1、城市的云量、日照和辐射,1、城市云量 2、城市的日照 3、城市的辐射 4、城市太阳总辐射特征 5、城市下垫面的反射率 6、城市地气长波辐射能的交换 7、城市的净辐射,主要内容,1. 城市云量,云,5,高云（5000m以上）,中云（2500-5000m）,低云（2500米以下）,云（cloud） 概念由漂浮在大气中的水滴、过冷水滴、冰晶或它们混合组成的可见悬浮体。 水滴或冰晶将阳光散射到各个方向，这就产生了云的外观。 云是高层大气中水汽凝结、凝华的产物，能反映当时的大气状况和作为判断天气的依据（云是天气的招牌）。,6,高云5km以上,中云2.55km,低云2.5km以下,根据云底高度划分,云的分
2、类：,根据云的形态划分,积状云,层状云,波状云,根据成因划分,锋面云,地形云,平流云,对流云,气旋云,7,世界云协会关于云的分类,8,9,云量,云量 cloud amount：指云遮蔽天空视野的成数。估计云量的地点必须能见全部天空，当天空部分地为障碍物如山、房屋等所遮蔽时，云量应从未被遮蔽的天空部分中估计；如果一部分天空为降水所遮蔽，这部分天空应作为被产生降水的云遮蔽来看待。,云量,云量观测包括总云量、低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总成数。 低云量是指天空被低云族的云所遮蔽的成数。 均记整数。,云量的记录方法：,a)全天无云，总云量记0； b)天空完全为云所遮蔽，记10； c)天
3、空完全为云所遮蔽，但只要从云隙中可见青天，则记10； d)云占全天十分之一，总云量记1；云占全天十分之二，总云量记2，其余依次类推； e)天空有少许云，其量不到天空的十分之零点五时，总云量记0。,城市 ？云量,城市的云量,根据大量观测事实和理论分析，城市有使云量增多的效应，尤其是对低云量的影响更大。,城市对云量的影响,城市上空的云量一般比郊区乡村多，特别是在夏 季，城市上空积云形成较多。城市化有使城市云量增多的效应，低云量的增加 更为明显；而且城市的阴天日数也比乡村要多。,城市云量,由于城市上空对流发展比较旺盛，且凝结核较多，因此，在市区上空常会形成对流云。有统计资料 表明，城区平均云量可比郊
4、区增加510%。市区 晴天日数减少，阴天、云天增多。,城市云量,城市云量,城市云量,城市云量,城市云量,城市化对北京地区日照时数和云量变化趋势的影响,利用年北京城区和郊区个台站的气候观测资料，采用趋势分析和累积距平的方法，研究了北京城区和郊区近年的日照时数、总云量及低云量的年际和四季变化趋势，并探讨了城市化进程对日照和云量变化的影响。,城市化对北京地区日照时数和云量变化趋势的影响,结果表明：城区的总云量和日照时数呈减少趋势，但低云量呈增加趋势；郊区的总云量和低云量呈增加趋势，而日照时数呈减少趋势；低云量与日照时数表现出明显负相关特征，这与北京城市化发展对区域气候的影响有密切的关系。,京津冀地区
5、气溶胶季节变化及与云量的关系,利用2000年3月2008年2月中分辨率成像光谱仪(MODIS)的卫星资料,分析了京津冀平原地区大气气溶胶光学厚度(AOD)和气溶胶细粒子组分比率(FMF)的时空分布特征.,结果表明:通过AOD与FMF的组合特征可判别气溶胶季节变化特征.冬、春季以粗粒子为主,但冬季AOD偏小,而在春季急剧增大;夏、秋季均以细粒子为主,但夏季AOD达到最大,秋季较小. 京津冀平原地区夏季AOD与云量(CF)呈正相关,AOD增加,特别是细粒子增加可能导致局地云量增多.,京津冀地区气溶胶季节变化及与云量的关系,导致市区云量特别是低云量比郊区多的原因：城市的热岛效应产生的热岛环流使市区内
6、 的上升气流加强，有利于云的形成。 城市空气中含有较多的凝结核，尽管绝对 湿度小，但吸湿性凝结核有利于云的形成。 城市的摩擦阻障作用使得锋面、切变线等 天气系统在市区的移动速度减慢，云层在市区 滞留时间加长；建筑物加大了空气的被迫抬升， 有利于云特别是低云的增加。,城市云量,2 城市的日照,日照（sunshine）,日照：描述太阳辐射强度的物理量。日照时数：某天某地实际上获得日照的小时数。可照时数：某天某地理论上应有的日照小时数。日照百分率=日照时数/可照时数100%,33,一、城市日照的特点城市中的日照相当复杂。与郊外相比，其差 异主要表现为：市内总日照时数和日照百分 率均小于郊区，城市内部
7、日照的地区性差异 远比平坦和开旷的郊区大。由于房屋的间距 和朝向不同，即使同一座楼房，日照时间可 以完全不同。,日照（sunshine）,1. 城市的日照,城市日照总时数和日照百分率小于乡村 （1） 大气污染物多,云雾多, 透明度小; （2） 热岛效应所引起的对流云经常出现,35,乌鲁木齐、昌吉、米泉的日照时数比较(h),东京年日照时数和日照百分率的变化,由此可见，城市日照时数比郊区少，而且 随时间推移在不断减小。,伦敦市区与郊区平均日照的比较(时数日),呼和浩特市近4 6年日照时 数变化特征及影响因素分析,利用呼和浩特市1961-2005年逐月日照时数以及与日照变化相关的总云量、低云量、烟雾
8、日数和浮尘日数等资料，采用数理统计方法，分析了呼和浩特市日照的变化及日照减少的可能影响因素。,呼和浩特市近4 6年日照时 数变化特征及影响因素分析,结果表明：呼和浩特市日照时数近46年减少了377小时，减少趋势非常明显，并呈阶段性变化；1989年之前为日照时数偏多期，从1987年日照时数开始减少，在90年代之后下降趋势明显加快。这与20世纪90年代之后低云量、总云量和雾日数增加的增加趋势相一致。说明9O年代后期低云量、总云量和雾日数的增加，是导致呼和浩特市日照减少的主要原因。,太阳光是天然的光源，也是地球上最主要的能源。阳光里的紫外线有杀菌抗病的能力。例如那些威胁很大的白色葡萄球菌和甲型链球菌
9、。它们都是引起人体上呼吸道感染的病毒菌。另外，阳光对结核杆菌，伤寒菌等都有杀菌的功能。阳光的照射还可以防止佝偻病的发生，给人类健康带来很大的好处，所以有“谁家阳光多，没有病人乐呵呵”的谚语。,日照（sunshine）,城市的光照条件和太阳辐射状况是当前城市气象的重要研究内容之一。近年来城市中高层建筑的不断增加和居民法律意识的提高，各地不断出现“阳光权”纠纷，从而使城市中的光照条件得到人们的普遍关注。,日照（sunshine）,城市日照时数一般比乡村少，与空气污染关 系密切。在城市内部，日照时数的局地差异很大。在 城市覆盖层内，由于建筑物的相互遮蔽的影 响，差别很大；而且这种差别还与季节、地 理
10、纬度、城市街道走向及其相对宽度有关。,日照（sunshine）,建筑对日照的要求： 主要依据建筑的不同使用性质而定, 需要争取日照的建筑：病房、幼儿活动室和农用日光室等，它们对日照各有特殊要求。 需要避免日照的建筑有两类：一类是防止室内过热；另一类是避免眩光和防止化学作用的建筑，如展览室、阅览室、精密仪器车间，以及某些工厂，实验室，药品车间等。,45,日照（sunshine）,建筑日照设计的要求:,应考虑日照时间、面积及其变化范围，以保证必需的日照或避免阳光过量射入以防室内过热。要相应地采取建筑措施，正确选择房屋的朝向、间距和布局形式，做好窗口的遮阳处理，且综合考虑地区气候特点，房间的自然通风
11、及节约用地等因素而防止片面性。,46,日照（sunshine）, 日照与城市总体布局,建筑物被遮挡的阳光不仅与建筑物高度有关，还与建筑物的长度、方位以及朝向有关，建筑日照环境中的日照时间不同于气象上的日照时数，它是指建筑物相互遮挡而不考虑天气状况，也不是一年，一月或一日的累计时间，而是在某地点要求可能得到的日照时间，必须确定一哪一天作为日照时间的标准日，并且日照时间最少要求多少小时。,建筑日照时间的标准日，是考察最不利的情况，即冬至左右，这时太阳高度角在一年中最低，只要这一天能达到建筑日照时间的要求，其它所有时间都能满足要求。但若以冬至为标准日，则要求建筑间距太大，而且使文化，卫生，商业等的服
12、务半径增大，各国大都不以冬至日作为标准，如英国70年代初规定的标准日为每年的3月1日。1986年北京城市规划管理局进行大量的工作，认为北京居住建筑采用大寒日为日照时间的标准日，日照2小时的间距系数为设计依据是合理的（对佝偻病降低有明显作用，起到促进机体免疫力的作用）。,日照（sunshine）,北京日照时间和间距系数,建筑间距系数：指遮挡阳光的建筑与被遮挡阳光的建筑的间距为遮挡阳光的建筑高度的倍数。,在建筑群体间安排缺口，不仅有利于内外交通联系，有利于小区内部通风，而且还可以大大的改善日照时间。有人研究得出，一南北平行布置的两幢住宅，若其间距系数较小，且建筑物长度又很大，则后排住宅层有些冬至前
13、后会全天都见不到太阳光。如图，若在中间打开一个缺口15米宽的缺口，则后排建筑物前正面90米面宽内的日照可得到改善。,建筑物布局形式对日照的影响,南北平行两幢住宅日照示意,两幢楼间日照轨迹,高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深，增加电梯服务户数，减少交通面等优点，而且充分保证采光日照条件下，可以大大缩小建筑物间距系数，以达到节约用地的目的。,如：北京20层60米高塔楼，南北楼间排列距离30米，其间距系数仅0.5，冬至日后排每日仍有5h的日照。,日照（sunshine）,偏东南或偏西南平行布置的居住建筑较正南北向布置的居住建筑有利于日照。如北京正南北向的建筑，在冬至日后排见不到阳光，若将正南北朝向
14、的建筑扭转30 时，可得到日照时间约5h。这样又造成夏季的东西日晒之弊，但在东半年却能适当改善日照条件。这适合高纬度地区，它可使冬季得到更多的日照。,日照（sunshine）,城市街道中日照的长短不仅随纬度而变，还与街道中的可照时间及当地的云量等有关；而在一定纬度上，街道中的可照时间又决定于街道的走向和相对宽度L/H。例如，按照我国的卫生标准，则街道相对宽度在纬度30处是L/H1.36，在纬度45处L/H2.56，即纬度愈高，所需街道相对宽度愈大。,日照（sunshine）,城市中的街道走向不同，房屋朝向不同，其可照时间亦不同。各种不同走向的街道在冬至日和夏至日的最长可照时间差异很大。如果相对
15、宽度取L/H=1.8，则冬至日街道中的最多可照时间如图2.1所示。,日照（sunshine）,可照时数随地理纬度、太阳赤纬、楼房高度、房屋朝向、街道走向、间距等变化对于不同走向的街道，以东西向日照条件最好，南北向最差。,日照（sunshine）,一般来说，北半球随着纬度的增大日照时数逐渐 减少；但在低纬度(小于23.5)地区的夏至日前后， H/L1.0时，高纬度地区日照时数反而比低纬度 地区大，与夏至日的太阳视轨道有关。,日照（sunshine）,在夏半年，绝大多数情况下，东西走向街道的可照时 数都要比南北向多，并且差别相当显著。从理论上说，在夏半年由于日出方位偏北，所以在东西向街道中，南侧和
16、北侧房屋将分别对街道中的测点产生遮蔽作用。,日照（sunshine）,思考题,城市云量与郊区比有何特点？原因是什么？ 日照时数的定义如何？ 什么是建筑间距系数？ 城市日照与郊区比有何特点？原因是什么？ 城市中影响可照时数的因素有哪些？,气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围大约在0.15120m之间。其中：太阳辐射波长0.154 m ，习惯称短波辐射，地面、大气间（简称地气系统）物质（辐射）能量交换波长3120 m ， 习惯称长波辐射。 在气象学中，通常以焦耳(J)作为辐射能的单位。,62,不同电磁波的具体波长范围,可见光波长范围,太阳辐射光谱中几个重要波段,A,B,C,A
17、紫外区，B可见光，C红外区,64,城市对太阳辐射的影响,？,城市太阳总辐射特征,什么是辐射？自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停地向外传送能量，这种传递能量的方式称为辐射。以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称为辐射。辐射能是以电磁波的方式传输的。太阳辐射：太阳发射及传播的能量主要集中在短于4m波长范围内的辐射。,66,气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围大约在0.15120m之间。其中：太阳辐射波长0.154 m ，习惯称短波辐射，地面、大气间（简称地气系统）物质（辐射）能量交换波长3120 m ， 习惯称长波辐射。 在气象学中，通常以焦耳(J)作为辐射能
18、的单位。,67,城市太阳总辐射特征,太阳辐射光谱,定义:,太阳辐射能随波长的分布曲线。,大气上界的太阳辐射光谱,图中：实线是大气上界的太阳辐射光谱； 虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。,A,B,C,A紫外区，B可见光，C红外区,68,城市太阳总辐射特征,太阳常数：在大气上界，垂直于太阳光线的一平方厘米的面积，一分钟内获得的太阳辐射能量，称太阳常数。多次卫星测得：1367 (7)W m2世界气象组织采用： 1367 W m2太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度）单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。单位：W m2,69,城市太阳总辐射特征,太阳常数周期性变化： 可能与太阳黑子的活动周期有
19、关。,太阳黑子,70,71,辐射的规律,(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。 (2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。 (3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。 (4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。,太阳辐射在大气中的减弱 表现形式：1.大气对太阳辐射的吸收2. 大气对太阳辐射的散射3. 大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射,72,1.大气对太阳辐射的吸收： 太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射能的特性。大气中吸收太阳辐射的成分主要有
20、水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。 太阳辐射被大气吸收后变成了热能，因而使太阳辐射减弱。,73,吸收作用,氧、臭氧、水汽、CO2 和固体杂质,主要的吸收成分,各成分的吸收波段,74,大气对太阳辐射的吸收作用,臭氧大量吸收紫外线,二氧化碳、水汽吸收红外线,（选择特性）,（大气对太阳辐射中能量最强的可见光吸收得很少，大部分可见光能够透过大气到地面）,氧原子吸收部分紫外线,75,结论： 大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。 由于大气中主要吸收物质(臭氧和水汽)对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而吸收对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说
21、，大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。,76,2.大气对太阳辐射的散射：,太阳辐射通过大气遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。 但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射的方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。因而经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。,77,散射作用,散射,当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。,分类,由入射辐射波长 与散射质点的相对大小r，将散射分为分子散射（蕾利散射）、米散射和漫射。,r 时，分子散射。,r 时，米散射。,r 时，漫射。,7
22、8,雷利分子散射定律,当大气中粒子的直径比波长小得多的时候，散射强度与入射光波长的四次方成反比。即：,定律,意义,入射光波长愈短，散射能力愈强。,79,为什么晴朗的天空呈现青蓝色？,80,为什么傍晚的夕阳偏橘红色？,81,米氏散射,当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。,米氏散射值与入射光波长的二次方成反比。即：,散射在光线前进方向比后方向更强，方向性比较明显。 云雾的粒子大小与红外线（0.7615m）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。,82,漫射,当大气中粒子的直径比波长大得多的时候，入射光的各种波长具有同等散射能力，散射强度不再随波长改变，称之为漫射。,为什么云雾
23、呈白色？,83,3.大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射： 大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中一部分能量反射到宇宙空间去。其中云的反射作用最为显著，主要发生在云层的顶部。 云的反射能力随云状和云的厚度而有很大的不同，高云反射率约为25，中云为50，低云为65，稀薄的云层也可反射1020。随着云层增厚反射增强，厚云层反射可达90，一般情况下云的平均反射率为5055。,84,在上述三种方式中，以反射作用最为重要，散射作用次之，吸收作用最小。 以全球平均状况而言，太阳辐射约有30因反射和散射回宇宙空间，20被大气直接吸收，50到达地面。,85,到达地面的太阳辐射,到达地面的太阳辐射有两部分：一是太
24、阳以平行光线的形式直接投射到地面上的，称为太阳直接辐射；一是经过散射后自天空投射到地面的，称为散射辐射，两者之和称为总辐射。,86,城市太阳总辐射特征,城市中太阳总辐射比郊区弱，特别是太阳直接辐射和紫外辐射削弱更多。由于城市下垫面和人类活动的影响，城市中太阳辐射的时空变化比郊区复杂。太阳总辐射的强弱与许多因子有关，其中最主要的是太阳高度角、大气透明度和下垫面反照率。,太阳高度角太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化。,大气透明度 光在铅直方向由大气外界传播至某一高度的过程中, 透过的光强占入射光强的比率。下垫面反照率 地球下
25、垫面反射的太阳辐射与入射到下垫面上的总太阳辐射之比。,城市太阳总辐射特征,原因：城市中由于空气污染，低云量多，空气混浊度大，太阳辐射的透射率降低，到达城市下垫面的太阳直接辐射减弱程度很大。城市大气混浊度大，由于云滴和颗粒状污染物的作用，又会使到达下垫面的散射辐射比乡村大。虽然散射辐射的增加和直接辐射的减少相互补偿，但散射辐射的增加量不能抵消直接辐射的减少量。因此，到达城市下垫面的太阳总辐射量比乡村少。,城市太阳总辐射特征,周淑贞等对上海19581985年28年地面实测太阳辐射资料进行了分析，得出太阳辐射可分三个时段。第一时段(19581970年)太阳直接辐射最大，到了第二时段(19711980
26、年)太阳直接辐射比第一时段约减少15.3，而第三时段(19811985)又比第二时段减少16.9。,散射辐射与直接辐射相反，三个时段中是不断增加的；第二时段比第一时段增加了2.2，第三时段又比第二时段增加了9.3。而总辐射则又是逐时段减少的，其递减速度要比直接辐射为小，即第二时段比第一时段减小了7.1，第三时段比第二时段减小了3.3；这说明总辐射的时间变化以直接辐射的变化为主，晴天总辐射量中一般直接辐射量大于散射辐射量。,城市太阳总辐射特征,由于城市太阳辐射在减少，所以城区和郊区太阳辐射也有差异，上海市区龙华的直接辐射为66.64W/m2，与周围四个近郊站(宝山、嘉定，川沙，上海县)的平均值(
27、75.19W/m2)相比少8.55W/m2。按百分比计算要少11.4。龙华站的散射辐射为全地区最大，与四个站的平均值相比要多2.49W/m2，即多3.3；相反，总辐射龙华全地区最小，与近郊四个站的平均值比较要少6.08W/m2，少40。,城市太阳总辐射特征,利用沈阳站19581978年21年冬季(122月)晴天中午的资料，统计分析表明，太阳辐射变化趋势在减弱，大致上总辐射量平均每年减弱2.8。杭州19711980年太阳总辐射城区平均比郊区少8.6，散射辐射城区比郊区少1.8，直接辐射少15。,城市太阳总辐射特征,南京由于城市发展，空气中的烟尘、废气等逐年增多。特别是从1974年以后，大气透明度
28、迅速下降，平均每年下降0.0083；太阳直接辐射量1983年比1974年减少了139.57W/m2，减弱了24.9%。南京大学大气科学系1984年4月作城市气候考察时，曾在安徽黄山、南京大厂镇、空军气象学院和南京大学设置了四个测站，观测辐射收支各分量和大气透明度、混浊度，结果列于表2.14；其中PZ为大气透明度，TW为空气混浊度。,城市太阳总辐射特征,城市太阳总辐射特征,可见，安徽黄山的太阳直接辐射通量最大，空军气象学院其次，南京大厂镇最少。这是因为大厂镇是工业区，污染物排放量最大，大气透明度小，混浊度高，所以辐射到达量明显减少。空军气象学院在南京郊区，相对于市中心的南京大学来说大气透明度好一
29、些，因此直接辐射强度比南京大学高。,城市太阳总辐射特征,城市太阳总辐射特征,表2.15列出了沈阳19581978年共21年冬季(12月2月)晴天中午的太阳辐射资料。可见，太阳辐射各分量的到达量逐年变化，除了天气气候原因以外，还有工业生产迅速发展造成空气污染方面的原因。例如1958 1962年，是国家三年困难时期，太阳直接辐射S有增加趋势，而散射辐射D有下降的趋势；19631964年相反，特别是1968年以后直接辐射和总辐射都有明显下降的趋势。,城市太阳总辐射特征,城市中的太阳辐射和日照条件受城市空气污染的影响最为明显。空气污染的结果使大气混浊度增加，于是使到达城市地面的太阳总辐射大大减少。市区
30、空气污染对于直接辐射的影响大小，与太阳光线在污染空气中传播的“路程”长短有关，当太阳高度角比较低时，光线在污染空气中经过的“路程”长，消弱就更多。所以，空气污染对直接辐射的削弱以冬季和每日的早晚时刻最为显著。,城市太阳总辐射特征,城市中的散射辐射变化不如直接辐射明显，而且各地的观测结果也不一致。这主要与城市空气污染状况(污染物质)不同有关，也就是说与城市上空微粒、灰尘等的谱分布特征有关。例如，有的城市将重工业区规划建设在郊区，而市中心主要为轻工业和商业部门，这就会出现散射辐射郊区大于城市的情况。所以，具体城市应进行具体分析，不能一概而论。,城市太阳总辐射特征,城市中如果采取有效措施，减轻大气污
31、染，改善大气环境，城市所获得的太阳总辐射也可以有所增加，使城市和郊区的总辐射差异缩小。例如，英国、美国通过实施对污染物控制排放措施以后，大气环境已有显著改善，城市和郊区太阳总辐射差值明显减小。可见，只要改善城市大气环境，减低空气污染浓度，城郊之间太阳总辐射的差距是可以缩小的。,城市太阳总辐射特征,城市太阳辐射的波长变化,太阳辐射在大气中传播时，其透射率与波长有关；太阳光中的光波波长愈短愈容易被散射。在太阳辐射光谱中红外线和红色光波透射率最大，橙黄光次之，紫光和紫外线透射率最小。城市大气中颗粒污染物和气体污染物比郊区多，太阳辐射穿过城市上空的大气后到达地面其波长发生了变化；短波部分因极易被散射而
32、比例减少，长波部分因散射作用而比例增加。,为了对比城市和郊区太阳辐射减弱的情况，通常采取在城市和郊区同时进行太阳总辐射和紫外辐射等的分光观测，以城区辐照度占郊区辐照度的百分比来表示，称为比辐照度。,城市太阳辐射的波长变化,上表为法国巴黎城市内外总辐射光谱成分的百分比。可见，巴黎城区和郊区太阳总辐射中不同波长的光波波段所占的比例大不相同；即波长愈短所占比例愈小，而波长愈长所占比例愈大。,上表为南京大学大气科学系分别在南京和黄山的分光观测结果。南京市中心从紫外到红外光谱区的透明度都比黄山小，且随着太阳辐射波长增加，大气透明度有增大的趋势。城市中到达的紫外辐射量减少，将影响城市居民健康。紫外辐射减少
33、状况由大气透明度和太阳高度角决定，空气的混浊度大，太阳高度角越低，减少越厉害。市区对于紫外辐射的削弱非常明显。,城市太阳辐射的波长变化,城市中短波紫外辐射的衰减情况，因太阳高度角和大气透明度程度而异。城市大气透明度状况愈差，紫外辐射的减弱愈显著。各城市紫外辐射减弱的具体情况，则视这两个因子的综合效应而定。城市中因大气污染，大气透明度差，紫外辐射的削弱比较突出，所以城市太阳总辐射中短波辐射所占比例就比郊区更少。,城市太阳辐射的波长变化,思考题,1、太阳辐射在大气中减弱的表现形式有哪些？ 2、什么是太阳辐射？ 3、城市对太阳总辐射的影响特征及其原因？ 4、影响太阳总辐射的因子有哪些？ 5、城市对太
34、阳辐射光谱成分的百分比的影响？,城市太阳辐射的时空变化,季节变化,全年夏季最大，冬季最小。,纬度愈低，总辐射愈大; 反之就愈小。 最大值在20 N20 S赤道带附近, 气候上称该纬度为热赤道。,总辐射,纬度变化,112,我国年总辐射值大小，受地形、天气气候不同影响，呈非规律分布。 西藏（藏北高原、柴达木等地）最高 212252Wm2 青海、新疆、内蒙、黄河流域(西北、华北)次之 159.2212.3W m2 长江流域和大部分华南地区 119.4159.2W m2 四川盆地最少,113,114,115,116,城市中太阳辐射的时空变化,城市中人类活动(工业生产、交通运输等)而引起空气污染的周期性
35、和非周期性变化，使得到达城区地表的太阳总辐射的时间变化比郊区更加复杂。就日变化来说，城区总辐射的削弱以白天1215时为最大；就季节变化而言，因城区云量和污染物浓度的季节变化而各不相同。,特别是由于人为因素的影响，城市中太阳辐射还有以一周时间为周期的周变化。研究结果表明，在周末两天，总辐射和紫外辐射的城郊比值明显高于星期一至星期五。城市中因发展阶段不同，大气污染浓度随时间的变化，致使城市太阳总辐射具有明显的年际变化。乡村郊区太阳总辐射的年际变化，主要受自然因素的影响，一般人为因素的作用较小。,城市中太阳辐射的时空变化,城市内部太阳总辐射的分布差异也十分显著，这与多种因素有关。首先，由于城市各区功
36、能不同，局地大气污染浓度不一；在污染浓度大的工业区，地面所获得的太阳总辐射量必然减少。另外，城市内部太阳总辐射的差异与风向的关系密切，当风由城市工业区吹来而风速又不大时，其下风方向大气污染物浓度增大，太阳总辐射减小；相反，当风向由郊区吹向城市工业区时，城区大气透明度有所改善，太阳总辐射量则增大。,城市中太阳辐射的时空变化,此外，城市内建筑物密度大，在各种不同走向、不同相对宽度的街道中，因房屋的遮挡，其实际照射到太阳直接辐射的时间受到不同程度的限制，加上城市内风速、风向的局地差异很大，使得在静风区污染物不易扩散，从而太阳总辐射显著减弱；而在通风良好的市民广场，情况相反，污染物浓度小，太阳总辐射较
37、强。这些因素使得城市内部太阳总辐射的时空变化比开旷郊区要复杂得多。,城市中太阳辐射的时空变化,城市下垫面的反射率,地面对太阳辐射的反射,概念表示物体反射辐射情况。一般用反射（照）率表示。 反射辐射（Qr）与总辐射（Q0）之比称为反射率（r），单位：。 表达式：r Qr Q0 100 反射率愈大，地表吸收的辐射热能愈少，地表温度愈低；反之则愈高。 地表状况不同决定着反照（射）率值的大小，它又是决定地表温度分布不均一的重要原因之一。,122,深色土壤小于浅色土壤。,潮湿土壤小于干燥土壤。,新雪表面大于陈雪表面。,123,不同性质下垫面的反射率,由此可见，即使总辐射的强度一样，不同性质的地表真正得到
38、的太阳辐射仍有很大差异，这也是导致地表温度分布不均匀的重要原因之一。,124,城市下垫面的反射率,城市下垫面反射率小，冬季更是如此。反射率小意味着吸收率高。原因：,（1）城区绿地面积比郊区少。 （2）城市由于建筑物密度大，形成一个立体下垫面。,127,城市建筑物排列特征对城市下垫面的反射率也有影响。由于城市的街谷影响，直接辐射到达后发生多次反射而使反射率减小；而且这种减小与街道相对宽度L/H的大小有关。建筑物之间的相对宽度越小，被反射的次数越多，反射率减小越厉害。城市街道走向不同，反射率减小的程度也不相同。此外，城市地表反射率还随太阳高度角的变化而变化。,影响城市辐射收支的因子,城市地-气长波
39、辐射能的交换,地面辐射,太阳辐射虽然是地球上的主要能源，但因为大气本身对太阳辐射直接吸收很少，而水、陆、植被等地球表面(又称下垫面)却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，从这个意义来说，下垫面是大气的直接能源，即地面的长波辐射才是大气的直接能源。,132,地面辐射：地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式称为地面辐射。 地面长波辐射：由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在130微米之间，其最大辐射的平均波长为10微米，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长
40、波辐射。,下垫面温度测定,城市下垫面温度的测量比较困难。气象台站观测的地面温度，在城市气象研究中，并不能代表城市各种类型表面的温度特征。目前最有效的确定方法是利用红外遥感测温仪器，安装在飞机或人造卫星上，取得热红外遥感资料，经过加工处理，换算出各种类型下垫面的温度。这种方法所确定的温度资料，具有时间上的同步性，测点位置密集，测量区域广阔，并能与景观相结合等优点。,D.Lorenz首先利用直升飞机进行不同类型下垫面的温度观测。结果表明，白天阳光照射下的水面、森林和农田等表面温度较低，而居民点、人工铺设的地面如飞机场跑道、路面等温度则高得多。A.Kessler和H.E.Landsberg等分别在德
41、国的波恩和美国马里兰州的哥伦比亚城作过类似的观测。,下垫面温度测定,P.K.Rao在1972年首先应用TIROS卫星红外辐射遥感资料，分析美国纽约巴尔的摩华盛顿这一城市地带的下垫面温度。此后，T.N.Carison、M.Matson等应用NOAA-3、NOAA-5卫星红外辐射遥感图象资料，研究落杉矶以及美国中西部、东北部的城市及郊区下垫面温度，发现早晨城市最高下垫面温度出现在工业区，夜晚最高下垫面温度出现在商业区和人口密集的住宅区。,下垫面温度测定,R.C.Balling等(1988)应用NOAA-9卫星搭载的AVHRR 资料分析美国菲尼克斯(Pheenix)下垫面亮度温度(又称视温度)，并经
42、过处理换算成下垫面温度。我国学者利用AVHRR资料对北京、天津、上海、武汉、沈阳、西安等城市的下垫面温度的研究结果表明，城区建筑物密度密集区、工业区和商业区的下垫面亮度温度都明显高于郊区。,下垫面温度测定,大气逆辐射 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称为大气逆辐射。大气逆辐射与大气保温效应 大气的保温效应（花房效应、温室效应）：由于大气逆辐射的存在，使地面实际损失的能量比它以长波辐射的能量要少一些，这种现象就叫大气的保温效应。,140,大气效应作用在于大气对太阳短波辐射几乎是透明体，而对地面长波辐射是隔热层，大气把地面辐射放出的热量绝大部分截
43、留在大气中，并通过大气逆辐射又将热量还给地面。,城市下垫面的热辐射和大气逆辐射,下垫面既能不断吸收太阳短波辐射，获得能量，同时又能不断放出长波辐射而失去能量。下垫面放出热辐射的主要部分被大气所吸收，同时大气本身也放出长波辐射。,地表有效辐射量的大小反映了下垫面因长波辐射交换而失去的热量的多少，它取决于表面温度和大气逆辐射；而大气逆辐射又取决于大气温度、大气中的水汽以及其他物理量的含量。,城市下垫面的热辐射和大气逆辐射,地面有效辐射地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差称为地面有效辐射，以F0表示。,145,大气逆辐射,大气对来自地面的长波辐射的吸收能力很强，特别是城市空气中CO2含量比郊区大
44、，而CO2对地面长波辐射中波长为1317 m谱区具有强烈的吸收作用，这是城市中空气温度高于郊区气温的重要原因之一。城区的气温高，其大气逆辐射必然大于郊区。城市大气逆辐射日变化的最大值一般出现在白天的午后。,城市的净辐射,城市空气污染严重，大气混浊度大，使得城市中大气逆辐射增加；城市中的沥青或水泥路面，吸收太阳辐射较多，使得城区地面温度一般比乡村高，地面放射的长波热辐射也大。城市建筑物相互交错，空气不易流动，阻碍了地面热辐射向外放出，结果是城区有效辐射比乡村小。总之，城市上空大气逆辐射增加，地面损失的热辐射减少，因此净损失的长波辐射减少，从而弥补了一部分短波辐射的损失，以致于城乡之间净辐射差异不
45、像总辐射那样大。,影响城市辐射收支的因子,引起城郊之间净辐射差异的因素是：到达地表的总辐射差异 下垫面反射率的差异 地表有效辐射(表面温度)的差异。,城市空气的透明度是影响城市辐射收支的重要因子。对于污染严重的城市，大气混浊度大，透明度小，减弱了太阳直接辐射到达量；尽管污染物有使城市中散射辐射增加的作用，但其增加量远小于直接辐射的减小量；所以，城郊之间总辐射差值为负。城市空气污染使大气逆辐射增加，减小地面长波辐射，结果导致城市有效辐射小于郊区，即城郊有效辐射差值亦为负。,影响城市辐射收支的因子,思考题,1、影响城市中太阳辐射的时空变化的因素有哪些？ 2、城市下垫面的反射率的特点及其原因。 3、什么是地面长波辐射？什么是大气逆辐射？ 4、什么是大气保温效应？ 5、引起城郊之间净辐射差异的因素有哪些？,2.2 大气的热力过程,（1）太阳、地面和大气辐射 （2）气温的垂直变化 （3）大气稳定度 （4）逆温,154,能见度,能见度：视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位：m 、 km,155,（09级，相应距离为5050000米）。 能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。,
