《城市气象学》课件：05-1城市热岛-成因.ppt

1、Ch5 Urban Heat Islands（UHIs）内内 容容一、热岛成因一、热岛成因二、热岛特征二、热岛特征三、热岛影响三、热岛影响四、热岛减缓四、热岛减缓五、热岛文献评述五、热岛文献评述Image of Atlanta, Georgia, showing temperature distribution, with blue showing cool temperatures, red warm, and hot areas appear white.From Wikipedia, the free encyclopediaAn urban heat island (UHI) is a

2、 metropolitan area which is significantly warmer than its surrounding rural areas. The phenomenon was first investigated and described by Luke Howard in the 1810s, although he was not the one to name the phenomenon. The temperature difference usually is larger at night than during the day, and is mo

3、st apparent when winds are weak. Seasonally, UHI is seen during both summer and winter. The main cause of the urban heat island is modification of the land surface by urban development which uses materials which effectively retain heat. Waste heat generated by energy usage is a secondary contributor

4、. As population centers grow they tend to modify a greater and greater area of land and have a corresponding increase in average temperature. The lesser-used term heat island refers to any area, populated or not, which is consistently hotter than the surrounding area.一、一、UHI 成因成因城市热岛是在城市化的人为因素和局地天气城

5、市热岛是在城市化的人为因素和局地天气气象条件共同作用下形成的。在人为因素中气象条件共同作用下形成的。在人为因素中以下垫面性质的改变、人为热和过量温室气以下垫面性质的改变、人为热和过量温室气体的排放以及大气污染等为最重要。在局地体的排放以及大气污染等为最重要。在局地天气气象条件中则以天气形势、风、云等关天气气象条件中则以天气形势、风、云等关系最大。系最大。1、城市下垫面因素、城市下垫面因素有三个因素：有三个因素：下垫面不透水面积；下垫面的下垫面不透水面积；下垫面的热性质；下垫面的几何形状热性质；下垫面的几何形状。（1）下垫面不透水面积：城区大于郊区）下垫面不透水面积：城区大于郊区l 在能量平衡中

6、，净辐射用于蒸发的潜热远比郊区在能量平衡中，净辐射用于蒸发的潜热远比郊区为少，而用于下垫面增温和向空气输送的湍流显热为少，而用于下垫面增温和向空气输送的湍流显热则比较多。这就使得城区下垫面温度比郊区高，形则比较多。这就使得城区下垫面温度比郊区高，形成成“城市下垫面温度热岛城市下垫面温度热岛”，并从而通过湍流交换，并从而通过湍流交换和长波辐射使城区气温高于郊区。和长波辐射使城区气温高于郊区。l 即使在夜间，城区下垫面仍有湍流显热向空气输即使在夜间，城区下垫面仍有湍流显热向空气输送，而郊区却从空气层取得湍流显热，城市覆盖层送，而郊区却从空气层取得湍流显热，城市覆盖层的气温显著高于郊区。的气温显著高

7、于郊区。请注意城请注意城区鲍恩比！区鲍恩比！圣路易斯（圣路易斯（a）湍流显热通量，（）湍流显热通量，（b）潜热通量，）潜热通量，（c）鲍恩比的等值线（）鲍恩比的等值线（1976年年8月月18日下午）日下午）（2）下垫面热性质）下垫面热性质l城市下垫面导热率、热容量、热导纳都比郊区大。城市下垫面导热率、热容量、热导纳都比郊区大。这些热性质的城、郊差异，导致城市下垫面的储热这些热性质的城、郊差异，导致城市下垫面的储热量显著高于郊区。日落后，郊区因白天下垫面储热量显著高于郊区。日落后，郊区因白天下垫面储热量小，通过长波净辐射，下垫面温度和近地面层气量小，通过长波净辐射，下垫面温度和近地面层气温的下降

8、速度很快。城区因白天储存的热量较多，温的下降速度很快。城区因白天储存的热量较多，其热导纳高，下垫面温度和近地面气温下降的速度其热导纳高，下垫面温度和近地面气温下降的速度都比郊区慢。日落后下垫面温度降低速率：都比郊区慢。日落后下垫面温度降低速率：212)()(2tQQTLLt为热导纳，为热导纳，t为日落后的时间，因城区热导纳大，为日落后的时间，因城区热导纳大，因而日落后温度下降的速度要比郊区慢，这是热岛因而日落后温度下降的速度要比郊区慢，这是热岛形成的重要原因。形成的重要原因。（3）下垫面几何形状）下垫面几何形状l城市中建筑物参差错落，形成许多高宽比不同的城市中建筑物参差错落，形成许多高宽比不同

9、的“城市街谷城市街谷”。在这种复杂的立体下垫面上其天空视。在这种复杂的立体下垫面上其天空视因子比平坦的郊区小得多，这种几何形状的差异对热因子比平坦的郊区小得多，这种几何形状的差异对热岛的形成关系极大。岛的形成关系极大。白天时：白天时： 墙壁多次反射吸收更多的太阳辐射墙壁多次反射吸收更多的太阳辐射 墙壁深颜色吸收更多辐射墙壁深颜色吸收更多辐射 较大的热导纳等储存更多热量较大的热导纳等储存更多热量夜间时：夜间时： 街谷底部接收自大气和墙壁长波，长波辐射损失小街谷底部接收自大气和墙壁长波，长波辐射损失小 街谷中风小，热量不易扩散街谷中风小，热量不易扩散Oke的实验：在实的实验：在实验室考察街谷几何验

10、室考察街谷几何形状、材料性质对形状、材料性质对热岛强度的影响。热岛强度的影响。将模型将模型20放在放在-8 冷室内开始降温。冷室内开始降温。郊区模型无街谷。郊区模型无街谷。模拟夜间无云无风模拟夜间无云无风情况。在街谷底部情况。在街谷底部中央安置热电偶测中央安置热电偶测温。温。高宽比高宽比0.25,0.5,1,2,3,4. 再将木板换成水泥板，考察材料的影再将木板换成水泥板，考察材料的影响。木板热导纳响。木板热导纳380J/(m2Ks0.5)，水泥热导纳，水泥热导纳1300模拟实验测得的城市和郊区日落后模拟实验测得的城市和郊区日落后温度随时间下降速度曲线温度随时间下降速度曲线模拟实验测得的热岛强

11、度随时间的变化，图中（模拟实验测得的热岛强度随时间的变化，图中（1）是几何形状引起的温差；（是几何形状引起的温差；（2）是热导纳引起的温差）是热导纳引起的温差蒙特利尔（高宽比蒙特利尔（高宽比3.29）和温哥华（高宽比）和温哥华（高宽比1.50）及乌普萨拉（高宽比及乌普萨拉（高宽比0.76）从日落后实测的降温率）从日落后实测的降温率蒙特利尔（蒙特利尔（1）和温哥华（）和温哥华（2）及乌普萨拉（）及乌普萨拉（3）从）从日落后热岛强度随时间的变化日落后热岛强度随时间的变化Oke根据资料回归得到的方程：根据资料回归得到的方程：式中式中r2=0.88, 估计值的标准差为估计值的标准差为0.92sruT8

12、8.1327.15(max)/ln(97. 345. 7(max)WHTru模拟实验得出的最大热岛强度、平均热岛强度与天模拟实验得出的最大热岛强度、平均热岛强度与天空视因子和城市街谷高宽比的关系空视因子和城市街谷高宽比的关系澳大利亚、欧洲、北美澳大利亚、欧洲、北美31个城市最大热岛强度与天个城市最大热岛强度与天空视因子关系点聚图空视因子关系点聚图2、人为热、温室气体和大气污染、人为热、温室气体和大气污染城市中由于人口密度和能源消耗都比郊区大，城市中由于人口密度和能源消耗都比郊区大，其排放至大气中的人为热、温室气休以及在其排放至大气中的人为热、温室气休以及在工业生产、交通运输等过程中排放出的污染

13、工业生产、交通运输等过程中排放出的污染物都比郊区多，它们在热岛形成中都起着一物都比郊区多，它们在热岛形成中都起着一定的作用定的作用（1）人为热：与热岛强度正相关）人为热：与热岛强度正相关加拿大卡尔加里热岛强度日变化，煤气能量消耗日加拿大卡尔加里热岛强度日变化，煤气能量消耗日变化（变化（19741975年平均）年平均）人为热与热岛强度正相关，但峰值不一定一致人为热与热岛强度正相关，但峰值不一定一致Narumi 2009（2）温室气体）温室气体温室气体如温室气体如CO2，水汽等善于吸收地面长波辐射不，水汽等善于吸收地面长波辐射不易逸入太空，然后再以长波逆辐射形式投向地表，易逸入太空，然后再以长波逆

14、辐射形式投向地表，使地表增温。使地表增温。CH4、N2O、CFCs、等、等300K黑体黑体辐射辐射（3）大气污染物）大气污染物 白天：城市大气中悬浮的颗粒状污染物在白天白天：城市大气中悬浮的颗粒状污染物在白天能吸收一定波长的太阳辐射，粒径小的浮尘对太能吸收一定波长的太阳辐射，粒径小的浮尘对太阳辐射有散射作用，使到达地面的太阳直接辐射阳辐射有散射作用，使到达地面的太阳直接辐射减弱，称为减弱，称为“阳伞效应阳伞效应”。这对城市覆盖层白昼。这对城市覆盖层白昼的增温是不利的。的增温是不利的。 夜晚：但在夜晚这些颗粒状污染物往往形成夜晚：但在夜晚这些颗粒状污染物往往形成“雾障雾障”，笼罩在城区上空，能增

15、加长波逆辐射，笼罩在城区上空，能增加长波逆辐射，使城市覆盖层内的长波净辐射损失减少，对加强使城市覆盖层内的长波净辐射损失减少，对加强夜间城市热岛强度是有利的。夜间城市热岛强度是有利的。 注意：注意：黑炭气溶胶会强烈吸收太阳辐射，会使黑炭气溶胶会强烈吸收太阳辐射，会使气温升高气温升高3、天气形势与气象条件对、天气形势与气象条件对UHIs的影响的影响在同一时期，同一城市中，其下垫面因子及在同一时期，同一城市中，其下垫面因子及人为热、温室气体和大气污染物的排放源强人为热、温室气体和大气污染物的排放源强和源地基本是相似的，但是热岛强度却时有和源地基本是相似的，但是热岛强度却时有时无，时强时弱。这就取决

16、于当时的天气形时无，时强时弱。这就取决于当时的天气形势和气象条件。那么，什么天气形势和气象势和气象条件。那么，什么天气形势和气象条件会使热岛强度加强呢？条件会使热岛强度加强呢？（1）大量观测事实证明，稳定的、气压梯度）大量观测事实证明，稳定的、气压梯度小的天气形势才有利于城市热岛的形成。小的天气形势才有利于城市热岛的形成。山中无老虎，猴子称大王啊山中无老虎，猴子称大王啊!（2）卫星资料显示，下垫面温度的城、郊差）卫星资料显示，下垫面温度的城、郊差异（异（下垫面温度热岛下垫面温度热岛）都是白昼午间大于夜）都是白昼午间大于夜间，但是城市（气温）热岛却是白昼午间小间，但是城市（气温）热岛却是白昼午间

17、小于夜晚，为什么？产生这种现象的一个主要于夜晚，为什么？产生这种现象的一个主要原因是气象条件的昼夜差异。晴朗天气下，原因是气象条件的昼夜差异。晴朗天气下，午后午后风速风速较大，空气较大，空气层结层结不稳定，城、郊之不稳定，城、郊之间空气的水平和垂直方向的混合作用较强，间空气的水平和垂直方向的混合作用较强，因此城郊气温差别不明显。到了傍晚和夜间因此城郊气温差别不明显。到了傍晚和夜间风速减小，空气层结趋于稳定，城、郊之间风速减小，空气层结趋于稳定，城、郊之间空气的混合减弱，城、郊气温的差别才表现空气的混合减弱，城、郊气温的差别才表现出来。出来。（3）云量对城市热岛的影响）云量对城市热岛的影响此外，

18、云量的多少亦是影响城市热岛能否此外，云量的多少亦是影响城市热岛能否形成的一个重要因子。当出现阴天时，没形成的一个重要因子。当出现阴天时，没有太阳直接辐射到达地表，在仅有散射辐有太阳直接辐射到达地表，在仅有散射辐射时，城市与郊区下垫面温度的差别不大，射时，城市与郊区下垫面温度的差别不大，没有城市下垫面温度热岛作为基础，就难没有城市下垫面温度热岛作为基础，就难以形成较强的城市以形成较强的城市(气温气温)热岛。热岛。不透水面积不透水面积热性质热性质几何形状几何形状城区鲍恩比大城区鲍恩比大城区储热多，夜间降温慢城区储热多，夜间降温慢3D影响辐射收支影响辐射收支温室效应温室效应夜间雾障夜间雾障白天阳伞白天阳伞下垫下垫面面人为人为热热大气大气污染污染温室温室气体气体天气天气气象气象稳定天气稳定天气风云层结风云层结城城市市热热岛岛成成因因与热岛强度与热岛强度正相关正相关在不同纬度、不同区域气在不同纬度、不同区域气候条件下，不同的城市、候条件下，不同的城市、不同季节和一天中不同的不同季节和一天中不同的时段各因子在热岛形成中时段各因子在热岛形成中所起作用的程度是不同的。所起作用的程度是不同的。因此，在评述不同城市的因此，在评述不同城市的热岛成因时，应对其具体热岛成因时，应对其具体情况进行具体分析，不能情况进行具体分析，不能一概而论！一概而论！The end of Section 1