《城市气象学》PPT课件
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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：
城市气象学课件：02城市生态系统
一、关于地球系统 二、全球大城市分布 三、城市下垫面组成及描述 四、城市生态系统“印痕”（Footprint）
一、地球系统 大气圈、水圈、冰雪圈、土壤岩石圈、 生物圈与区域气候变化相互作用
区域与全球气候系统的研究
区域水循环的研究
区域水循环的研究
区域碳循环的研究
冰冻圈生态系统与全球变化研究
二、全球大城市分布
广州，搜狗
三、城市下垫面组成及描述
Towns and cities are the most densely populated areas on Earth and will continue to be the artificial landscapes most widely used by the greater part of the Earth’s population in the future. In 2030 more than 60% of humans will live in cities. Changes in urban conditions have often caused deterioration in environmental quality and may result in damage to the health of city-dwellers.
Urban Boundary Layer
3. Radiation and Heat Balance
Compared with the surrounding countryside, the radiation and heat balances of an urban area are subject to a wide variety of effects. These are caused by gaseous, particulate and liquid air pollutants,which reflect, scatter and absorb radiation, and the type, structure, use and exposure of urban surfaces. The short and long-wave albedo long wave emission, effective radiation and thermal behaviour of the surface are determined by the composition of the urban atmosphere and the city’s surface conditions. During low advection conditions without precipitation, the radiation and heat balance of the ground/air boundary layer is:
一、地球系统 大气圈、水圈、冰雪圈、土壤岩石圈、 生物圈与区域气候变化相互作用
区域与全球气候系统的研究
区域水循环的研究
区域水循环的研究
区域碳循环的研究
冰冻圈生态系统与全球变化研究
二、全球大城市分布
广州，搜狗
三、城市下垫面组成及描述
Towns and cities are the most densely populated areas on Earth and will continue to be the artificial landscapes most widely used by the greater part of the Earth’s population in the future. In 2030 more than 60% of humans will live in cities. Changes in urban conditions have often caused deterioration in environmental quality and may result in damage to the health of city-dwellers.
Urban Boundary Layer
3. Radiation and Heat Balance
Compared with the surrounding countryside, the radiation and heat balances of an urban area are subject to a wide variety of effects. These are caused by gaseous, particulate and liquid air pollutants,which reflect, scatter and absorb radiation, and the type, structure, use and exposure of urban surfaces. The short and long-wave albedo long wave emission, effective radiation and thermal behaviour of the surface are determined by the composition of the urban atmosphere and the city’s surface conditions. During low advection conditions without precipitation, the radiation and heat balance of the ground/air boundary layer is:
城市气象学课件：06_1城市风场_
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
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
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
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 ' )
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
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
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
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 ' )
城市气象学课件：03城市大气污染_new
二、空气污染物
悬浮空中之固态、液态、气态物质， 威胁人类与动植物健康、损害建筑、毒 化环境者。源于自然或人类活动。
一次污染物
直接排放入大气中的空气污染物
氮氧化物
一次污染物和源地(自然)
源地
火山爆发 森林火灾
污染物
固态粒子(尘、灰)，气体(SO2、CO2) 烟、未燃的碳氢化合物、CO2、氮氧 化物、灰
气溶胶
足够小的能悬浮 在空气中的固态 粒子和液滴
有些使人不愉快但无 害，有些是危险的。
气溶胶粒子 在大气过程中的作用
• 在云雾降水中的作用：凝结核 • 对大气辐射过程的影响：散射和吸收 • 对大气光学特性的影响：大气能见度 • 对大气电学特性的影响：捕获带电离子，
影响大气电场 • 在大气化学过程中的作用：吸附或参与反
应生成新的微粒
一氧化碳
城市空气主要污染物，无色，无味， 巨毒的气体(易被红血球获得)，由 含碳燃料的不完全燃烧产生。一次 污染物中最丰富。
二氧化硫
无色有臭味气体，主要是由燃烧含硫 化石燃料而来（如煤和石油），
源地：发电厂、加热设备、熔炉、石油精 练和造纸厂等，火山喷发、或从海洋飞沫 中的硫酸盐粒子而来。
一、大气污染简史
• 人类发明火以后，“烟问题”； • 爱德华一世国王在1273年签署一项法令禁止使用海煤； • 在1850前，伦敦 “浓豌豆汤”雾而声名狼藉； • 1911年前后，“smog”(烟雾)一词，烟和雾的混合体； • 1952年12月的第一周，伦敦灾难(煤烟型烟雾)； • 工业革命把污染带入美国(光化学烟雾)； • 中国的污染…….我们还要走发达国家的老路吗？！
天然石材的放射性
各种天然石材由于产地、地质结构和生成年代不同， 其放射性也不同。
气象学.pptx
《巴黎协定》等国际气候合作框架为 应对全球变暖提供了政策支持和合作 机制，各国需共同努力实现减排目标 。
适应策略
针对已经发生的气候变化，采取适应 策略来降低其影响，如建立气候适应 型城市、调整农业生产结构、加强水 资源管理等。
06
气象观测与预报技术
Chapter
地面气象观测站网建设
站点布局与选址
农业生产指导
气象学可以为农业生产提供准确的天 气信息和气候预测，指导农民合理安 排农事活动，提高农业生产效益。
02
大气圈层与结构
Chapter
大气圈层划分
01
对流层
地球表面最接近的大 气层，天气主要发生 在这里，包括云、雨 、雪等。
02
平流层
位于对流层之上，其 中包括臭氧层，对地 球生命起到重要保护 作用。
全年高温多雨，无明显季节变化 ，年平均降水量在2000毫米以上 ，植被茂盛。
全年气温较高，有明显的干湿季 之分，湿季时草木茂盛，干季时 草原枯黄，动物有大规模迁徙现 象。
温带气候类型及特征
温带季风气候
01
夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，植被以温带落叶阔
叶林为主。
温带大陆性气候
02
冬冷夏热，年温差大，降水集中在夏季，植被由森林到草原、
了一个全新的发展阶段。
气象学在现实生活中的应用
天气预报
气象学为天气预报提供了理论基础和 技术支持，帮助人们及时了解未来天
气情况，合理安排生产生活。
气候预测
通过对历史气候资料的分析和研究， 气象学可以预测未来气候的变化趋势 ，为应对气候变化提供科学依据。
气象灾害防御
气象学在防御台风、暴雨、洪涝、干 旱等气象灾害方面发挥着重要作用， 为减少灾害损失提供了有力支持。
城市气象学
65
城市供水量--城市化进程的加快带动了行业发 展
(2)城市中水分收入项
• 多数学者研究证明城市及其下风向降水量P一般比 郊区多，大约多5-15%。 • 城市中由于工业生产和居民生活需要燃烧大量的 化石燃料要向空中释放大量的水汽F。
• 城市的管道输水量I也较郊区大得多。
• 所以，城市水分收入项比郊区大。
七、城市雨岛 • 雨岛效应，城市尤其是城市下风向有 降水增多的现象，这种效应被称之为 “雨岛效应”。
随着城市化的发展,城市规模不断扩大,人口 不断增长,人类活动加剧,城市的生产活动和特殊地 面结构共同作用于大气,使大气边界层的特性发生
变化,从而使得雨岛效应加剧，城市降水量增大。
峰高量大的暴雨导致洪水机会增加,加剧了城市的
67
（3）城市下垫面的蒸散量和水分贮存量
• 二者都比郊区小。 • 城区植被面积小，建筑物和人工铺砌的道路、广 场等不透水面积远比郊区大，降水之后雨水很快 从下水道中排泄，所以下垫面的蒸发和蒸腾量都 比郊区小。 • 城市下垫面的材料多为不透水的人工材料，降水 时下渗很少，加上植被覆盖小，不能截留雨水让 根部吸水贮存，又有人工排水管道，很快流失， 因此贮存在城市下垫面的水量甚少。
南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析
南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析
• 城、郊不同下垫面地表热量平衡各分量平均日变化特征分析
56
南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析
• 不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的平均特征
57
城市草坪水汽通量与蒸散量的变化特 征分析
• 水汽通量与热通量的变化趋势都是倒"U"型，即 白天为正，夜间为负，除3月外，其它月份的水汽 通量日变化曲线与潜热通量几乎重合，且两者曲 线远高于显热通量；全天蒸腾的时数也随日照时 数的缩短而减少，基本表现为夏季最大，春秋季 次之，冬季最小；全年中间波文比较小，冬春两 季较大。
城市气象学课件：07_2城市雾_雨
锋面雾出现的时间因锋面移至上海时间而定，从子 夜至中午，午前午后均可出现，雾持续时间长短亦 颇不一致．长者可达数小时，短者仅仅十几分钟， 不象前述三种气团内部的辐射雾、平流雾和平流辐 射雾那样有规则。锋面雾随锋面降水的停止和锋面 移去而消散，与前述气团雾的生消规律亦不同。
上海城区的上述四种雾类，在形成原因、天气形势 和有关气象要素的变化上虽各不相同，但其基本的 成雾条件是相似的，即有丰富的凝结核，风速小， 相对湿度高和空气层结稳定(常有逆温)。就城市的影 响而言，因岛效 应，相对湿度经常比郊区低，再加上有热岛效应， 使低空的大气稳定度减弱，湍流加强，这二者是不 利于城区雾生成的。
Ch7 水分、云、雾和降雨
一、水平衡 二、湿度 三、云 四、雾 五、降水 六、能见度
四、雾
湿雾是城市中最常见的雾类，它是由大量微小水 滴或冰晶所构成。这些微粒浮游在贴近地面一定范 围内的低空，使空气混浊，障碍视程。当其使水平 能见距离小于lkm时，就称为雾；使水平能见距离大 于1k m小于10 km时，称为轻雾，这种雾的形成所要 求的相对湿度比较大，这里称之为“湿雾”，以区 别于 “光化学烟雾”，那是在相对湿度较小时才能 形成的。
城市对局地降水量的影响及其影响的物理机制，在 城市气候学界存在着不少争论。有人认为城市对降 水有明显的影响。也有人认为城市会使降水减少的 效应，多数人认为城市有使城区及其下风方向降水 增多的效应。为了解决这一争论问题，通过1968年 在比利时首都布鲁塞尔举行的《城市气候和建筑气 候学讨论会》决定在1971-1975年于美国中部平原圣 路易斯进行大城市气象观测试验计划(METROMEX)， 设立了稠密的气象观测网，经过大量观测、试验和 研究，证实了城市对降水量分布是有影响的，在城 区及其下风方向有使降水增多的效应。
城市气象学课件：07_3城市能见度
大气分子吸收光谱的形成
单个分子内含的能量，
E =Ee+Ev+Er
Ee ：电子围绕原子核运动的能量； Ev ：原子在其分子平均位置Байду номын сангаас围的振动； Er ：分子绕其质量中心转动的能量。 而且，都是量子化的。
电子跃迁：玻尔模型
氢光谱研究
Ek E j hf
另外还有：
振动跃迁、转动跃迁、振动和 转动跃迁。都是量子化的。
I I0
exp[kex
R]
kex
1 R
ln(
I I0
)
对均匀大气
2、能见度问题
实践中常常遇到透过大气来看目标物能否看得 清晰，以及到底隔多远还可以把目标物从它的 背景上分辨出来问题。这里所说的“看”是广 义的，可以是用眼睛直接看或通过仪器看，也 可以是摄影或其它成象系统。和这类问题发生 关系的实践活动有航空、航海、陆上交通、高 空摄影和天文观测等等。由于这一问题纯粹是 大气中颗粒物对光散射所造成的，因此在大气 环境问题中也受到广泛的关注。
2
1
4
C 4
mr是介质折射率 ，N是单位体积散射质点数目。
对于空气分子，在标准情况下，
ks,0, 1.0563106 4
ks,
ks, 0,
0
在空气密度为 的空气中
天色：蓝色
天色：红色
天色：白色
天色：黑色
没有大气，没有散 射，天空黑色，太
阳白色
(2) 米散射 (大颗粒散射，0.1< x < 50即a ~ 时 )
ka, ka,,i
散射
电磁辐射在遇到大 气中的气体分子以 及悬浮的尘埃、云 滴、雨滴和冰粒、 雪花等粒子时，会 产生散射现象。
城市气象学课件：01城市气候
外场观测
外场观测可以直接获得城市气候有关参数，并可提供数值模式基本参 数和对比依据，其主要监测手段有地面监测站、气象观测塔、低空探 空、风廓线仪、雷达和卫星遥感 。这些监测手段各有优缺点，其中
地面监测站只能进行近地面的监测，而气象观测塔（如中科院大气所 325m气象观测塔）可以观测边界层中下层的各种气象要素，这两种 手段的优点在于可长期连续观测。低空探空可以得到地面至2000m高 度的气象资料，但因成本较高，不能进行长期观测。雷达和卫星遥感 因资料的同步性、点位的密集性以及均匀性弥补了前三种方法不足， 在大气环境监测，如城市热岛及气溶胶分布状况等方面发挥着重要作 用。另外，近几年内针对城市街谷大气环境研究进行的外场实验发展 也很迅速，Pearlmutter对位于以色列境内的一个街谷进行了详尽的观 测，观测项目包括太阳短波辐射、长波辐射、气温、地表温度、墙面 温度以及风向风速，作者同时还结合一个位于街谷中央的人体表面能 量平衡模式，讨论了建筑物布局与人体舒适度之间的关系。 Pfeffer(1995) 采用NO2、CO、苯及烟尘等污染物的监测资料（街谷 位于德国埃森），分析了各污染物浓度之间的相关以及不同气象条件 对污染物浓度的影响。
大气污染、城市热岛、城市热岛环流、城市风场、污 染与城市规划、数值模拟、城市气候资源利用、城市 气象灾害等等。
本课程停课期末考试前交打印稿或发给我电子版，推 荐后者。
文献阅读报告范例
污染与气象条件关系 乔xx 0232310xx 摘要：随着经济的发展，城市污染越来越严重，大气污染是城 市污染的一个重要方面。在短期内空气污染物排放量变化不大 的情况下，近地面空气污染物在大气中的稀释、迁移、扩散等 过程主要受气象条件的制约。风、层结稳定度、天气形势等都 与近地面大气污染有密切关系。 关键词：大气污染 气象条件 城市气候 关系
城市气象学第八章：城市辐射收支平衡
（2）大气逆辐射 QL,
经 验 公 式
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。 城市对这四项皆有明显的影响。到达城市下垫面的
75
曲线下的面积 代表径流总量
降雨后城市与郊区径流曲线的图式
76
南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析
观测期间城、郊热量平衡中主要分量随时间变化特征
77
不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的日变化特征
78
在城市水分平衡中, 上述三个特征对于如何规划 城市的排水管道, 有极重要的意义。
79
城市、近郊和远郊热量平衡方程：
城市：Qn QF QH QE QS QA 近郊：Qn QF QH QE QS QP QA 远郊：Qn QH QE QS QP QA 式中QP为植物光合作用能量的变化
65
2. 城市与郊区热量平衡的日变化
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。
人为热的影响因素
44lqt???11地面长波辐射ql5地面相对发射率??波尔兹曼常数斯蒂芬428w1056696km????下垫面温度k?tqql地面辐射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63233城市地气长波辐射能的交换??222大气逆辐射?lq7经验公式8城市地气长波辐射能的交换??城市大气逆辐射qql大于郊区c城市大气co2222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大气逆辐射强风速愈大气温热岛强度愈弱大气逆辐射qql城乡差异愈小
城市气象学：04_2城市能量通量
垫面内部，其余呢？用于显热输送给空气或输送给
地面；用于蒸发、蒸腾水分将热量即潜热输送给空
气。
QH
Cp w' '
C p K H
z
QE
Lv w'q'
Lv KW
q z
QE
Lv w'v'
Lv KW
v
z
KH、KW
:热量的湍流扩散系数、水分的湍流扩散系数 共87第
34
不稳定层结情况下的显热通量观测实例
共87第
35
湍流扩散系数影响因子
KH、KW :分别为热量、水分的湍流扩散系数，这是计算显 热和潜热通量的重要参数，这两个参数与什么有关？与稳定 度、风速、风向切变有关。城市地区，大气稳定度一般比郊 区小，易激发热力湍流；城区粗糙度比郊区大，易激发机械 湍流。 显热和潜热的精确测量应抛开上述两个参数，而采用高响 应仪器测量！
长短波四分量 (难准确描述) (无法直接测量) 垂直湍流 水汽蒸发 假设下垫面均匀/为0
Q*
QF
QH
QE
QA
缩尺尺度外场实验
3721个模型 (61 ×61, 高度H=1.2m)
10米风杆>8H，可 测城市边界层结构
涡动系统(z=2.5H) 观测能量平衡
日本COSMO研究（Kanda, 2011）
缩尺城市：净净辐辐射射 + 人为热 = 建建筑筑储储热热 + 感感热热 + 潜潜热热 + 侧侧边边界界平平流流热热
共87第
7
太阳总入射辐射的城乡差异1
一般： 城市中太阳直接辐射小于乡村，为什么？
建筑物遮挡、大气透明度减小！ 城市中太阳散射辐射大于乡村，为什么？
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