1、Ch6 The Urban Wind FieldThe changes brought about by urbanization in the local atmospheric boundary layer have a notable effect on the low-level wind. This is caused by the heat island and the change in surface roughness.内内 容容一、城市发展对盛行风速的影响一、城市发展对盛行风速的影响 二、风场垂直结构二、风场垂直结构三、城市冠层内流场的局地差异三、城市冠层内流场的局地差异一
2、、城市发展对盛行风速的影响一、城市发展对盛行风速的影响 1 1、随着城市化的不断发展，城市平均风速随着城市化的不断发展，城市平均风速有降低的趋势。其原因可概括为：有降低的趋势。其原因可概括为：l城市建筑导致下垫面粗糙度增大；城市建筑导致下垫面粗糙度增大；l建筑物阻碍效应消耗空气水平运动的动建筑物阻碍效应消耗空气水平运动的动能，因而使城区平均风速减小。能，因而使城区平均风速减小。 番禺年平均风速及变化趋势番禺年平均风速及变化趋势番禺月平均风速年际变化番禺月平均风速年际变化番禺风速玫瑰（19712000年）番禺风向玫瑰（19712000年）2、风场辐合、风场辐合An early observati
3、on has been low-level convergence of air flow into urban areas. This is a logical consequence of the heat island, which creates an unstable vertical lapse rate of temperature and thus induces a rising air current.Nocturnal wind convergence on calm nights into Frankfurt am Main, Germany (adapted from
4、 Sturnmer, 1939).二、风场垂直结构二、风场垂直结构1、风廓线、风廓线2、关于粗糙度和零平面位移、关于粗糙度和零平面位移3、垂直运动、垂直运动4、风场辐合（散）（不同高度）、风场辐合（散）（不同高度）Oke (1997)Urban ScalesUrban Scales: Another ViewOoka (2007)1、风廓线：对数、风廓线：对数0*)(lnzdzuuz在在中性层结中性层结条件下，近地面层（条件下，近地面层（100150m）风随高度的变化表现为）风随高度的变化表现为对数风廓线：对数风廓线：)(zu：高度z处平均风速 *u：摩擦速度 ：冯卡曼常数（Von Karma
5、n Constant）,0.35 0z：粗糙度长度，风廓线外延到u=0的高度 d：零平面位移，当粗糙元高度H很低时，d0，否 则，d2/33/4H。根据不同高度风的观测资料，可以采用根据不同高度风的观测资料，可以采用Gauss-Newton等非线性回等非线性回归方法计算粗糙长度、零平面位移和摩擦速度归方法计算粗糙长度、零平面位移和摩擦速度另外，不根据风的资料而根据下垫面的情况可以求取粗糙长度，经验公式很多，兹举一例（Lettau）： AHaz20H ：建筑物平均高度；a ：建筑物垂直于平均风速的侧面积；A ：建筑物的占地面积 。就某一个城市来说，在不同风向下，其粗糙长度的值是不同的。指数风廓线
6、简单指数律非中性层结非中性层结条件下风速廓线可以采用简单指数形式： dzdzuuzz1)()(1：依赖于地表粗糙度和大气稳定度的参数。其他字母意义同前。大气层结越稳定、地表粗糙度越大，其值越大，大致范围为0.130.30。 一般说来，城市地区比郊区值大。指数风廓线综合指数律简单指数律在中性和近中性条件下的应用效果不如对数律，而且也不适用于紧靠地面处，拉依赫特曼拉依赫特曼提出了综合指数律综合指数律，考虑了温度层结温度层结对湍流交换的显著影响： 010)()(1zzzzuuzz：与近地面温度层结有关的参数。：逆温时：不稳定时 ：中性时，综合指数律转化为对数律 5 . 0005 . 00对数线性风廓
7、线对数律和指数律公式都建立在半经验理论半经验理论基础之上，现介绍以莫宁奥布霍夫相似理论莫宁奥布霍夫相似理论为基础的对数线性风速廓线对数线性风速廓线公式。在近中性条件近中性条件下（含弱不稳定和弱稳定）： Lzzzzuuz00*)(ln：莫宁奥布霍夫长度，表征大气稳定度的一个参数：空气密度：空气定压比热：位温：重力加速度：垂直显热通量 ：与大气稳定度有关的参数)/(3*gHuCLPLPCgHLzLzRi1/梯度风梯度风2、关于粗糙度及零平面位移、关于粗糙度及零平面位移l北京北京325m气象塔，气象塔，15层，半小时平均，层，半小时平均，2004 2006年年l研究零平面位移研究零平面位移d，粗糙度
8、，粗糙度z0l方法：廓线法方法：廓线法l根据郑艳萍、杨小千、王宝民的研究初步结果根据郑艳萍、杨小千、王宝民的研究初步结果北京北京325m气象塔气象塔Li 2010方法方法寻找常通量层寻找常通量层用160-140m两层的|Ri|0.01作为中性判据，200140m层进行迭代拟合将给出最好结果。常通量层厚度约60m拟合零平面位移、粗糙度零平面位移、粗糙度0-4546-9091-135136-180181-225226-270271-315316-360年平均年平均2004年年5.093.514.033.633.333.455.484.142005年年4.424.635.334.665.563.87
9、2.883.273.972006年年5.731.288.974.035.103.144.584.360-4546-9091-135136-180181-225226-270271-315316-360年平均年平均2004年年86.6178.4285.3576.1783.6382.5876.6281.722005年年80.5179.8077.7377.1471.9175.8278.0779.0077.492006年年88.3790.2283.4278.2681.0764.2976.7676.31粗糙度比较Monim and Hu 2005粗糙度：本文结粗糙度：本文结果与以往研究结果与以往研究结果
10、量值相当果量值相当零平面位移比较上图为上图为Li 2010 结果；高志球等结果；高志球等2002给出给出d=40.12m.本文结果远大于上述结果，值得进一步研究！本文结果远大于上述结果，值得进一步研究！A great deal of information not only on wind flow over urban areas but on the vertical component of wind motion has been obtained from tetroon flights. Much of this information has been obtained over
11、 New York CityVertical track of a tetroon on a midday flight across Manhattan Island,New York (after H a s rt ul., 1967).3、垂直运动、垂直运动 4、辐合、辐合NE250m500m1600m900mWind perturbation field at noon on a summer day over St. Louis,showing the convergence field by streamlines (solid curves), perturbation isot
12、achs in meters per second (dashed curves) at various levels above the city (heights are given in meters above mean sea level) (from Ackerman, 1972).These studies clearly showed convergence over the urban area and slightly cyclonically curved trajectories. Obviously, the wind field distortion was mos
13、t notable when regional winds were weak but still observable even in strong winds. The divergence is calculatedfrom the wind field by measuring the increase in area of the horizontal winds subtended in their passage over the city during a given time interval：tAAD01D ：divergence (if negative: converg
14、ence)A： initial arcA：difference between A and distortion of winds in time lapse tIn the lowest layers there is mass convergence into the city with D values of -110-4 sec-l, reaching values up to -1.710-4 sec-lCalculations of vertical motion yielded mean values of w = 0.07 m sec-l to maximally0.3 m s
15、ec-l. The afternoon values showed convergence into the city in about 60 percent of all observations, with the greatest disturbanceshown in the early afternoon at the time of the maximum temperature5、热岛环流 一般认为，当天气尺度的风速较小时，一般认为，当天气尺度的风速较小时，边界层大气由于城市热岛的存在，可以边界层大气由于城市热岛的存在，可以在城市中心形成一个低压中心并产生指在城市中心形成一个低压
16、中心并产生指向城市的气压梯度力，在低层造成向内向城市的气压梯度力，在低层造成向内的辐合流场和上升气流。在几百米的高的辐合流场和上升气流。在几百米的高度上，空气又以相反的方向从城市向郊度上，空气又以相反的方向从城市向郊外流出并下沉，形成一缓慢地热岛环流。外流出并下沉，形成一缓慢地热岛环流。 热岛环流示意图热岛环流示意图热岛环流观测和模拟实例热岛环流观测和模拟实例观测示意图The observations in December 1984 lasted from 17th to 28th. The measurementsof wind and temperature fields were ta
17、ken every 2 h.0600时观测风廓线下层辐合气流下层辐合气流0600时观测温度廓线热岛效应0600时观测温度场1200时观测温度场冷岛效应冷岛效应0700时SO2浓度场白天冷岛强度人为热排放0600时模拟温度场观测模拟0600时模拟流场1200时模拟温度场观测模拟该文结论该文结论 弱风条件下：弱风条件下： 夜间产生城市热岛，由人为热引起夜间产生城市热岛，由人为热引起 夜间，在城市下风郊区产生反向气流，夜间，在城市下风郊区产生反向气流，城市底层为辐合气流，即城市底层为辐合气流，即“热岛环流热岛环流” 白天，由于大气污染、逆温等原因，产白天，由于大气污染、逆温等原因，产生生“城市冷岛城市冷岛”。 三维数值模式可以模拟城市边界层一些三维数值模式可以模拟城市边界层一些重要特征，如热岛、冷岛、环流等。重要特征，如热岛、冷岛、环流等。The end of Part one
