2017城市气象学期末复习

问答题（25”+15”）

一、城市热岛的时空变化、原因和影响

1、定义：城市化发展造成的城市中气温高于外围郊区，称之为“城市热岛效应”。

表示方法：热岛强度即以城郊温差来表示

=

∆

T-

郊

城T

T

2、城市热岛的形成原因：

1）下垫面因素：城市下垫面与郊区的土壤、植被截然不同；城市下垫面性质不同，热力性质差异很大；城市下垫面性质的改变，是形成热岛强度的重要原因。

①下垫面不透水面积大

②下垫面的热性质

③下垫面的几何形状

④天穹可见度

2）人为热和大气污染

人为热造成：

①城市热岛具有季节性变化，比如冬季热岛强度大于暖季

②城市热岛具有周变化，比如星期一到星期五的热岛强度大于周末

③城市热岛具有日变化，比如一天中城市热岛强度出现的两个峰值与城市采暖所消耗能源日变化中的两个峰值对应

城市热岛与大气污染关系：

①热岛环流不利于污染物的输送和扩散

②城市热岛效应对近地面源和高架源的影响不同

③城市热岛效应造成严重空气污染或二次污染，使城区环境质量综合下降

④城市中能源消耗量大于农村，人类活动排放到空气中的CO2等温室气体远比郊区多，造成城区气温上升显著

⑤地表辐射热以及人为热源排放的大量热量，被大气污染物障阻挡在近地面层，造成城区气温上升显著。

3）天气形势与气象条件

①天气形势。天气晴稳、气压梯度小的天气形势有利于城市热岛效应的形成。北京城市热岛效应形成的天气条件是天气晴稳、气压梯度小、风速小、晴天或少云、层结稳定。

②风速。城市热岛效应与风速呈负相关，在气象要素中风速对城市热岛形成和影响最大。

③云量。城市热岛效应与低云量有明显的相关性。低云量多时热岛强度小，晴空时热岛强度大。

3、城市热岛的特点

1）城市热岛的水平特点

①城市的空气温度分布由市中心向外逐渐降低，直至和乡村等同起来

②在城市内部，温度分布差异很大：商业区、工业区和居住区一般温度较高，公园、绿化带、林荫道及湖泊等水体附近则温度较低，与郊外乡村温度差异小。

2）城市热岛的垂直变化

城市热岛在垂直方向上可伸展到整个边界层

3）城市热岛的时间变化

①日变化：在晴稳天气下，热岛强度都是早晚和夜间强，城市温度比郊外高；白天和中午热岛强度弱，城市和郊外的气温比较接近；而夏季中午，有时甚至会出现城内气温比郊外低的现象。

形成原因：与城郊热量收支状况不同有关；一般郊区在日落后净辐射转为负值，而城区下垫面白天积蓄的热量多，夜间风速又比郊区小，不利于热量向外扩散，使得城区夜间气温比郊区高，城郊之间温差大；随着太阳高度角逐渐增大，郊区因土壤热容量小而迅速增温，使得温差明显减小，到中午前后，城郊的气温已基本接近。

②周变化：主要和人类活动的周期有关。

③季节变化：与城市所在的地理位置和能源用量等有关

④年变化：与城市所在的区域气候背景有关，而且与城市的规模结构和人为的热释放有关。大体上，冬季热岛强度比较大，夏季热岛强度比较小。

4、热岛强度的地区差异

1）城市的地理纬度不同。随着纬度升高，热岛强度一般是增加的

2）城市的气候类型不同。城市热岛效应在大陆性气候区和海洋性气候区内表现出明显的差异。一般在大陆性气候条件下，热岛效应较强。

3）季风的影响。我国大部分地区处在季风气候区内，致使每个城市的热岛强度都具有明显的季节变化

4）城市化效应。城市热岛形成的主要原因是城市化效应造成的对原有辐射平衡的改变，不同国家、不同地区的城市发展水平不同，其热岛强度也不相同。

5、城市热岛的影响

1）有利影响：

①由于城市热岛效应使城区气温比郊区高，因此，城区冬季的积雪要比郊区融化得快，这对交通十分有利。

②在城市热岛效应的直接作用下，城区霜冻日数减少，无霜期增加。

2）不利影响：

①在中纬度地区的夏季，城市热岛效应会加大城区高温的出现频率，形成高温灾害，带来巨大的经济损失

②城区因低空有悬浮逆温层的存在，不利于大气污染物的扩散，容易形成污染物堆积

③大气污染物增加，提供更多的凝结核生成云雾，使得能见度变差，影响城市交通运输，雾凇还会影响电线和通讯线路的安全

二、城市发展对风的影响

影响城市风场的主要因素：城市的摩擦作用、较大范围的盛行风场、城市热岛强度及城郊的稳定度差异等。

主要表现在两个方面：1）动力摩擦作用，使城市地面风速迅速减小，而湍流混合以及风的阵性度明显增加2）城郊热力差异，可形成类似于海陆风的城郊之间的局地环流。

1、城市发展对风速的影响：

①城市具有特殊的粗糙表面，各种高度的建筑物，纵横交错的街道，对气流运动的摩擦阻滞作用很大；

②城市下垫面粗糙度增大，有减小地面平均风速的效应；

③城市发展使年平均风速逐年减小，市区风速小于郊区；

④城市化对盛行风速具有削弱作用。随着城市的发展，与郊区农村相比，城市静风日数有增加趋势，平均风速不断下降，最大风速减小10~20%。

2、夜间城市风速增大的主要原因包括三个方面：

1）微弱的盛行风场

2）趋于稳定的郊区大气层结

3）强烈发展的城市热岛

3、城市对风向变化的影响：

1）城市风向的改变，实际上是气压梯度力、摩擦力和科氏力在平衡状态下的扰动。

2）城市热岛环流是热力因子和动力因子共同作用的结果

3）城市近地面层风向发生变化的主要原因，是城市下垫面的阻碍作用所致

4、风场的垂直变化特征：不同城市的风向切变高度和城郊风向切变差异，则与城市所处的地理位置、地形特征、气候背景以及不同的天气系统有关

在风场的垂直结构上，城市与郊区存在着显著差异。主要表现在两个方面：

①由于下垫面粗糙度不同，使得城郊边界层中风速的垂直梯度明显不同

②城郊边界层结构的差异，使地砖风速出现的高度不同，农村较低，城市较高

风的垂直分布存在着复杂的日变化和年变化。城郊风速差的垂直分布不仅随时间变化，还随郊区风速的大小而变化。

城郊边界层风场的垂直变化，包括风向的切变、地转风高度、日变化、季节变化、风速廓线和垂直运动等，与当地、当时的天气气候背景紧密相关。

5、热岛环流

1）发展良好的城市热岛会造成低层气流向市区辐合上升，在几百米高度上以相反的方向从城市向郊区辐散下沉，形成热岛环流。

2）热岛环流是一类城市热力扰动强迫作用下形成的中尺度环流；这种热力扰动并不是一个稳定连续的过程，存在准周期振荡。

3）热岛环流的上升运动，有时不在热力扰动中心，而是偏向于热力中心的下风方向。

4）这种城郊之间有规律的气流运动现象，称为城市热岛环流。

6、热岛环流的产生

在大范围气压梯度很小的天气形势下，由于城市热岛的存在，使得城市空气温度高于乡村，在市区形成一个弱低压中心，温度差异引起气压梯度，造成气流在城市中心辐合上升，到达一定高度后向四周辐散，在城市外围郊区下沉，而郊区近地层又向城市中心流动。

由热岛环流产生的风，称为城郊风或乡村风。风速大小与热岛强度、天气背景以及城市本身下垫面结构特点等因素有关。

通常，热岛环流强度夜间大于白天，与热岛强度最大值出现在夜间相吻合。大气层结稳定度因子起着相当重要的作用。

7、热岛环流的影响因素

①城市热岛环流受大范围盛行风的制约。当盛行风速超过3m/s时，城郊间的热岛环流将遭到破坏。

②热岛环流的垂直范围约为100~300m/s，并随城市覆盖层高度的增加而增高

③城市地理位置对热岛环流的影响很大

三、人为热

1、人为热的来源包括由人类生活和生产活动以及生物新陈代谢所产生的热量。

①工业生产

②家庭炉灶