《城市气象学》课件：05-2城市热岛-特征.ppt

1、Ch5 Urban Heat Islands（UHIs）二、二、UHIs特征特征二、二、UHIs特征特征1. UHI 强度描述强度描述2. UHI 周期性和非周期性变化周期性和非周期性变化3. UHI 地区差异地区差异4. UHI 垂直结构垂直结构1、描述、描述UHIs城市热岛研究可从两个方面入手：城市热岛研究可从两个方面入手：l同一时间城郊气温对比，城市热岛强度：同同一时间城郊气温对比，城市热岛强度：同一时刻，同一高度（通常是离地面一时刻，同一高度（通常是离地面1.5m高高处），城市中心区气温和郊区气温差。处），城市中心区气温和郊区气温差。如何如何选取代表站点，这是一个问题！选取代表站点，这

2、是一个问题！l同一城市不同发展阶段气温的前后对比。同一城市不同发展阶段气温的前后对比。这这是热岛吗？区域气候变化的影响如何滤除？是热岛吗？区域气候变化的影响如何滤除？（1）、城郊气温对比方法）、城郊气温对比方法地名位置最大热岛强度Madras沿海4.0Vijayawada内陆2.0Visakhapatnan 沿海0.6Pune内陆10.0Bombay沿海9.5Calcutta内陆4.0Bhopal内陆6.5New Delhi内陆6.0印度若干城市热岛强度印度若干城市热岛强度如何选取代表性的城郊站点如何选取代表性的城郊站点l没有统一的选取站点标准，常用方法如下：没有统一的选取站点标准，常用方法如

3、下：l城市中心区选一个，郊区选一个；城市中心区选一个，郊区选一个；l城市中心区选若干个，郊区选若干个；城市中心区选若干个，郊区选若干个；l整个城区站点平均，整个郊区站点平均；整个城区站点平均，整个郊区站点平均；l整个城区面平均，整个郊区面平均；整个城区面平均，整个郊区面平均；l注意站点的海拔高度问题！例如站点高差超注意站点的海拔高度问题！例如站点高差超 过过100m则不选。则不选。（2）、城市气温的历史前后对比）、城市气温的历史前后对比l采用同一城市在其发展前后气温对比的方法，采用同一城市在其发展前后气温对比的方法，为了滤去同一时期大气候因素所造成的气温为了滤去同一时期大气候因素所造成的气温历

4、史变化，历史变化，可以采用在相似区域气候条件下可以采用在相似区域气候条件下的郊区同期气温的变化作为参考。的郊区同期气温的变化作为参考。年份年份年平均气温年平均气温差值差值上海台上海台（市区）（市区） 上海县上海县（近郊）（近郊） 松江松江（远郊）（远郊）1960196415.9615.8415.800.120.160.041965196915.5415.3615.240.180.300.121970197415.4815.2815.260.200.220.021975197915.8815.6215.680.260.20-0.061980198415.7215.2615.280.460.44-

5、0.021985198915.9615.4415.340.520.620.10上海上海19601989年气温的变化（年气温的变化（）Impact of urbanization and land-use change on climate Eugenia Kalnay & Ming CaiUniversity of Maryland, College Park, Maryland 20770-2425, USANATURE |VOL 423 | 29 MAY 2003 | most important anthropogenic influences on climate are the em

6、ission of greenhouse gases and changes in land use, such as urbanization and agriculture. But it has been difficult to separate these two influences because both tend to increase the daily mean surface temperature. The impact of urbanization has been estimated by comparing observations in cities wit

7、h those in surrounding rural areas, but the results differ significantly depending on whether population data or satellite measurements of night light are used to classify urban and rural areas. Here we use the difference between trends in observed surface temperatures in the continental United Stat

8、es and the corresponding trends in a reconstruction of surface temperatures determined from a reanalysis of global weather over the past 50 years, which is insensitive to surface observations, to estimate the impact of land-use changes on surface warming. Our results suggest that half of the observe

9、d decrease in diurnal temperature range is due to urban and other land-use changes. Moreover, our estimate of 0.27 mean surface warming per century due to land-use changes is at least twice as high as previous estimates based on urbanization alone.概况来说，方法：用实际观测资料概况来说，方法：用实际观测资料减去再分析资料，用于分析下垫面减去再分析资料

10、，用于分析下垫面温度的变化，从而考察城市化及土温度的变化，从而考察城市化及土地利用类型变化所导致的温度变化！地利用类型变化所导致的温度变化！a, Station (observed) maximum temperature trends. b, NNR (analysed) maximumtemperature trends. c, Observed minus analysed maximum temperature trends.Decadal trend of the minimum temperature averaged for every US station below500 m

11、. Zhou LM2004ShenzhenZhou LM2004中国东南部2、热岛周期性和非周期性变化、热岛周期性和非周期性变化日、周、季节周期变化、非周期变化日、周、季节周期变化、非周期变化（1）、）、UHI日变化日变化大量观测资料表明：大量观测资料表明：l在晴稳天气条件下，城市热岛强度大都是夜在晴稳天气条件下，城市热岛强度大都是夜晚强，白昼午间弱。晚强，白昼午间弱。lOke曾根据中纬度大量实测记录归纳为在曾根据中纬度大量实测记录归纳为在“理想状态理想状态”下（城、郊地形平坦，天气晴下（城、郊地形平坦，天气晴朗，风小）城郊气温日变化、气温逐时增减朗，风小）城郊气温日变化、气温逐时增减率和城市

12、热岛强度日变化的模式曲线。率和城市热岛强度日变化的模式曲线。在理想状态下城市与郊区在理想状态下城市与郊区 a气温日变化，气温日变化，b 气温逐时增气温逐时增减率；减率；c 城市热岛强度的日变化曲线城市热岛强度的日变化曲线（2）、）、UHI周变化周变化l世界上很多国家统一规定周末为休假日，多世界上很多国家统一规定周末为休假日，多数工厂停工，机动车流量也比工作日要小得数工厂停工，机动车流量也比工作日要小得多。因而城市区域污染物的排放量大大减少，多。因而城市区域污染物的排放量大大减少，人为热也相应减少，从而导致工作日热岛强人为热也相应减少，从而导致工作日热岛强度大于周末。度大于周末。（3）、）、UH

13、I季节变化季节变化l热岛强度的季节变化十分复杂，主要视区域热岛强度的季节变化十分复杂，主要视区域气候条件和城市人为因素而异，没有一定的气候条件和城市人为因素而异，没有一定的模式。模式。l（1）赤道湿润气候区，全年湿热，在热带）赤道湿润气候区，全年湿热，在热带沙漠气候区全年高温干旱，其气温和降水的沙漠气候区全年高温干旱，其气温和降水的季节变化很小，所以热岛强度的季节变化也季节变化很小，所以热岛强度的季节变化也很小。很小。l（2）热带干、湿季气候区一年中气温的年）热带干、湿季气候区一年中气温的年振幅虽然不大，但降水的季节变化却十分显振幅虽然不大，但降水的季节变化却十分显著。如，墨西哥城市热岛主要出

14、现在干凉季著。如，墨西哥城市热岛主要出现在干凉季节的夜间，在湿季和白昼并无热岛现象。节的夜间，在湿季和白昼并无热岛现象。l（3）副热带和温带季风气候区城市热岛强）副热带和温带季风气候区城市热岛强度以冬季和秋季为最强，夏季和晚春为最弱。度以冬季和秋季为最强，夏季和晚春为最弱。如我国的广州（南副热带）、上海（北副热如我国的广州（南副热带）、上海（北副热带）和北京（暖温带）。带）和北京（暖温带）。l（4）西欧和北美中纬度城市热岛强度却大）西欧和北美中纬度城市热岛强度却大都是夏秋强冬季弱，与季风气候区完全不同。都是夏秋强冬季弱，与季风气候区完全不同。冬季云量大，夏季云量小，是产生热岛强度冬季云量大，夏

15、季云量小，是产生热岛强度夏强冬弱的主要原因。夏强冬弱的主要原因。l（5）寒温带气候区因冬季太阳辐射微弱，）寒温带气候区因冬季太阳辐射微弱，城区为了人工取暖，大量使用能源，人为热城区为了人工取暖，大量使用能源，人为热的排放量在冬季很大，因而热岛强度也以冬的排放量在冬季很大，因而热岛强度也以冬季为最强。季为最强。（4）、）、UHI非周期变化非周期变化l城市热岛强度还因气象条件和人为因素不同城市热岛强度还因气象条件和人为因素不同而出现明显的非周期性变化。气象条件中以而出现明显的非周期性变化。气象条件中以风速、云量、太阳直接辐射、低空气温直减风速、云量、太阳直接辐射、低空气温直减率等最为重要，在人为因

16、素中则以空调耗热率等最为重要，在人为因素中则以空调耗热量和车流量两者关系最密切。量和车流量两者关系最密切。l不同学者曾对不同学者曾对热岛强度和气象因子热岛强度和气象因子的关系进的关系进行统计回归，得到了不同的经验公式，兹举行统计回归，得到了不同的经验公式，兹举例如下：例如下：eTuNTru01. 001. 009. 001. 04 . 1eTuNTru03. 002. 038. 010. 08 . 2Sundborg对瑞典乌卜萨拉城：对瑞典乌卜萨拉城：适用于白天：适用于白天：适用于夜间：适用于夜间：式中，式中，N为总云量（十分之几）；为总云量（十分之几）；u为风速（为风速（ms-1）；）； T

17、为温度（为温度（）；）；e为水汽压（为水汽压（hPa）。）。Park对汉城：（对汉城：（热岛强度和风速的统计回归热岛强度和风速的统计回归）uTru31. 043. 36 .11log4 . 3limPU另外，当风速大于某一值时，热岛现象将消失，另外，当风速大于某一值时，热岛现象将消失，这一风速值称为这一风速值称为临界风速临界风速：其中其中P为城市人口数。为城市人口数。热岛强度和气温直减率热岛强度和气温直减率Ludwig的统计结果：的统计结果：人口小于人口小于50万的城市：万的城市：)95. 0( ,78. 63 . 1rTru)81. 0( ,24. 77 . 1rTru)87. 0( ,8

18、.146 . 2rTru人口人口50200万城市：万城市：人口大于人口大于200万城市：万城市：为城区地面温度直减率，为城区地面温度直减率，/hPa热岛强度和太阳辐射等因子的统计回归热岛强度和太阳辐射等因子的统计回归Nkemdirim，加拿大，卡尔加利，加拿大，卡尔加利AFruTNuyQT24. 023. 003. 002. 008. 043. 0016. 7FQyuNAT为空调的能耗（百万立方英尺为空调的能耗（百万立方英尺/小时；小时；为车流量（当时车流量占全天车流量的比例）；为车流量（当时车流量占全天车流量的比例）；为风速（为风速（ms1）；）；为云量（占全天面积的百分数）；为云量（占全天

19、面积的百分数）；气温直减率（气温直减率（/100m）；）；为近郊机场气温（为近郊机场气温（），代表当地区域气温。），代表当地区域气温。热岛强度和当时天气系统：热岛强度和当时天气系统：广州城市热岛出现时地面天气系统百分率广州城市热岛出现时地面天气系统百分率月份月份强热岛强热岛中等强度热岛中等强度热岛弱热岛弱热岛1变性高压脊控制变性高压脊控制100%变性高压脊、锋前变性高压脊、锋前暖区各占暖区各占85.7%,14.3%变性高压脊、锋变性高压脊、锋前暖区各占前暖区各占75%,25%4变性高压脊控制变性高压脊控制100%无无静止锋、变性高静止锋、变性高压脊、冷锋各占压脊、冷锋各占46.2%,30.7%

20、,23.1%7副高副高83.3%,台风外围台风外围16.7%副高副高80%,台风外台风外围围20%副高副高89.2%,冷锋冷锋、低压台风外围、低压台风外围各各3610变性高压、副高、锋前变性高压、副高、锋前暖区各占暖区各占 64.4%,28.6%,7.0%变性高压、锋前暖变性高压、锋前暖区、副高各占区、副高各占50%, 30%, 20%副高、锋前暖区副高、锋前暖区、变性高压各、变性高压各38.5%,23%0 . 3ruT0 . 2ruT强热岛：秋冬季强热岛：秋冬季春夏季春夏季5 . 15 . 0ruT5 . 0ruT弱热岛：弱热岛：无热岛：无热岛：综上所述，热岛强度非周期变化虽有不同综上所述，

21、热岛强度非周期变化虽有不同，但基本上都是与风速、云量、气温直减，但基本上都是与风速、云量、气温直减率和区域气温成负相关，与人为热成正相率和区域气温成负相关，与人为热成正相关。夜晚热岛强度与当天白昼太阳直接辐关。夜晚热岛强度与当天白昼太阳直接辐射日总量成正相关，强热岛大多出现在高射日总量成正相关，强热岛大多出现在高压型天气下。压型天气下。3、UHI地区差异地区差异（1） 最大热岛强度和城市人口数量的相关最大热岛强度和城市人口数量的相关Oke根据北美根据北美18个城市和欧洲个城市和欧洲11个城市的资料，得到：个城市的资料，得到：79. 6log06. 3max.PTru06. 4log01. 2m

22、ax.PTru北美：北美：欧洲：欧洲：（2） 热岛强度和土地利用类型的相关热岛强度和土地利用类型的相关Park对汉城的研究：对汉城的研究：1，商业用地和工业用地；，商业用地和工业用地；2，住宅用地；，住宅用地；3，农业用地；，农业用地；4，绿地；，绿地；5，水域。分别用，水域。分别用 代表每块用地中代表每块用地中各类用地占的百分比，由此求出每小块面积上的气温距平值各类用地占的百分比，由此求出每小块面积上的气温距平值 （相当于热岛强度）：（相当于热岛强度）：5432102. 001. 001. 004. 005. 044. 2xxxxxT（3）热岛强度和城市不透水面积的相关热岛强度和城市不透水面

23、积的相关Park对日本和韩国城市的研究：对日本和韩国城市的研究：11. 124. 01max.xTru09. 009. 01max.xTru适用于韩国：适用于韩国：适用于日本：适用于日本：另外，热岛强度和城市建筑物密度、城市下垫面几何形状、另外，热岛强度和城市建筑物密度、城市下垫面几何形状、街道的走向、街道两侧建筑物高度以及城市的布局形状等因街道的走向、街道两侧建筑物高度以及城市的布局形状等因素也有密切相关素也有密切相关4、UHI垂直结构垂直结构不同城市热岛的垂直结构不尽相同，但在某不同城市热岛的垂直结构不尽相同，但在某些方面存在一定共性，些方面存在一定共性，Oke曾对中纬度大城市曾对中纬度大

24、城市在在夏季、晴天、微风天气条件下城市边界层夏季、晴天、微风天气条件下城市边界层的热力结构的热力结构进行了概括。进行了概括。（1）白天午后（约在）白天午后（约在1415时），城市和郊区气温垂直时），城市和郊区气温垂直分布形式差异不大，在近地面都有一个薄的不稳定层，在分布形式差异不大，在近地面都有一个薄的不稳定层，在此之上位温不随高度变化。城区混合层厚度（此之上位温不随高度变化。城区混合层厚度（0.51.5km）比郊区略大。在混合层之上是稳定层结。此时热岛强度不比郊区略大。在混合层之上是稳定层结。此时热岛强度不大，但是城市增温影响所及高度要比夜间大。大，但是城市增温影响所及高度要比夜间大。（2）

25、夜间地面气温热岛强度比白天午后大。城市与郊区）夜间地面气温热岛强度比白天午后大。城市与郊区温度垂直分布完全不同。上风向郊区因长波辐射冷却出现温度垂直分布完全不同。上风向郊区因长波辐射冷却出现接地逆温，层结十分稳定；而城市中心仍有一浅薄的不稳接地逆温，层结十分稳定；而城市中心仍有一浅薄的不稳定层结，其混合层高度定层结，其混合层高度(0.10.3km)远比白天为低。远比白天为低。（3）城市中心气温垂直梯度的昼夜变化比较小，而郊区）城市中心气温垂直梯度的昼夜变化比较小，而郊区的昼夜变化却很大。的昼夜变化却很大。（4）夜晚，城市中心气温垂直廓线与上风向郊区大不相）夜晚，城市中心气温垂直廓线与上风向郊区

26、大不相同，在一定高度出现交叉现象（同，在一定高度出现交叉现象（即在该高度上，城市气温即在该高度上，城市气温低于郊区气温低于郊区气温）。城市热岛强度在近地面最大，随高度增）。城市热岛强度在近地面最大，随高度增加而减小。过交叉点后，城市气温反而低于郊区。加而减小。过交叉点后，城市气温反而低于郊区。Crossover effect交叉效应的成因交叉效应的成因lSecond urban surface effect: roof levellPollutant layer, heat loss by outgoing radiationTypical nocturnal vertical temperature structure over an urban and adjacent rural area, showing the so-called crossover effect.UHI 垂直结构与风的关系垂直结构与风的关系城郊对比城郊对比历史对比历史对比气象站、卫星气象站、卫星资料、数值模式资料、数值模式人口、土地人口、土地利用类型利用类型交叉效应交叉效应随高度递减随高度递减描述描述周期周期性性垂直垂直结构结构地区地区差异差异城城市市热热岛岛特特征征日周季节日周季节非周期非周期气象因子气象因子如夜强昼弱如夜强昼弱屋顶、污染屋顶、污染The end of Section 2