1、城市环境气象学,课程介绍,参考书：,周淑贞等,城市气候学, 气象出版社, 1994 周淑贞等,气象学与气候学, 高等教育出版社, 1997 徐祥德等城市环境气象学引论（第一版）北京：气象出版社，2002,课程介绍,课程目标：,掌握城市各气象要素与周围郊区相应要素特征的差异； 明确城市气候产生的原因； 掌握城市气象各要素特征对人类生活有利和不利的影响； 了解如何改善城市气候环境的方法和途径。,课程介绍,主要内容,绪论 城市大气 城市日照与辐射 城市热量平衡与水分平衡 城市热岛 城市风场 城市湿度、雾与水平能见度 城市云与降水,第一章 绪论,1.城市发展面临的环境恶化问题 2.城市气象学的概念 3
2、.城市气象特点、成因、研究对象和任务 4.城市气象学的发展简史和新动向 5.城市气象学研究方法,为什么要学习城市环境气学？,1.1城市发展面临的环境恶化问题,对城市气候有哪些直观感觉？ （1）空气混浊、多烟多尘土紫陌红尘扑面来-唐代刘禹锡用来形容长安街市繁华，飞尘扑面 （2）城市多雾：重庆、伦敦“蜀犬吠日，吠所怪也”重庆冬季多浓雾蔽天，偶逢日出，犬都因奇怪而吠叫。 （3）城郊温差大, （1）人口问题 （2）空气污染加剧 （3）水污染严重和水资源短缺 （4）城市绿地覆盖率低 （5）城市基础设施建设欠帐多，排水设施落后 （6）大量耕地被占用 （7）城市通风廊道欠缺，热岛效应严重,1.1城市发展面临
3、的环境恶化问题,1.1城市发展面临的环境恶化问题,1.1.2空气污染加剧长期以来，我国的能源结构以煤为主，产生了大量的烟尘、二氧化硫等污染物，导致严重的煤烟型大气污染；迅速的城市化伴随机动车保有量的快速增长，在一些大、中城市出现了严重的机动车尾气污染，形式严峻。,大气污染,城市汽车废气,霾,由于我国城市机动车辆的迅速增长，城市空气污染正由煤烟型污染向煤烟与机动车混合型污染转变，一些大中城市频繁出现灰霾天气。机动车污染导致大中城市频繁出现灰霾天气。,北京市通州区梨园地区某小区外的一片空地,每天都有数辆次机动三轮车前来倾倒垃圾,而每隔三两天便会就地焚烧一次,伴随着浓烟的是刺鼻的气味。, 1、气候变
4、暖由大气中二氧化碳浓度升高引发的温室效应，是对全球气候的最主要影响。 2、平流层臭氧层变薄高层大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氟氯烃类等污染物使臭氧大量分解，引发的“臭氧洞”问题，成为了全球关注的焦点。 3、陆地和海洋生物受到污染 4、产生酸雨,大气污染产生的后果,酸雨,定义被大气中存在的酸性气体污染，PH5.6的雨水称为酸雨 主要由煤、石油和天然气等化石燃料燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，经过复杂的大气化学反应,被雨水吸收溶解而成。,酸雨的分布全球有三大块酸雨地区：西欧, 北美和东南亚。我国长江以南也存在连片的酸雨区域。,酸雨的危害 森林退化，湖泊酸化，鱼类死亡，水生生物种群减少，农田
5、土壤酸化、贫脊，有毒重金属污染增强，粮食、蔬菜、瓜果大面积减产，使建筑物和桥梁损坏，文物面目皆非,1.1城市发展面临的环境恶化问题,1.1.3水污染严重和水资源短缺水资源短缺和水污染问题将成为我国城市在21世纪面临的最紧迫的环境问题。水污染严重城市水污染主要由工厂排水和城市居民生活污水造成的，目前我国每日排放的废污水量约1亿多吨，这些污水有80%未经处理直接排入水域，造成全国1/3以上河段受到污染；同时90%以上城市水域污染严重。,2000年时，乌鲁木齐柴窝堡湖还是水泊荡漾,近年来，乌鲁木齐柴窝堡湖水位下降明显，不少水域裸露出来。,北京市昌平区小汤山镇官牛坊 ， 这座垃圾场就在一条小河的边上，
6、河水不可避免地遭受到垃圾的污染。,1.1城市发展面临的环境恶化问题,1.1.4天然植被减少，城市绿地覆盖率低城市绿地对城市生态环境系统内的物质循环具有十分重要的意义。但由于城市发展建设，自然环境中的植被被不断破坏，代之以稠密的人口、建筑物，城市绿地的多种环境功能正在逐步丧失，已经成为尖锐的环境问题。,1.1城市发展面临的环境恶化问题,1.1.5城市基础设施建设缺失，排水设施落后。首先，我国目前有50%城市没有排水管网，城市污水处理率仅为5%左右。,1.1城市发展面临的环境恶化问题,1.1.6 大量耕地被占用1.1.7 城市通风廊道没有，热岛效应严重污染的气体不能及时排掉，热量散发缓慢，造成热岛
7、效应。,城市热岛,热岛效应及其防治,“热岛效应” 是指城市气温比周围地区高的现象，即气温以城市为中心向郊区递减。如果将高温区用红色描出，低温区用蓝色描出，城市就象汪洋大海中的孤岛，气象学上把这种现象称之为城市“热岛效应”。 “热岛效应” 形成原因：城市工业的高度集中城市人口密集,“热岛效应”能引发人类许多疾病。如消化系统疾病、神经系统损害、忧郁症及呼吸道疾病、皮肤病等。 防止和减轻“热岛效应”的方法：把建筑物表面涂上白色或换上浅颜色的材料，以减少吸收太阳辐射；在路边、花园和屋顶种花栽树，可使城市温度下降；将分散的热源集中控制，提高工业热源和能源的利用率，减少热量散失和释放。,什么是城市气象？,
8、1.城市气象学的概念,城市气象学,城市学,环境科学,气象学,1.城市气象学的概念,1.1 城市学和环境科学的概念 1.2 有关气象学的概念 1.3 城市气象,城市学,城市，具有一定人口规模、以非农业人口为主的居民点。城市学，以城市总体为研究对象，探讨城市建设和发展中的各种宏观的、综合的战略问题的学科。,环境科学,研究人类生存的环境质量及其保护与改善的科学。环境科学研究的环境，是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。,气象学,定义： 气象学是把大气当作研究的客体，从定性和定量两方面来说明大气特征的学科，集中研究大气的天气情况和变化规律和对天气的预
9、报。,1.1 有关气象学的概念,天气与气候,天气的概念：,指一个地区短时间内大气 的具体状态。,例如：三亚市某日的最高气温30C，最低气温20C ，午后有雷阵雨，这些都属于天气现象。,气候的概念：,指一个地方多年的天气平均状况。,例如：在中国，东部地区7月较为闷热；北方地区1月和2月多严寒天气；某市年平均气温为25C，昆明四季如春，这些都属于气候现象。,气候学（climatology）,概念：某地气候在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动长时间的相互作用下，某时段内（一般指30年以上）大量天气过程的综合。,四个基本特征： （1）气候和天气关系密切，却是既有联系又有区别的二个不同概念。 天气
10、（weather）概念某地区，在某短时间内气象要素（气温、气压、湿度等）和天气现象（云、雨、雾等）的综合。微观 （2）气候是长期天气状况的综合。 天气过程短期过程。 天气特征瞬息万变的不稳定特性。 气候过程长期天气过程。 气候特征相对稳定特性。,（3）气候具有显著的区域性 外地气候规律不能完全适合于本地，而本地气候规律必须据本地气候资料并结合本地的地理环境来进行探索。 （4）气候虽具一定稳定性，但仍有变化 如：南京春末初夏出现常规梅雨气侯，但有些年份 则出现无雨的空梅或雨量过多的梅雨现象。,气候的形成和变化,形成因子：A、太阳辐射大气运动最根本的能源。B、地面状况大气直接的热源和水源。C、大气
11、环流双重性质。D、人类活动释放能量、改变地表特性。,太阳辐射,大气环流,气候,地面状况,人类活动,1.2 城市气象,城市气象的概念：,在区域气候背景下，经过城市化后，在大城市的特殊下垫面和城市中人类活动的影响下形成的一种局地气候。,思考题,1. 城市发展面临的环境恶化问题。 2. 大气污染产生的后果。 3. 什么是酸雨？ 4. 环境科学研究的环境包括哪些？ 5. 什么是城市气象？,1.3 城市气象的特点、成因、研究对象和任务,城市与郊区气象差异的比较,城市气象的特点,浑浊岛 热岛 干岛 湿岛 雨岛,城市气象 主要特征,城市气象的特点,城市气象的特点,马斯河谷事件,1930年12月的某天，比利时
12、缪斯河谷地区数百位居民突然病倒，其中60人死亡。,多诺拉事件,1948年10月末，美国1.4万人的工业小镇多诺拉一下子有6000多人患病，17人死亡。,伦敦烟雾事件,1952年12月5-8日，大雾笼罩伦敦城，死亡4000多人。两个月后，又有陆续8000人丧生。,城市气象的特点,美国洛杉矶光化学烟油事件（光化学反应形成二次污染物）洛杉矶是美国的工业城市，1952年洛杉矶有250多万辆汽车，这些汽车排放大量的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳。由于阳光强烈，汽车排放的尾气引起以臭氧为主的光化学烟雾，使数百人死亡，植物大面积受害。日本四日市事件（大气污染）1955年日本四日市建成第一座炼油厂，1961年
13、因当地工厂废气排放，造成哮喘病大流行，到1972年为止，患者达6000多人。,大气污染产生的后果,大气污染的后果能有多严重？ 外星人被熏掉下来了,城市气象的特点,大气污染产生的后果,大气污染的后果能有多严重？ 骑扫帚飞的巫婆被熏掉下来了,城市气象的特点,大气污染产生的后果,大气污染的后果能有多严重？ 丘比特都被熏掉下来了,城市气象的特点,城市热岛,城市气象的特点,广州市热岛分布图,利用实测气象数据进行北京市热岛分布研究效果图,城市气象的特点,城市气候的成因,城市化的特点非农业人口高度聚居的区域 高强度的经济活动地区 具有特殊性质的下垫面,下垫面 ( underlying surface)是指与
14、大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。它包括地形、地质、土壤和植被等，是影响气候的重要因素之一。,具有特殊性质的下垫面人工建筑物高度集中，以水泥、沥青、砖石、金属和合成材料等坚硬密实、干燥不透水的建筑材料代替了原来疏松和植物覆盖的土壤或空旷的荒地，城市下垫面的物质构成和几何形状与郊区不同。,城市气候的成因,城市用地组成,城市气候的成因,城市用地组成： （1）工业用地（2）商业用地（3）生活居住用地（4）对外交通用地（5）仓库用地；（6）学校用地；（7）园林绿化用地；（8）公共建筑用地；（9）特殊用地（10）公共事业用地（11）其它用地（12）水面,城市
15、气候的成因,（1）同体积的城市下垫面与农村下垫面相比，城市下垫面具有较大的导热率和较小的热容量。这种差异使得城市下垫面增温比农村下垫面要快；在同样的入射强度下，温度升高的要多。城市的立体建筑更增大了受热面积，使得城市下垫面总的热容量要比农村的大。,城市气候的成因,（2） 城市的植被面积小，不透水面积大，使城市下垫面的储藏水分的能力比郊区农村小，因而水分蒸发小，蒸发耗热也小。因此城市下垫面热量容易积聚。,（3）此外，城市下垫面比郊区农村的粗糙，低层风速小。,城市气候的成因,（4）城市高强度的经济活动中，要消耗大量的能源影响城市空气的透明度，减弱能见度，为云、雾和降水提供丰富的凝结核。另外在各种燃
16、料燃烧时所排放出的二氧化碳虽然无毒，但产生的温室效应。,城市气候的成因,（5）工业生产、居民生活消耗能源的同时产生了一定量的“废热”及空调热量和人体新陈代谢等所排出的“人为热”另外在化石燃料燃烧过程中还有“人为水汽”的排放，这些又使城市的能量平衡和水分平衡与郊区不同。,正是由于城市化地区的特点，使城市除了受当地纬度、太阳辐射、大气环流和海陆位置和地形地貌等区域气候因素的所用外，还在人类活动的影响下，通过下垫面和近层大气的辐射、热力、水分、空气质量和空气动力学性质的改变，形成了有别于附近郊区的局地气候。,城市气候的成因,城市气候学研究尺度,城市气候学研究对象,城市气候所涉及的范围主要包括三个部分
17、: 即城市覆盖层、城市边界层和市尾烟气层,城市气候所波及的范围,城市气候的研究任务,研究任务： 城市气候观测 分析城市气候各要素的特征及其相互关联性 研究城市气候形成的原因和过程 研究并建立城市大气覆盖层和边界层数值模式 探讨改善城市气候条件的途径，进行城市气候应用领域的研究,城市气候的研究任务,(一)城市气候观测（1）城市覆盖层内部小气候的观测（2）城市、近郊和远郊乡村近地层对比观测（3）城市和附近郊区较大范围的三度空间观测（4）城市和附近郊区下垫面特征的观测,城市气候的研究任务,(二)分析城市气候各要素的特征及其相互关联性在积累大量观测资料的基础上，分析城市日照、辐射、气温，风速、风向、湿
18、度、云、雾、降水和有关大气污染等方面的特征，研究各要素之间的相互关联和相互制约的规律性。,城市气候的研究任务,(三)研究城市气候形成的原因和过程在掌握城市气候特征的基础上，从自然因素和人为因素两方面的结合上，研究城市气候形成的原因和过程，特别是要研究城市人类活动如何影响气候这个理论问题。,城市气候的研究任务,(四)研究并建立城市大气覆盖层和边界层数值模式城市气候的研究必须从定性向定量研究转变，用数值实验的方法，控制不同物理过程和边界条件来模拟城市大气覆盖层和边界层中的风场、温度场和湿度场等要素变化的物理特性和污染物的扩散规律。随着数值模式的不断改进和完善，才能使城市气候学进一步发展具有预报未来
19、城市气候变化的能力。,城市气候的研究任务,(五) 探讨改善城市气候条件的途径，进行城市气候应用领域的研究城市气候学的应用领域甚广，它与城市规划、建筑设计、能源利用、环境保护等都有密切的关系。,4. 城市气象学的发展简史和新动向,4.城市气象学的发展简史和新动向,19世纪初期英国的Luke Howard（1772-1864）开始真正系统的研究城市气候。在19世纪，城市气候研究以气温最为普遍。 到20世纪，城市气候研究的要素越来越多，研究地区也愈益扩大。 进入20世纪80年代之后，城市气候的研究取得显著性的进展。,研究新动向： 气象卫星资料的运用 城市气象环境模拟研究 城市气象要素与郊区差别研究全
20、面开展,4.城市气象学的发展简史和新动向,应用新动向 (1)城市生命线的气象保障。 (2)城市建设规划与城市环境气象。 (3)城市空气污染预报。 (4)医疗气象预报。 (5)城市生活、休闲气象指数预报。 (6)商业气象指数。,4.城市气象学的发展简史和新动向,5.城市气候学研究方法,5.城市气候学研究方法,历史对比法 周末与工作日对比法 城郊对比法 城市内部不同下垫面对比法 模拟试验法等 用数学物理方法建立模式,1.5 城市气候的研究方法,(一)历史对比法为了研究城市化对气候的影响，对某些发展得比较快的城市，可以对比其多年气候资料，分析它在城市化前后和发展过程中气候的变化，予以论证。在应用此法
21、时必须注意以下两个问题：（1）某一城市气候资料来源。（2）大区域气候因子(如太阳黑子、大气环流的变化等)所引起的气候自然变化。,1.5 城市气候的研究方法,(二)周末与工作日对比法在一些大城市中工厂、机关、学校及其他企业皆在周末(星期六及星期日)休假。人类活动对城市气候的影响在周末要比其他工作日(星期一到星期五)小些。,1.5 城市气候的研究方法,(三)城、郊对比法（常用的方法）应用城市气候资料(Mu)与郊区同时间观测资料(Mr)进行对比，两者的差值可作为城市对气候影响的重要标志。在应用此法时必须注意以下几个问题:(1)注意城区站(u)和郊区站(r)的选址问题。为了滤去自然地理因子的影响，u和
22、r站必须具有相似的地形、海拔高度和区域气候条件。（2）要注意观测时间的同步性和使用仪器的一致性，便于资料的对比。,1.5 城市气候的研究研究方法,(四)城市内部不同性质下垫面对比法城市内部具有多种不同性质的下垫面，在进行城市覆盖层气候研究时，最好先将城市内部下垫面按其不同功能、土地利用类型、建筑密度、不透水地而所占面积百分比、植被覆盖度等进行分类。,1.5 城市气候的研究方法,(五) 模拟实验法最常用的是将城市实况按比例做一模型，采用风洞试验，使带烟气流通过此城市模型，利用烟气活动观察上风方向、下风方向气流变化的情况，并拍摄录像或用离子示踪器进行观测。为了观测城市对不同风向的影响，可将城市模型
23、安装在一个大的转盘上，便于转动，以适应不同的风向。,1.5 城市气候的研究方法,(六) 用数学物理方法建立模式应用数学物理方法建立城市气候研究模式是当前国内外学者最经常使用的方法。 （1）城市气候统计模式 统计模式主要是根据城市与其邻近郊区大量观测资料，对某一城市气候特征进行回归分析，找出其相互关联的经验统计模式。最常见的是有关城市热岛强度的模式。,（2）建立在动力学和热力学基础上的城市边界层模式由于考虑的着眼点不同，每种模式都有其物理假设、基本方程、参数化方案、计算格点、边界条件和初始条件等基本框架，大致可分：能量平衡模式、混合层模式、动力学模式。,1.5 城市气候的研究方法,思考题,城市气象要素与郊区的差别？城市气候的成因有哪些？什么是下垫面？城市气候的研究方法有哪些？,
