城市气候学课件.ppt

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1、城市生态学,城市生态学,3 城市气候学,影响城市气候的因素 城市的辐射和日照 城市的热量平衡与城市热岛效应 城市的风及局部环流 城市的降水及水分平衡 城市的大气污染及与城市气候的关系 城市气候与城市规划和城市建设,3 城市气候学 影响城市气候的因素,3 城市气候学,3.1 影响城市气候的因素 城市除了受当地纬度、大气环流、海陆位置、地形等区域气候因素的作用外, 还受人类(生产与生活)活动中放出热量及水汽的影响, 因而形成有别于近郊区和乡村的局地气候。通常我们称之为城市气候 城市气候所涉及的范围主要包括三个部分: 即城市覆盖层、城市边界层和市尾烟气层,3 城市气候学3.1 影响城市气候的因素,城

2、市气候所波及的范围,城市气候所波及的范围,城市气候所波及的范围,城市气候所波及的范围,3 城市气候学,在城市高强度的经济活动中, 要消耗大量能源。据统计一个百万人口的城市, 每天要消耗煤3000t, 石油2800t, 天然气2700t, 同时排放出粉尘约150t, 二氧化硫150t, 一氧化碳450t, 一氧化氮100t。当这些粉尘和有害气体进入空气后, 会改变大气的组成成分, 影响城市空气的透明度和辐射热能收支, 减弱能见度, 为云雾提供丰富的凝结核, 从多方面影响气候。如果污染物超过大气的自净能力, 还会造成城市大气污染。,3 城市气候学在城市高强度的经济活动中, 要消耗大量能源。,3 城

3、市气候学,由于城市居民的生活和生产活动, 如家庭炉灶、取暖、工厂生产、公共交通、人、畜的新陈代谢和其他各种能源燃烧所排放的热量, 使城市比郊区增加了许多额外的热量收入。这种人为的热量在某些中高纬度城市可以接近或超过太阳辐射热量。如在德国的汉堡每天从煤燃烧所产生的热量为167Jcm2, 而冬季地面从太阳直接辐射和天空辐射一天中所得到的热量为175Jcm2。在莫斯科, 人为热竟超过太阳辐射热的3倍, 对城市增温的影响十分显著。,3 城市气候学由于城市居民的生活和生产活动, 如家庭炉灶、,3 城市气候学,此外由于城市供水、排水的方式和农村不同, 在燃烧和某些工业生产过程中还产生一定量的“人为水汽”进

4、入大气, 致使城市中的水分平衡与农村有明显差异。,3 城市气候学此外由于城市供水、排水的方式和农村不同, 在,3 城市气候学,3.2 城市的辐射与日照城市太阳总辐射较乡村少污染物浓度大直接辐射少散射辐射多总辐射少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总体说,城市地面吸收的太阳辐射与乡村差别不大,3 城市气候学3.2 城市的辐射与日照,3 城市气候学,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城市内部日照地区差异明显此为建筑物遮阴所致, 主要取决于街道走向, 及建筑群高度与街道宽度之比: H/D 北墙冬半年完全荫蔽

5、, 夏半年一天两次日照, 但时间不长; 南墙每天一次, 但随太阳赤纬增加而减少,3 城市气候学城市日照总时数和日照百分率小于乡村,西安(北纬34)街道可照时间(h),西安(北纬34)街道可照时间(h),3 城市气候学,3.3 城市的热量平衡与城市热岛效应热量平衡人为热的大量输入: 工业生产、家庭炉灶、空调制冷、机动车排放、冬季取暖等下垫面导热率高出乡村3倍, 热容量较乡村大1/3倍, 因而贮热量大热收入远高于乡村,3 城市气候学3.3 城市的热量平衡与城市热岛效应,3 城市气候学,城市热岛效应城市热岛(urban heat island)城市内部气温比周围郊区高的现象，城市气候中最典型的特征之

6、一，无论是在中高纬度或低纬度地区，这一现象均普遍存在。城市热岛效应可以从两个方面来分析：同一时间城市和郊区气温的对比同一城市历史发展过程中气温的前后对比,3 城市气候学城市热岛效应,3 城市气候学,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25C;巴黎城中心年均温比郊区高1.7C,3 城市气候学城、郊气温对比,城市热岛温度剖面示意图,城市热岛温度剖面示意图,城市气候学PPT课件,3 城市气候学,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

7、东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段19201942年: 气温变化趋势逐年上升(城市发展)19421945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)19451967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),3 城市气候学城市发展过程中气温的前后对比,日本东京19161965年年平均气温的变化,日本东京19161965年年平均气温的变化,3 城市气候学,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

8、受工休日周期影响, 周末弱, 周内强,3 城市气候学城市热岛强度的变化,蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气),逐时降温率T/t (C.h-1),热岛强度Tu-r (C),城市,乡村,蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气)逐时降温率,维也纳城市和郊区气温差值的日变化,维也纳城市和郊区气温差值的日变化,美国两座城市冬季热岛强度Tu-r()的周变化,美国两座城市冬季热岛强度Tu-r()的周变化,3 城市气候学,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,3 城市气候学非周期性,北京地区热岛消失的临界风速,北京地区热岛消失

9、的临界风速,3 城市气候学,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,3 城市气候学城市热岛强度的地区差异,城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系,城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系,3 城市气候学,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

10、化的广场白昼较凉爽，气温的日振幅较小,3 城市气候学城市附近自然景观以及城市内部下垫面性质亦对城,上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(),上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(),3 城市气候学,3.4 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，因此随着市区热空气的不断上升，郊区近地面的空气必然从四面八方流入城市，风向向热岛中心辐合。,3 城市气候学3.4 城市的风及局部环流,在晴朗的夜间城市热岛环流模式,在晴朗的夜间城市热

11、岛环流模式,3 城市气候学,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1.52.0h。这种脉动性在夜间特别明显。,3 城市气候学此时郊区因近地面层空气流失需要补充，于是热岛,3 城市气候学,城市发展对盛行风的影响随着城市的发展，人口增多

12、，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。上海历年风速(m/s),3 城市气候学城市发展对盛行风的影响,3 城市气候学,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。,3 城市气候学城市的平均风速比郊区小。,上海地区1980年年平均风速示意图,上海地区1980年年平均风速示意图,3 城市气候学,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

13、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。,3 城市气候学城市覆盖层内部风的局地差异,3 城市气候学,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

14、%, 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。,3 城市气候学盛行风遇到不能穿透的建筑物时, 在迎风面上一,3 城市气候学,3.5 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) (3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 -5.5,3 城市

15、气候学3.5 城市的湿度、降水及水分平衡,3 城市气候学,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。,3 城市气候学城区比郊区雾多，能见度低,3 城市气候学,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。,3 城市气候学城市的大雾阻碍交通，使航班停开，增加城

16、市交通,3 城市气候学,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。,3 城市气候学城市的降水与水分平衡,3 城市气候学,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

17、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。,3 城市气候学第二, 城市阻滞效应。城市因有高高低低的建筑,3 城市气候学,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%

18、; 不透水面积增大到75%时, 则年蒸腾量减少59%,3 城市气候学 2) 城市下垫面蒸散量和水分贮存量比,3 城市气候学,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。,3 城市气候学城市下垫面善于贮存热量, 却不善于贮存水分。,3 城市气候学,3) 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

19、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。,3 城市气候学 3) 城市径流量比郊区大, 峰值出现时,降雨后城市与郊区径流曲线的图式,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曲线下的面积代表径流总量,3 城市气候学,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。,3 城市气候学在城市水分平衡中, 上述三个特征对于如何规划,3 城市气候学,3.6 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,3 城市气候学3.6 城市大

20、气污染与城市气候的关系,自然环境与城市环境比较: 城市大气污染源,自然环境与城市环境比较: 城市大气污染源,3 城市气候学,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,3 城市气候学城市大气中的主要污染物,3 城市气候学,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。

21、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,3 城市气候学城市大气污染与气象条件,大气中污染物浓度与风速的关系,大气中污染物浓度与风速的关系,3 城市气候学,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,3 城市气候学 必须指出, 风速与污染浓度的关系是比较,烟囱的有效高度,烟囱的有效高度,

22、3 城市气候学,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),3 城市气候学 烟囱有效高度越高, 下风方向地面浓度,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),烟囱附近的下曳气流(使烟囱附近

23、地面层空气形成高浓度污染),3 城市气候学,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;,3 城市气候学 2 大气稳定度的影响,3 城市气候学,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

24、是否稳定，通常用周围空气的“温度直减率()”与上升空气微团的“干绝热直减率(d)”的对比来判断,3 城市气候学 如果空气微团一离开原位后, 就逐渐加,3 城市气候学,干绝热直减率d是每上升100m温度降低1。而周围空气气温随高度变化的直减率是多种多样的：d: 每隔100m高度气温降低很快, 空气层处于不稳定状态(不稳定层结)d: 每隔100m高度气温降低很少, 甚至随高度而递增, 称为“逆温”, 空气层处于稳定状态(稳定层结)=d: 每隔100m高度刚好是减低1, 空气层的稳定度处于中性状态(中性层结),3 城市气候学 干绝热直减率d是每上升100m温度,城市上空空气层结对污染物扩散的影响,城

25、市上空空气层结对污染物扩散的影响,3 城市气候学,大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重要因素 当大气层结不稳定时, 热力湍流发展旺盛, 对流强烈, 污染物容易扩散 当大气层结稳定时, 湍流受到抑制, 污染物不易扩散稀释。特别是当有逆温层出现时, 通常风力微弱甚或平静无风, 低空好象蒙上一个“盖子”, 使烟尘聚集地表, 造成严重污染,3 城市气候学 大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极,3 城市气候学,从烟囱排出的烟流形状看大气稳定度的影响：全层不稳定(波浪型): 晴午后; 烟源附近污染全层中性(锥型): 风力较大的夜间出现全层稳定(扇型): 晴, 风小的夜或晨; 易污染下层稳定上层不稳定

26、(屋脊型, 上扬型): 日落后不久出现; 地面可免受污染下层不稳定上层稳定(熏烟型, 漫烟型): 日出后风力微弱时易出现; 下风处严重污染,3 城市气候学从烟囱排出的烟流形状看大气稳定度的影响：,大气稳定度和烟型全层不稳定(波浪型)全层中性(锥型)下层稳定,3 城市气候学,对大气污染物的冲洗、凝聚和化学反应影响降水的淋洗作用: 雨滴在下降过程中捕获颗粒污染物, 从而“清冼大气”雾的凝聚作用: 水汽与凝结核结合形成雾滴. 高浓度的SO2污染常与浓雾相伴出现光化学反应作用: 高温与强光照下易发生, 光化学烟雾呈浅蓝色, 其化学反应复杂,3 城市气候学对大气污染物的冲洗、凝聚和化学反应影响,3 城市

27、气候学,城市大气污染实况1 城市大气污染的地区差异不同城市对比雷克雅未克(Reykjavik, 冰岛首都): 无烟城市, 可谓 天蓝、地绿、水清、气爽中国城市: 属煤烟型污染, 北方城市比南方城市更甚, 尤其是在冬天 我国因能源结构以煤炭为主, 因此各大城市大气污染状况基本上类似,3 城市气候学城市大气污染实况,3 城市气候学,同一城市内部不同区域大气污染浓度分布不均匀: 靠近工业区污染最为严重; 靠近市中心的交通和商业区污染次之, 也较严重; 绿化区稍好些当市内的污染区风速较小, 低空又有逆温层存在时, 在市区上空往往形成一穹隆形的尘盖。如果风速达到3.5m/s, 就会使穹形尘盖破坏, 形成

28、鸟羽状尘盖。在强污染源的排放下, 如果低空层结稳定, 地面风能将城市羽状尘盖向下风方向扩展数百千米,3 城市气候学同一城市内部不同区域,城市上空的尘盖,城市上空的尘盖,3 城市气候学,2 城市大气污染的类型及其日变化和年变化伦敦型：大气污染源主要来自工业炉窑和民用炉灶, 使用燃料为煤炭类, 排出的主要污染物为烟尘、SO2、CO等。在冬季因取暖用的燃料较多, 排放的烟尘量大, 再加上冬季辐射逆温频率大, 湍流弱, 烟尘不易扩散, 因此大气中烟尘浓度冬季最高, 春秋次之, 夏季最小。日变化烟尘浓度以早晨8时左右为最大,3 城市气候学2 城市大气污染的类型及其日变化和年变化,3 城市气候学,洛杉矶型

29、：大气污染源主要来自汽车等交通工具。污染物为汽车尾气排出的一次污染物 NOX、HXCX、CO和铅尘等经光化学变化产生的二次污染物光化学氧化剂PAN。浓度年变化: 夏、秋季节(5月9月)为最浓, 冬季最淡。日变化: 光化学烟雾只在白天出现, 以中午附近为最浓。夜晚无日照, 因而不会有污染现象出现。,3 城市气候学洛杉矶型：,3 城市气候学,城市大气污染的影响 1 对城市气候的影响城市大气污染与整个城市气候是相互影响相互制约的。城市中的风、大气稳定度、天气形势、降水、雾、温度和日照等影响和制约着城市大气污染的浓度及其时空分布；而城市大气污染又反过来影响城市的气候。其中最突出的影响有以下几方面：减少

30、太阳入射辐射和日照时数增加城市烟雾频率、减小能见度改变城市的热状况,3 城市气候学城市大气污染的影响,3 城市气候学,2对城市居民健康的危害呼吸道疾病、致癌、心血管、消化道、神经系统、泌尿系统疾病等3 对各种物品的腐蚀城市纪念性建筑物(30=500)、艺术品等4 酸雨及其危害pH5.6；跨地区、跨国界；我国西南严重，以贵州、重庆、四川盆地较集中；北方较轻,3 城市气候学2对城市居民健康的危害,3 城市气候学,3.7 城市气候与城市规划和城市建设1 合理布局减轻居住区的大气污染 1914年德国学者Schmaess提出, 在考虑城市布局时, 工业区应布置在主导风向的下风方向, 居住区在其上风方向,

31、 以减少居民受工厂烟尘的危害。该原则对欧洲各地比较适用 我国在上世纪50年代以来也一直沿用。然而我国属季风气候区, 该原则其实并不适用:,3 城市气候学3.7 城市气候与城市规划和城市建设,因为我国冬季风与夏季风一般是风频相当, 风向相反的, 在冬季属上风方向的区域夏季就会成为下风方向 此外, 该原则对全年有两个主导风向以及静风频率在50%以上的或各风向频率相当的地区, 也都不适用朱瑞兆于1980年根据我国600多个气象台站1月、7月及年的风向频率玫瑰图进行相似形分类, 将我国按风向大致划分为4大类型区:,因为我国冬季风与夏季风一般是风频相当, 风向相反的,3 城市气候学,季风变化型: 中国东

32、半壁多属之, 盛行风向随季节变化而转变, 冬季风向偏N, 夏季偏S主导风向型: 一年中不管什么季节都有相同的盛行风向, 新疆-内蒙(W), 云贵(SW), 青藏(W)无主导风向型: 全年风向不定, 各方位风向频率相当, 没有一个较突出的盛行风向, 宁夏-甘肃河西走廊-陇东-内蒙阿拉善准静止风型: 全年静风频率在50%以上, 年平均风速在1.0m/s以下的地区, 四川, 西双版纳,3 城市气候学季风变化型: 中国东半壁多属之, 盛行风向随,城市规划风向分区图(朱瑞兆, 1980),城市规划风向分区图(朱瑞兆, 1980),3 城市气候学,季风变化型: 中国东半壁多属之, 盛行风向随季节变化而转变

33、, 冬季风向偏N, 夏季偏S 例如南昌市, 冬季盛行北风, 风频27%, 加上东北偏北风, 风频为52%; 夏季盛行西南风, 风频为19%, 加上西南偏南风, 风频为36%, 夹角为135180, 全年最小风频方向为西北偏西, 风频为0.6%, 工业企业应布置在这个方向, 居住区应在东南偏东方向,3 城市气候学季风变化型: 中国东半壁多属之, 盛行风向随,南昌风向频率玫瑰图(于志熙, 1992),南昌风向频率玫瑰图(于志熙, 1992),3 城市气候学,主导风向型: 一年中不管什么季节都有相同的盛行风向, 新疆-内蒙(W), 云贵(SW), 青藏(W) 可将排放有害物质的工业企业布置在常年主导

34、风向的下风侧, 居住区布置在主导风向上风侧无主导风向型: 全年风向不定, 各方位风向频率相当(10%), 没有一个较突出的盛行风向, 宁夏-甘肃河西走廊-陇东-内蒙阿拉善 这类区域在城市规划布局时常用污染系数(烟污系数, 卫生防护系数) Cp来表示:,3 城市气候学主导风向型: 一年中不管什么季节都有相同的盛,3 城市气候学,式中,CP某方向污染系数 f某方向风向频率 v该方向平均风速 它说明来自某方向的污染程度,与该方向风向频率成正比, 与该方向平均风速成反比。可以计算出各风向的污染系数, 并绘成玫瑰图。将向大气排放有害物质的工业企业布置在污染系数最小的方位, 或最大风速风向的下风方向上。居

35、住区在污染系数最大的方位。,3 城市气候学 式中,CP某方向污染系数,3 城市气候学,准静止风型: 全年静风频率在50%以上, 年平均风速在1.0m/s以下的地区, 四川, 西双版纳 在规划布局上, 必须将向大气排放有害物质的工业企业布置在居住区的卫生防护距离之外。一般说来, 在风速不大, 大气较稳定和地形较平坦的条件下, 污染物质最大着地浓度出现在烟囱烟体上升有效高度1020倍之间, 因此居民区应布在烟囱有效高度20倍距离之外的地区,3 城市气候学准静止风型: 全年静风频率在50%以上, 年,考虑风对大气污染影响作用的城镇布局图式,考虑风对大气污染影响作用的城镇布局图式,3 城市气候学,上面

36、所指均是对平原地区而言。在地形复杂的山地、海滨或盆地地区, 情况较为特殊:在一山地的迎风区, 居民区与工厂区的安排按前述原则是适宜的(下页图左边位置); 但在背风区(下页图右边位置), 虽然居民区位于上风方向, 然而因涡流作用, 不但山下工厂的烟尘扩散困难, 并且还会反卷至山坡, 对居民区产生严重的污染, 这样的布局显然不妥当,3 城市气候学 上面所指均是对平原地区而言。在地形复杂的,地形对工厂区布局的影响,地形对工厂区布局的影响,3 城市气候学,沿海城市(如日本神户,大阪,横滨,中国的天津等)为了海运方便，往往将工业区设在海滨, 生活区放在内地 然而由于海滨地区有海陆风的影响，白天工业区的污

37、染物会顺着海风吹向内地生活区, 从而造成污染。世界许多沿海城市均有过这样的“经历”，一时成为空气污染防治的难题 因而沿海地区城市功能分区应与海岸平行布局,3 城市气候学沿海城市(如日本神户,大阪,横滨,中国的天津,海滨地区城市功能分区布局图式,海滨地区城市功能分区布局图式,3 城市气候学,在山岭环抱的盆地城市, 气流不通畅, 静风日数多, 又因热力作用形成山谷风局地环流, 在夜晚山风作用下, 极易发生“地形逆温”。这些气象条件对污染物的扩散十分不利, 在这种城市中不宜建立可能会严重污染环境的工业区,3 城市气候学在山岭环抱的盆地城市, 气流不通畅, 静风日,谷地昼夜空气环流情况,山风,谷风,谷

38、地昼夜空气环流情况山风谷风,3 城市气候学,2 城市总体规划与日照 日照不仅可以杀菌抗病, 促使人体生成维生素D, 给寒冷的冬季室内增加温暖, 而且更重要的是促进人们的精神爽快和精力充沛, 对人们的健康状况和工作效率起着有益的作用原则: 节约用地, 保证建筑物和绿化带有合理日照, 在城市总体规划和小区规划中, 必须考虑日照的变化规律, 根据日照标准, 合理确定道路网的方位, 宽度, 建筑物的朝向, 间距及建筑形体, 综合考虑通风, 采光及调温等, 做出合理规划设计,3 城市气候学2 城市总体规划与日照,3 城市气候学,建筑日照间距保证建筑物朝阳面有不过少日照持续时间而留有的建筑物与建筑物间的空

39、地,以间距系数日照间距与建筑物计算高度的比值, 亦称间距比, 来表示建筑日照标准衡量建筑物日照效果的最低限度指标,因地理位置,气候条件,生活习惯,居住卫生要求和节约用地的不同而异. 日照间距和日照标准两者之间是相辅相成的关系: 标准高, 则相应的间距大; 间距大则标准高,3 城市气候学建筑日照间距保证建筑物朝阳面有不过少日照持,室内日照时间指标(吉林省),室内日照时间指标(吉林省),3 城市气候学,通常计算建筑日照标准的日子是以最不利的情况即冬至(12月22日)前后为准。这时北半球太阳高度角在一年中最低, 昼最短, 夜最长, 只要这一天能达到建筑日照时间的要求, 其它所有的时间都能满足要求。但

40、若以冬至为标准日, 则要求建筑间距太大, 同时使文化、卫生和商业等设施的服务范围增大 举例说, 如果北京在冬至日日照保证2h, 其间距系数为 1.89, 在大寒日(1月22日)日照保证2h, 其间距系数为1.64,3 城市气候学 通常计算建筑日照标准的日子是以最不利的情,北京日照时间和间距系数,北京日照时间和间距系数,3 城市气候学,由此可见, 冬至与大寒二者间距系数相差0.25。若以冬至为标准日, 比大寒为标准日要少建住宅15m2/100m2, 降低了土地利用率。从北京的情况来看, 若以大寒日为标准日, 间距系数为 1.64, 冬至日不保证日照的窗户约有7%左右。考虑到日照对机体的生物学效应

41、、土地利用和气候特征等多种因素, 综合起来看, 北京居住建筑采用大寒日为日照时间的标准日, 按日照2h决定间距系数是合理的,3 城市气候学 由此可见, 冬至与大寒二者间距系数相,3 城市气候学,建筑布局形式对日照的影响 在建筑群体间安排通道, 不仅有利于交通联系和小区内部通风, 还可以大大地改善日照时间,南北平行两幢住宅楼日照示意,3 城市气候学建筑布局形式对日照的影响南北平行两幢住宅楼,房屋间缺口安排对街坊内日照的影响,房屋间缺口安排对街坊内日照的影响,3 城市气候学,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，减少过道面积等优点，而且在充分保护采光日照条件下，可以大大缩小建筑物

42、间距系数，以达到节约用地的目的。如北京20层60m高塔楼，南北排列距离只30m，冬至日后排每日仍有5h的日照,3 城市气候学 高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深,3 城市气候学,街道走向对日照的影响 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，若将正南北朝向扭转30时，可得到日照约5h。这样虽造成夏季的部分东西晒之弊，但在冬半年却能适当改善日照条件，适于高纬度地区 如果按间距系数1.8计算冬至日各种不同走向街道中的最多可照时间:,3 城市气候学街道走向对日照的影响,各种不同走向的街道中冬至日的最多可照时间,各种不同走向的

43、街道中冬至日的最多可照时间,3 城市气候学,在同样走向的街道中, 由于街道相对间距(L/H, L是街道宽度, H是建筑物高度)不同, 每天被两侧房屋遮挡太阳光线的时间长短不同, 其可照时间也有很大差异。如以北纬32为例(下页图), 随着相对间距的增大, 街道可照时间增加。但当相对间距增大到3(即L/H=3)以后趋于平缓, 再后就很少增加了。同时街道可照时间夏季比冬季平均多12h 在城镇街道规划时, 应适当考虑这些因素,3 城市气候学 在同样走向的街道中, 由于街道相对间距,在北纬32处南北走向街道中的可照时间随街道相对距离的变化,在北纬32处南北走向街道中的可照时间随街道相对距离的变化,3 城

44、市气候学,3 城市居住区的自然通风 城市居住区自然通风, 可以排出室内的污浊气体, 有利于居住卫生, 同时可以降低空气的相对湿度, 帮助人体散热和汗液的蒸发, 使人感到舒适。在不同的气候条件下, 有不同的通风要求。研究建筑物自然通风的物理机制, 针对各城市的通风要求, 进行建筑设计, 充分利用自然通风, 少用机械通风, 也有助于城市降低消耗,节约能源,3 城市气候学3 城市居住区的自然通风,3 城市气候学,通风的作用和要求 健康通风: 新鲜空气与混浊空气相互交换流通,保证室内空气质量维持在健康所允许的最低水平时的通风量 舒适通风: 温度舒适要求上的通风。在夏季, 正常人坐着休息时, 舒适的风速

45、为0.23m/s; 冬季为0.15m/s. 广州地区调查情况如下页表所示:,3 城市气候学通风的作用和要求,室内气候条件对人体舒适感影响的评价,室内气候条件对人体舒适感影响的评价,室内气候条件对人体舒适感影响的评价,室内气候条件对人体舒适感影响的评价,3 城市气候学,在冬季潮湿但温度不十分寒冷的城市，其人口密集的居住区，如果没有暖气管设备，那么房屋自然通风的速度要减小，避免室温太低。但因湿度大，特别是厨房、浴室这类房间，相对湿度过大，容易导致水汽凝结，在此情况下，就需要有排湿通风的设备，使室内水汽排出，避免空气过湿发生凝结现象,3 城市气候学 在冬季潮湿但温度不十分寒冷的城市，其人,3 城市气

46、候学,在炎热的城市，则须根据其温度情况对住宅区采取相应的通风速度，以保证居民在室内有比较舒适的温度，并能促进汗水的蒸发。一般在湿热地区，室内风速需要有2m/s左右。在干热地区，白天可关闭一部分门窗，通风速度可适当减小，维持到健康通风的水平之上。在夜晚室内气温和墙面温度比室外高，则需要打开门窗，增加通风速度，以便使室内温度合适。这时室外环境温度已不甚高，只需大约1m/s的风速即可,3 城市气候学 在炎热的城市，则须根据其温度情况对住,3 城市气候学,建筑物设计与自然通风： 首先应了解当地的风向频率(风玫瑰图),特别要重视夏季的盛行风向和地方风特点 夏季通风以夜晚为最重要，如有地方风的日变化时，建

47、筑朝向要重点考虑夜晚风向。与此同时，还要兼顾日照条件，避免东西晒 一般参照日照间距来确定适当的通风建筑间距,3 城市气候学建筑物设计与自然通风：,房屋间距不同引起风压变化,房屋间距不同引起风压变化,3 城市气候学,建筑物布局形式对通风的影响 南方地区: 行列式和自由式通风较好. 行列式中又以错列型和斜列型更好一些，房子互相挡风较少，错列型相当于加大了前后幢房子之间的距离，对通风有利；无风时因热压作用产生巷道风：白天巷道(胡同)受太阳辐射较少，升温慢，风从巷道吹出；夜里，巷道散热慢，风从外面吹入. 错列式的前、后幢房子的距离可稍为缩小，以节约用地,3 城市气候学建筑物布局形式对通风的影响,建筑群平面形式,建筑群平面形式,3 城市气候学,周边式或四合院式，部分房子的前后都处在负压区，通风不好，而且部分房子又处于东、西朝向，日照条件亦不利，不适宜风小炎热地区北方地区或位于水面附近并常有强风: 为了防风，其房屋布置多采用周边式 在建筑群的立体布置方面, 为使通风好,可以布置成“前低后高”或有规律的“高低错落”的方式。这些布置, 房子之间挡风少, 不致太影响后面房子的通风, 对日照亦有利, 同时, 也可缩短两幢房子之间的距离, 节约用地,3 城市气候学 周边式或四合院式，部分房子的前后都处在负,建筑群在立体上的处理,建筑群在立体上的处理,本章到此结束, 谢谢!,本章到此结束, 谢谢!,