城市气候学06.ppt

第六章城市的风场,1,主要内容,城市发展对盛行风速的影响城市对风向变化的影响及热岛环流城市边界层流场的垂直结构城市覆盖层内流场的局地差异,2,1.城市发展对盛行风速的影响,城市风速历史资料的前后对比同一时期城市与郊区测风资料的对比,3,（1）城市风速历史资料的前后对比,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。上海历年风速(m/s),4,（1）城市风速历史资料的前后对比,转帖教材P61，图6.1,5,（1）城市风速历史资料的前后对比,转帖教材P61，图6.2,6,(2)同一时期城市与郊区测风资料的对比,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,7,(2)同一时期城市与郊区测风资料的对比,城市与郊区风速的差值因时、因地、因风速而异。城郊风速差值有明显的季节变化和日变化一年中城郊风速差以盛行风速最大的季节最大，盛行风速最小的季节最小夜间城市风速大于郊区，白天城市风速比郊区小。城郊风速的差值与区域临界风速有关区域风速低于临界风速值，市区风速可大于郊区，反之郊区风速大于市区城郊风速的差值与地理位置所带来的影响有关,8,(2)同一时期城市与郊区测风资料的对比,不同因子对于城市风加速的贡献影响城市风场的主要因子可以归纳为：城市的摩擦作用、较大范围的盛行风场、城市的热岛强度及城郊的稳定度差异等,9,2.城市对风向变化的影响及热岛环流,城市对风向改变的作用：（1）气压梯度力（2）科氏力（3）摩擦力,10,（1）气压梯度力气压梯度概念气压梯度为既有方向又有大小的空间向（矢）量。其方向由高压指向低压，大小等于单位距离内的气压差。单位：hpam（km）表示方式：GN=-p/N。p为两相邻等压线间气压差，N为两相邻等压线间距离。负号表示气压降低，因气压取正值而加负号。可据某地点气压梯度方向，了解气压朝哪个方向降低，还可据气压梯度值大小，了解周围大气空间内气压差异的程度。,11,垂直气压梯度-p/Z单位：hpam。p是两相邻等压线间的气压差，Z是两相邻等压线间的垂直距离。水平气压梯度-p/N单位：hpa赤道度（111km）。p为两相邻等压线间的气压差，N为两相邻等压线间的水平距离。实际大气中，水平梯度变化垂直气压梯度.例：在低层大气中，气压发生变化时的垂直气压梯度为1hpa10m，水平气压梯度为13hpa赤道度。,12,气压梯度的大小,等压线稀疏，单位距离内气压差异小(气压梯度小),等压线密集，单位距离内气压差异大(气压梯度大),气压梯度的方向由高压指向低压,13,气压梯度力,概念：在气压梯度存在时，单位质量空气所受到的力称为气压梯度力。本质：作用于单位质量空气块的力。公式：,14,气压梯度力,水平气压梯度力,垂直气压梯度力,在大气中，水平梯度力垂直气压梯度力，但垂直气压梯度力有重力与之相平衡，水平气压梯度推动空气产生运动的作用力垂直气压梯度。,15,水平气压梯度力（G）概念水平气压梯度存在时，单位质量空气在水平方向上受到的作用力。表达式：G=（1/）（p/n）实际大气中：1.293kg/m3。p/n=1hpa/111km时，G=710-4N/kg。表示1Kg质量的空气，可获710-4牛顿的力，此力相当于1Kg质量空气在水平方向上可获710-4m/s2的加速度。此力虽小，但持续的加速度作用，足以使空气从静止状态转为运动状态，是空气产生运动的原动力。例：3小时，风速从0增至7.6m/s（4级风）1天，风速从0增至60m/s（17级风力）,16,（2）科氏力，即地转偏向力（A）概念由于地平面转动而产生的使空气偏离气压梯度力方向的力。起到限制风无限增大的作用。公式：A=2Vsin差别北半球A使运动空气向右偏，南半球相反使运动空气向左偏，改变了大气物质能量输送的方向（见下图）。大小地转偏向力在赤道为零，随纬度而增加，极地达最大。作用只改变空气运动方向，不改变速率（只改变风向，不改变风速大小）。,17,地转偏向力,18,自由大气中地转风形成示意图,地转风Vg概念气压梯度力和地转偏向力二个力相平衡（GA），自由大气运动，空气作匀速直线运动时产生的风。关系式：Vg=1/（-2sin）（p/n）,19,（3）摩擦力（R）概念两个作相对运动的物体，在相互接触的界面间产生的一种阻碍物体运动的力（有外摩擦力、内摩擦力之分）。外摩擦力概念地表阻碍与之接触的近地表空气运动的力。表达式：R=KV摩擦力的方向：方向与运动空气相反，大小与运动空气的速度（V）和摩擦系数（K）正比。海上R小，风大；陆上R大，风小。,20,内摩擦力概念空气运动速度不同或运动方向不同两个相互接触的气层（团）间产生的摩擦力（相互牵制的力）。主要通过乱流（湍流）交换作用使气流发生改变（也称湍流摩擦力）。摩擦力数值很小，可忽略不计。,21,作用可减小运动空气的速度（风速）和地转偏向力。影响近地面大于上层。随高度增加而逐渐减小，12km高度以上其影响可忽略不计。12km以下称作摩擦层或边界层，12km以上称作自由大气。,22,内摩擦力,2.城市对风向变化的影响及热岛环流,风向变化的某些特征近地面层白天，风向通过城市的流线呈气旋型转变夜间，风向通过城市的流线呈反气旋型转变边界层美国科学家用等容气球直线穿过市区时观测到了大气运动轨迹的偏移,23,2.城市对风向变化的影响及热岛环流,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。,24,在晴朗的夜间城市热岛环流模式,25,城市热岛环流,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(localheatislandcirculation)，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(countrybreeze)。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。,26,城市上空冷空气和热空气交换示意图,27,扩大绿化面积是减少城市热岛效应的好方法,28,热岛环流就像锅盖一样将城市罩住，使城市闷热,29,3.城市边界层流场的垂直结构,风场的垂直变化特征就城市本身而言，由于城郊边界层结构的明显差异，使这两种不同性质下垫面上地转风速出现的高度亦有不同，在开旷的农村其高度较小，在市中心其高度较大。,30,风速随高度分布的表示式对数表示式指数表示式其他表示式,3.城市边界层流场的垂直结构,31,4.城市覆盖层内流场的局地差异,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