城、郊气温对比 ?Tu-r—热岛强度=同时间同高度(离地1.5m)热岛中心与近郊的气温差值。 “城市热岛”矗立在农村较凉的“海洋”之上, 国内外均如此:
冬季傍晚上海市区比郊外要高2~5?C; 城市热岛温度剖面示意图 巴黎城中心年均温比郊区高1.7?C
城市发展过程中气温的前后对比
随城市化发展, 市区呈现出越来越暖的趋势.如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段 1920~1942年: 气温变化趋势逐年上升(城市发展)
1942~1945年: 气温变化趋势逐年下降(值第二次世界大战期间, 东京城市受到大规模的破坏, 城市热岛效应不存在)
1945~1967年: 气温变化趋势逐年上升(战后城市建设迅速恢复, 气温又开始回升)
城市热岛强度的变化 周期性
日变化: 夜晚强, 白昼午间弱
年变化: 冬秋两季比夏春两季表现更明显, 可能归因于冬季城市取暖耗能较多, 释放大量人为热量
周变化: 明显受工休日周期影响, 周末弱, 周内强
非周期性
1）临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失
2）云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下
城市热岛强度的地区差异
城市热岛强度与城市的布局形状、城市地形等有密切关系。团块状紧凑布局，城中心增温效应强。条形分散结构，城中心增温效应弱。 盆地或凹地，由于风速小，热岛效应特别强，这里不仅抵消了冷空气的下沉作用，反而成为最暖的热岛中心 城市规模（面积、人口及其密度等）对热岛强度亦有影响
城市附近自然景观以及城市内部下垫面性质亦对城市热岛强度起一定作用。无绿化的宽阔街道和广场，到中午时剧烈增温，在夜里又急剧冷却，气温日振幅最大。林荫道和有绿化的广场白昼较凉爽，气温的日振幅较小
4.4 城市的风及局部环流 城市热岛环流
在天气睛朗无云，大范围内气压梯度极小的形势下，由于城市热岛的存在，城市中形成一个低压中心，并出现上升气流。从热岛垂直结构看来，在一定高度范围内，
城市低空都比郊区同高度的空气为暖，因此随着市区热
在晴朗的夜间城市热岛环流模空气的不断上升，郊区近地面的空气必然从四面八方流
式 入城市，风向向热岛中心辐合。
此时郊区因近地面层空气流失需要补充，于是热岛中心上升的空气又在一定高度上流回到郊区，在郊区下沉，形成一个缓慢的热岛环流(local heat island circulation)，又称城市风系。在近地面部分风由郊区向城市辐合,称为乡村风(country breeze)。
应该指出, 向城市中心辐合的乡村风, 并不是很稳定的, 它往往具有间歇性或脉动性(周期性),即吹一段时间,要停一段时间。此脉动周期约为1.5~2.0h。这种脉动性在夜间特别明显。
城市发展对盛行风的影响
随着城市的发展，人口增多，建筑物的密度和高度增加，下垫面的粗糙度加大，因而有使城市年平均风速减小的趋势。 城市的平均风速比郊区小。
城市与郊区风速的差值还因时、因风速而异: 一般是白天差值大，晚上小；夏季大，冬季小。
城市覆盖层内部风的局地差异 从城市整体而言，其平均风速比同高度的开旷郊区小，但在城市覆盖层内部风的局地性差异很大。有些地方风速极微；而在特殊情况下，某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊区。造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因是由于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高度、形式和朝向不同, 当风吹过城市中鳞次栉比、参差不齐的建筑物时, 因阻障效应产生不同的升降气流、涡动和绕流等, 使风的局地变化复杂化。
盛行风遇到不能穿透的建筑物时, 在迎风面上一部分气流上升越过屋顶, 一部分气流下沉降至地面, 另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去。当盛行风向与街道平行时, 由于狭管效应, 风速会加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物的部分大些。如果以街道中心的风速算作100%的话, 那么在迎风面的人行道风速为90%, 背风面的人行道风速只有45%。人行道旁如果种植行道树, 树叶茂盛时风速将再减低20%~30%; 在公园的浓荫中, 风速更会削弱50%上下。
4.5 城市的湿度、降水及水分平衡
城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低 欧洲几座城市年平均湿度的城乡差异
维也纳 柏 林 特利尔 科 隆 弗罗茨瓦夫 慕尼黑 (20年平均) (14年平均) (2年平均) (4年平均) (9年平均) (4年平均) 城乡绝对
湿度差(Pa) -20 -20 -50 -40 -50 -25 城乡相对 湿度差(%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5 城区比郊区雾多，能见度低 城市多雾的原因，首先是因为人为造成的大气污染，颗粒物质为雾的形成提供了丰富的凝结核。城市中鳞次栉比的建筑物群，增加了下垫面的粗糙度，减少了风速，为雾的形成提供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流，郊区农村带来的水汽，使低空辐合上升凝结成雾的机率增大。
城市的大雾阻碍交通，使航班停开，增加城市交通事故。 大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩散，加重了大气污染。 城市雾还减弱了太阳辐射，不利于人类与其它生物的生活。 城市的降水与水分平衡
1) 城市水分收入项比郊区大
城市水分收入比郊区大, 首先在于城市中的降水量一般比郊区多, 一般比郊区多5%~15%。形成城市降水较多的原因有三： 第一, 城市热岛效应。城市由于有热岛效应, 空气层结不稳定, 有利于产生热力对流, 当城市中水汽充足时(城市中还有一定量的人为水汽和人工管道供应的水分), 容易形成对流云和对流性降水。
第二, 城市阻滞效应。城市因有高高低低的建筑物, 其粗糙度比附近郊区平原大。它不仅能引起机械湍流, 而且对移动滞缓的降水系统(如静止锋、静止切变、缓进冷锋等)有阻滞效应,使其移动速度减慢, 在城区滞留时间加长, 因而导致城区的降水强度增大, 降水的时间延长。
第三, 城市凝结核效应。城市因生产和生活强度较大, 空气中尘粒及其它微粒比周围地区多, 为形成降水提供了丰富的凝结核。
2) 城市下垫面蒸散量和水分贮存量比郊区小
城市由于地面一般经人工铺装, 植被覆盖率低, 不透水面积大, 降雨后雨水滞留地面时间短, 地面水分蒸发量及植物蒸腾量均小于郊区。根据在美国东北部一个小流域的观测研究估算: 当流域面积的25%为不透水区时, 其年蒸腾量要减少19%; 若不透水面积增加到50%, 年蒸腾量减少38%; 不透水面积增大到75%时, 则年蒸腾量减少59%
城市下垫面善于贮存热量, 却不善于贮存水分。这自然是由于城市中建筑物密集, 植被覆盖率小, 又有人工排水管道, 降水后水分渗透并贮存在下垫面中极少的缘故。 4) 城市径流量比郊区大, 峰值出现时间早
城市下垫面的水分收入量比郊区多, 而向空气的蒸散量和向下垫面内部的渗透贮存量比郊区少, 则其径流量必然要比郊区大得多。
城市在降雨后, 径流量急剧增高, 很快出现峰值, 然后又迅速降低, 其径流曲线非常陡峻, 急升急降。郊区径流曲线则平缓得多, 其峰值比市区低, 出现时间比市区迟, 缓升缓降。
城市化对河流水文性质的影响 ①流量增加，流速加大
城市不仅降水量增加，由于水泥、沥青等封闭地面，透水性极差，植被稀少，下渗量、蒸发量均减少，使地表径流量增加。
城市化对天然河道进行改造和治理，天然河道被裁弯取直，设置道路边沟，雨水管网，排洪沟渠等，增加了河道汇流的水力学效应。雨水迅速变为径流，使河流流速增大。 ②径流系数增大 径流系数是指某段时间内径流深与降水量之比。表示降雨量用于形成径流的有效雨量。径流系数增大，表示城市降水量用于形成径流的有效雨量多，蒸发渗漏少。 据北京市研究，郊区大雨的径流系数为0.2以下，而城区大雨径流系数一般为0.4～0.5。地表流动部分水量增加，对城区河流或排水沟渠的压力加大。
研究表明，城市化地区洪峰流量约为城市化前的3倍，涨峰历时缩短1/3，暴雨径流的洪峰流量预期可达未开发流域的2～4倍。这取决于河道整治情况和城市的不透水面积率及排水设施等。随着城市化面积的扩大这种现象也日益显 ③洪峰增高，峰现提高，历时缩短
由于城市化，流量增加，流速加大，集流时间加快，汇流过程历时缩短，城市雨洪径流增加，流量曲线急升急降，峰值增大，出现时间提前。 城市排水管道的铺设，自然河道格局变化，排水管道密度大，以及涵洞化排水，排水速度快，使水向排水管网中的输送更为迅速，雨水迅速变为径流，必然引起峰值流量的增大，洪流曲线急升急降，峰值出现时间提前。
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。
4.6 城市大气污染与城市气候的关系 城市中大气污染物和污染源 污染源
固定源：燃料燃烧、废物焚化、工业生产 流动源：汽车、火车、轮船、飞机等
自然环境与城市环境比较: 城市大气污染源 城市大气中的主要污染物 分 类 成 分 烟尘,粉尘 碳粒,飞灰,碳酸钙,氧化锌,氧化铝 硫 化 物 二氧化硫,三氧化硫,硫酸,硫化氢,硫醇 氮 化 物 一氧化氮,二氧化氮,氨等 氧 化 物 臭氧,过氧化物,一氧化碳等 卤 化 物 氯,氟化氢,氯化氢等
有机化合物 甲醛,有机酸,焦油,有机卤化物,酮等
城市大气污染与气象条件
对大气污染物的稀释和扩散作用 1 风和湍流的影响
风对排入大气中的污染物有显著的输送、冲淡、稀释和扩散作用。
城市中严重的大气污染现象都出现在风速小的时候, 一般在风速?2m/s或?3 m/s时
大气中污染物浓度与风速的关系
必须指出, 风速与污染浓度的关系是比较复杂的, 如其它条件相同, 一般呈反比关系。但如果风速剧增, 在烟囱的下风方向近地面层反而会出现较高的污染浓度。这是因为烟囱下风方向近地面空气污染浓度不仅与风速有关, 也与烟囱的有效高度有关。
烟囱的有效高度：烟囱的实体高度与烟气高度之和, 也就是烟
流中心线完全变成水平时的高度
烟囱的有效高度
烟囱有效高度越高, 下风方向地面浓度也越小, 但随着风速增大烟气离烟囱口以后的上升高度随之降低, 从而使烟囱有效高度也随之降低, 这样使地面附近浓度增大。这个效果正好与风速对浓度影响效果相反。所以当风速增大到某一定值
时, 在烟囱附近的下风方向, 就有可能出现最高的地表浓度。特别是当烟气从烟囱口排出的速度小于风速时, 烟气就在烟囱背后发生涡流, 在附近建筑物影响下, 涡流卷入涡旋, 急速降落地面。这种现象称为下曳气流(downdraft) 烟囱附近的下曳气流
(使烟囱附近地面层空气形成高浓度污染)
2 大气稳定度的影响
大气稳定度(?): 表示空气是否安于原在的层次, 是否易于发生垂直运动, 即是否易于发生对流的量度
假定有一微团空气受到对流冲击力的作用产生上下移动后, 如果该空气微团减速, 并有返回原来高度的趋势, 这时的气层对于该空气微团而言是稳定的;
如果空气微团一离开原位后, 就逐渐加速运动, 并有远离起始高度的趋势, 这时的气层对于该空气微团而言是不稳定的;
如果空气微团被推到某一高度后, 既不加速也不减速, 而是随遇而安, 这时的层, 对于该空气微团而言, 它的稳定度是中性的。
大气是否稳定，通常用周围空气的“温度直减率(γ)”与上升空气微团的“干绝热直减率(γd)”的对比来判断