) QL, QL,
QI S D
城市的辐射收支
Qn QI (1) QL, QL,
QI S D
Qn 地表净辐射 QI 太阳总辐射 S 太阳直接辐射 D 太阳散射辐射
下垫面反射率
QL, 大气长波逆辐射（方向向下） QL, 地面长波逆辐射（方向向上）
7
8
城市地-气长波辐射能的交换
城市大气逆辐射QL↓大于郊区
城市大气CO2含量高大气逆辐射强
风速愈大,气温热岛强度愈弱,大气逆辐射QL↓
城乡差异愈小。
晴昼城市大气逆辐射QL↓与郊区的差值比晴夜
更大。
10
2.3.4 城市的净辐射
下垫面的净辐射Qn是由太阳总辐射QI，下垫面反射率 α，大气逆辐射QL↓和地面辐射QL↑四项来决定的。
城市热贮量
城区的热贮量比郊区高 城区建筑物材料，如混凝土、石料、砖瓦
及钢材的热容量C都比郊区干燥的土壤高。 大多数情况下，城市下垫面的导热率K比郊
区大3倍，热容量C比郊区大1/3。
城市热贮量
城市白天能够积蓄较多热量
思考题
• 城市建筑常见的遮阳措施有哪些？ • 城市太阳辐射的时空变化特征及原因？ • 什么是地表净辐射？ • 城市下垫面反射率有哪些特点及其原因？ • 城市的大气逆辐射与郊区相比有什么特点？
（1）城市的能量平衡方程
城市的热量平衡方程
Qn QF QH QE QS QA 其中，Qn：地面净辐射 QF：人为热 QH：下垫面与空气间的湍流显热 QE：下垫面与空气间的潜热交换 QS：下垫面内部贮热量的变化 QA：热平流量的变化
17
（2）城市的水分平衡方程
• 城市建筑-空气-地面系统的水分平衡方程：
57
地气显热交换特征
下垫面对城市热量平衡的影响
60
61
总的情况来看，在中纬度城市中，所吸收 的净辐射中平均有44%用于地气显热交换， 29%用于蒸散向大气输送潜热，其余27% 贮存在下垫面内部。
而且，市区的鲍因比变化范围最大。 城市的热收入远高于乡村。
62
思考题
城市热量平衡方程及参数意义？ 人为热的主要来源？ 人为热的时间变化和空间变化特征？ 城市贮热量的特征？ 地-气系统的显热交换和潜热交换特征？
人为热的影响因素
1 2
人为热的空间变化
人为热的空间变化
人为热的季变化
人为热的日变化
广州人为热 2009
北京 2001
城市内人为热的变化
三、城市下垫面贮热量
城市能量平衡研究方法
直接观测法 将测量热通量的感应元件放在屋顶、道路
或者其他物体的下面。
用具有代表性的若干种下垫面研究其 与净辐射的相互关联，求出其线性经验方 程，并加以组合。
（1）城市的热量平衡方程
城市的热量平衡方程
Qn QF QH QE QS QA 其中，Qn：地面净辐射 QF：人为热 QH：下垫面与空气间的湍流显热 QE：下垫面与空气间的潜热交换 QS：下垫面内部贮热量的变化 QA：热平流量的变化
思考题
• 城市热量平衡方程及参数意义？ • 人为热的主要来源？ • 人为热的时间变化和空间变化特征？ • 城市贮热量的特征？
城市中的地-气显热交换和地-气潜 热交换
计算公式
地-气系统的显热交换和潜热交换
✓城市中大气稳定度一般比郊区小，容易发生热力湍流， 同时城市下垫面的粗糙度也比郊区大，又有利于机械湍 流的发展，因此，城市的显热总是比郊区大。 ✓城区下垫面都是一些不透水的人工材料组成，并供蒸 发的水汽量远比郊区自然的泥土地表少，且植被覆盖也 小，植被蒸腾的水汽量也少，因此，城市下垫面向大气 提供的潜热远小于郊区。
3
城市地-气长波辐射能的交换
在辐射平衡方程中，除了短波辐射之外， 还有地-气间的长波辐射能的交换。
地-气间的长波辐射主要有两个方向：一是
地面辐射QL↑，它的方向向上；另一个是大气逆 辐射QL↓，它的方向指向地面。这两种长波辐射
能量在城市和郊区都各不相同。
4
（1） 地面长波辐射QL↑
QL, = T4
✓ 工业生产 ✓ 家庭炉灶 ✓ 空调制冷 ✓ 机动车排放 ✓ 冬季取暖等
26
城市人为热排放分类研究及其对气 温的影响
摘 要：利用上海市近５０ａ各区县月均温数据，分析城市 中人为热排放。绘制人为热排放流程图，并将城市人为热源 进行分类，分析所有可能成为人为热排放源的设施以便定性 及控制研究。分别计算燃油排热和燃煤排热以估算上海市人 为热排放总量，统计上海市区和郊区的年均温及年均温差随 时间变化及其与人为热排放之间的关系，发现两者之间有很 好的相关性；最后就上海市夏季空调使用排热对上海市温度 影响进行了定性研究，发现空调排热与地面温度反演有着非 常良好的一致性。
13
主要内容
城市的能量平衡与水分平衡方程 城市中的人为热 城市下垫面贮热量 城市中的地-气显热交换和地-气潜热交换 城市与郊区热量平衡的日变化 城市的水分平衡及特征
14
一、 城市的能量平衡与水分平衡方程
城市具有特殊性质的下垫面，城市中的能 量平衡和水分平衡就比较复杂。
建筑物-空气-地面系统
QL↑-地面辐射
地面相对发射率
斯蒂芬 - 波尔兹曼常数，
5.6696 10 -8 W/（m2 k 4）
T 下垫面温度（K）
5
城市地-气长波辐射能的交换 地面长波辐射QL↑大于郊区
城市下垫面温度高长波辐射大
6
2.3.3 城市地-气长波辐射能的交换 （2）大气逆辐射 QL,
经 验 公 式
P F I E r S A
18
能量平衡与水分平衡之间的关系
• 城市中水分平衡与能量平衡的关系十分密 切，特别是表现在蒸散这一过程中。
• 城市中由于下垫面不透水面积大，植被少， 蒸散量远比郊区小。导致能量平衡方程中 的潜热交换远比郊区小。
二、城市中的人为热
城市中的人为热（QF）：
城市中大气逆辐射虽比郊区大，但地面长波辐射QL↑ 城市大于郊区，因此在长波辐射收支上，城、郊的差别 亦不大。
总体说,城市地面吸收的太阳净辐射与乡村差别不大。
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城市的能量平衡和水分平衡
城市辐射收支平衡
城市的辐射收支
S
D
QI
QL,
QL,
Biblioteka Baidu
Qn QI (1) QL, QL,
QI S D
城市的辐射收支
Qn QI (1) QL, QL,
QI S D
Qn 地表净辐射 QI 太阳总辐射 S 太阳直接辐射 D 太阳散射辐射
下垫面反射率
QL, 大气长波逆辐射（方向向下） QL, 地面长波逆辐射（方向向上）
7
8
城市地-气长波辐射能的交换
城市大气逆辐射QL↓大于郊区
城市大气CO2含量高大气逆辐射强
风速愈大,气温热岛强度愈弱,大气逆辐射QL↓
城乡差异愈小。
晴昼城市大气逆辐射QL↓与郊区的差值比晴夜
更大。
10
2.3.4 城市的净辐射
下垫面的净辐射Qn是由太阳总辐射QI，下垫面反射率 α，大气逆辐射QL↓和地面辐射QL↑四项来决定的。
城市热贮量
城区的热贮量比郊区高 城区建筑物材料，如混凝土、石料、砖瓦
及钢材的热容量C都比郊区干燥的土壤高。 大多数情况下，城市下垫面的导热率K比郊
区大3倍，热容量C比郊区大1/3。
城市热贮量
城市白天能够积蓄较多热量
思考题
• 城市建筑常见的遮阳措施有哪些？ • 城市太阳辐射的时空变化特征及原因？ • 什么是地表净辐射？ • 城市下垫面反射率有哪些特点及其原因？ • 城市的大气逆辐射与郊区相比有什么特点？
（1）城市的能量平衡方程
城市的热量平衡方程
Qn QF QH QE QS QA 其中，Qn：地面净辐射 QF：人为热 QH：下垫面与空气间的湍流显热 QE：下垫面与空气间的潜热交换 QS：下垫面内部贮热量的变化 QA：热平流量的变化
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（2）城市的水分平衡方程
• 城市建筑-空气-地面系统的水分平衡方程：
57
地气显热交换特征
下垫面对城市热量平衡的影响
60
61
总的情况来看，在中纬度城市中，所吸收 的净辐射中平均有44%用于地气显热交换， 29%用于蒸散向大气输送潜热，其余27% 贮存在下垫面内部。
而且，市区的鲍因比变化范围最大。 城市的热收入远高于乡村。
62
思考题
城市热量平衡方程及参数意义？ 人为热的主要来源？ 人为热的时间变化和空间变化特征？ 城市贮热量的特征？ 地-气系统的显热交换和潜热交换特征？
人为热的影响因素
1 2
人为热的空间变化
人为热的空间变化
人为热的季变化
人为热的日变化
广州人为热 2009
北京 2001
城市内人为热的变化
三、城市下垫面贮热量
城市能量平衡研究方法
直接观测法 将测量热通量的感应元件放在屋顶、道路
或者其他物体的下面。
用具有代表性的若干种下垫面研究其 与净辐射的相互关联，求出其线性经验方 程，并加以组合。
（1）城市的热量平衡方程
城市的热量平衡方程
Qn QF QH QE QS QA 其中，Qn：地面净辐射 QF：人为热 QH：下垫面与空气间的湍流显热 QE：下垫面与空气间的潜热交换 QS：下垫面内部贮热量的变化 QA：热平流量的变化
思考题
• 城市热量平衡方程及参数意义？ • 人为热的主要来源？ • 人为热的时间变化和空间变化特征？ • 城市贮热量的特征？
城市中的地-气显热交换和地-气潜 热交换
计算公式
地-气系统的显热交换和潜热交换
✓城市中大气稳定度一般比郊区小，容易发生热力湍流， 同时城市下垫面的粗糙度也比郊区大，又有利于机械湍 流的发展，因此，城市的显热总是比郊区大。 ✓城区下垫面都是一些不透水的人工材料组成，并供蒸 发的水汽量远比郊区自然的泥土地表少，且植被覆盖也 小，植被蒸腾的水汽量也少，因此，城市下垫面向大气 提供的潜热远小于郊区。
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城市地-气长波辐射能的交换
在辐射平衡方程中，除了短波辐射之外， 还有地-气间的长波辐射能的交换。
地-气间的长波辐射主要有两个方向：一是
地面辐射QL↑，它的方向向上；另一个是大气逆 辐射QL↓，它的方向指向地面。这两种长波辐射
能量在城市和郊区都各不相同。
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（1） 地面长波辐射QL↑
QL, = T4
✓ 工业生产 ✓ 家庭炉灶 ✓ 空调制冷 ✓ 机动车排放 ✓ 冬季取暖等
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城市人为热排放分类研究及其对气 温的影响
摘 要：利用上海市近５０ａ各区县月均温数据，分析城市 中人为热排放。绘制人为热排放流程图，并将城市人为热源 进行分类，分析所有可能成为人为热排放源的设施以便定性 及控制研究。分别计算燃油排热和燃煤排热以估算上海市人 为热排放总量，统计上海市区和郊区的年均温及年均温差随 时间变化及其与人为热排放之间的关系，发现两者之间有很 好的相关性；最后就上海市夏季空调使用排热对上海市温度 影响进行了定性研究，发现空调排热与地面温度反演有着非 常良好的一致性。
13
主要内容
城市的能量平衡与水分平衡方程 城市中的人为热 城市下垫面贮热量 城市中的地-气显热交换和地-气潜热交换 城市与郊区热量平衡的日变化 城市的水分平衡及特征
14
一、 城市的能量平衡与水分平衡方程
城市具有特殊性质的下垫面，城市中的能 量平衡和水分平衡就比较复杂。
建筑物-空气-地面系统
QL↑-地面辐射
地面相对发射率
斯蒂芬 - 波尔兹曼常数，
5.6696 10 -8 W/（m2 k 4）
T 下垫面温度（K）
5
城市地-气长波辐射能的交换 地面长波辐射QL↑大于郊区
城市下垫面温度高长波辐射大
6
2.3.3 城市地-气长波辐射能的交换 （2）大气逆辐射 QL,
经 验 公 式
P F I E r S A
18
能量平衡与水分平衡之间的关系
• 城市中水分平衡与能量平衡的关系十分密 切，特别是表现在蒸散这一过程中。
• 城市中由于下垫面不透水面积大，植被少， 蒸散量远比郊区小。导致能量平衡方程中 的潜热交换远比郊区小。
二、城市中的人为热
城市中的人为热（QF）：