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城市气象学问答题（25”+15”）一、城市热岛的时空变化、原因和影响1、定义：城市化发展造成的城市中气温高于外围郊区，称之为“城市热岛效应”。表示方法：热岛强度即以城郊温差来表示郊城TTT-2、城市热岛的形成原因：1）下垫面因素：城市下垫面与郊区的土壤、植被截然不同；城市下垫面性质不同，热力性质差异很大；城市下垫面性质的改变，是形成热岛强度的重要原因。①下垫面不透水面积大②下垫面的热性质③下垫面的几何形状④天穹可见度2）人为热和大气污染人为热造成：①城市热岛具有季节性变化，比如冬季热岛强度大于暖季②城市热岛具有周变化，比如星期一到星期五的热岛强度大于周末③城市热岛具有日变化，比如一天中城市热岛强度出现的两个峰值与城市采暖所消耗能源日变化中的两个峰值对应城市热岛与大气污染关系：①热岛环流不利于污染物的输送和扩散②城市热岛效应对近地面源和高架源的影响不同③城市热岛效应造成严重空气污染或二次污染，使城区环境质量综合下降④城市中能源消耗量大于农村，人类活动排放到空气中的CO2等温室气体远比郊区多，造成城区气温上升显著⑤地表辐射热以及人为热源排放的大量热量，被大气污染物障阻挡在近地面层，造成城区气温上升显著。3）天气形势与气象条件①天气形势。天气晴稳、气压梯度小的天气形势有利于城市热岛效应的形成。北京城市热岛效应形成的天气条件是天气晴稳、气压梯度小、风速小、晴天或少云、层结稳定。②风速。城市热岛效应与风速呈负相关，在气象要素中风速对城市热岛形成和影响最大。③云量。城市热岛效应与低云量有明显的相关性。低云量多时热岛强度小，晴空时热岛强度大。3、城市热岛的特点1）城市热岛的水平特点①城市的空气温度分布由市中心向外逐渐降低，直至和乡村等同起来②在城市内部，温度分布差异很大：商业区、工业区和居住区一般温度较高，公园、绿化带、林荫道及湖泊等水体附近则温度较低，与郊外乡村温度差异小。2）城市热岛的垂直变化城市热岛在垂直方向上可伸展到整个边界层3）城市热岛的时间变化城市气象学①日变化：在晴稳天气下，热岛强度都是早晚和夜间强，城市温度比郊外高；白天和中午热岛强度弱，城市和郊外的气温比较接近；而夏季中午，有时甚至会出现城内气温比郊外低的现象。形成原因：与城郊热量收支状况不同有关；一般郊区在日落后净辐射转为负值，而城区下垫面白天积蓄的热量多，夜间风速又比郊区小，不利于热量向外扩散，使得城区夜间气温比郊区高，城郊之间温差大；随着太阳高度角逐渐增大，郊区因土壤热容量小而迅速增温，使得温差明显减小，到中午前后，城郊的气温已基本接近。②周变化：主要和人类活动的周期有关。③季节变化：与城市所在的地理位置和能源用量等有关④年变化：与城市所在的区域气候背景有关，而且与城市的规模结构和人为的热释放有关。大体上，冬季热岛强度比较大，夏季热岛强度比较小。4、热岛强度的地区差异1）城市的地理纬度不同。随着纬度升高，热岛强度一般是增加的2）城市的气候类型不同。城市热岛效应在大陆性气候区和海洋性气候区内表现出明显的差异。一般在大陆性气候条件下，热岛效应较强。3）季风的影响。我国大部分地区处在季风气候区内，致使每个城市的热岛强度都具有明显的季节变化4）城市化效应。城市热岛形成的主要原因是城市化效应造成的对原有辐射平衡的改变，不同国家、不同地区的城市发展水平不同，其热岛强度也不相同。5、城市热岛的影响1）有利影响：①由于城市热岛效应使城区气温比郊区高，因此，城区冬季的积雪要比郊区融化得快，这对交通十分有利。②在城市热岛效应的直接作用下，城区霜冻日数减少，无霜期增加。2）不利影响：①在中纬度地区的夏季，城市热岛效应会加大城区高温的出现频率，形成高温灾害，带来巨大的经济损失②城区因低空有悬浮逆温层的存在，不利于大气污染物的扩散，容易形成污染物堆积③大气污染物增加，提供更多的凝结核生成云雾，使得能见度变差，影响城市交通运输，雾凇还会影响电线和通讯线路的安全二、城市发展对风的影响影响城市风场的主要因素：城市的摩擦作用、较大范围的盛行风场、城市热岛强度及城郊的稳定度差异等。主要表现在两个方面：1）动力摩擦作用，使城市地面风速迅速减小，而湍流混合以及风的阵性度明显增加2）城郊热力差异，可形成类似于海陆风的城郊之间的局地环流。1、城市发展对风速的影响：①城市具有特殊的粗糙表面，各种高度的建筑物，纵横交错的街道，对气流运动的摩擦阻滞作用很大；②城市下垫面粗糙度增大，有减小地面平均风速的效应；③城市发展使年平均风速逐年减小，市区风速小于郊区；城市气象学④城市化对盛行风速具有削弱作用。随着城市的发展，与郊区农村相比，城市静风日数有增加趋势，平均风速不断下降，最大风速减小10~20%。2、夜间城市风速增大的主要原因包括三个方面：1）微弱的盛行风场2）趋于稳定的郊区大气层结3）强烈发展的城市热岛3、城市对风向变化的影响：1）城市风向的改变，实际上是气压梯度力、摩擦力和科氏力在平衡状态下的扰动。2）城市热岛环流是热力因子和动力因子共同作用的结果3）城市近地面层风向发生变化的主要原因，是城市下垫面的阻碍作用所致4、风场的垂直变化特征：不同城市的风向切变高度和城郊风向切变差异，则与城市所处的地理位置、地形特征、气候背景以及不同的天气系统有关在风场的垂直结构上，城市与郊区存在着显著差异。主要表现在两个方面：①由于下垫面粗糙度不同，使得城郊边界层中风速的垂直梯度明显不同②城郊边界层结构的差异，使地砖风速出现的高度不同，农村较低，城市较高风的垂直分布存在着复杂的日变化和年变化。城郊风速差的垂直分布不仅随时间变化，还随郊区风速的大小而变化。城郊边界层风场的垂直变化，包括风向的切变、地转风高度、日变化、季节变化、风速廓线和垂直运动等，与当地、当时的天气气候背景紧密相关。5、热岛环流1）发展良好的城市热岛会造成低层气流向市区辐合上升，在几百米高度上以相反的方向从城市向郊区辐散下沉，形成热岛环流。2）热岛环流是一类城市热力扰动强迫作用下形成的中尺度环流；这种热力扰动并不是一个稳定连续的过程，存在准周期振荡。3）热岛环流的上升运动，有时不在热力扰动中心，而是偏向于热力中心的下风方向。4）这种城郊之间有规律的气流运动现象，称为城市热岛环流。6、热岛环流的产生在大范围气压梯度很小的天气形势下，由于城市热岛的存在，使得城市空气温度高于乡村，在市区形成一个弱低压中心，温度差异引起气压梯度，造成气流在城市中心辐合上升，到达一定高度后向四周辐散，在城市外围郊区下沉，而郊区近地层又向城市中心流动。由热岛环流产生的风，称为城郊风或乡村风。风速大小与热岛强度、天气背景以及城市本身下垫面结构特点等因素有关。通常，热岛环流强度夜间大于白天，与热岛强度最大值出现在夜间相吻合。大气层结稳定度因子起着相当重要的作用。7、热岛环流的影响因素①城市热岛环流受大范围盛行风的制约。当盛行风速超过3m/s时，城郊间的热岛环流将遭到破坏。②热岛环流的垂直范围约为100~300m/s，并随城市覆盖层高度的增加而增高③城市地理位置对热岛环流的影响很大三、人为热1、人为热的来源包括由人类生活和生产活动以及生物新陈代谢所产生的热量。①工业生产②家庭炉灶城市气象学③空调制冷④机动车排放⑤冬季取暖2、城市人为热的分类：①固定源热：人类生产、生活燃料燃烧产生，为主②移动源热：汽车、摩托车等排放的热量，其次③新陈代谢热：很小，一般可忽略。3、城市中人为热的影响因素：1）纬度2）城市规模3）人口密度4）人均能耗水平5）城市性质6）区域气候条件4、城市中人为热的特点：季节变化、日变化和周变化1）季节变化：一般是夏多、冬少2）日变化：早8、晚6高峰（与人类活动规律有关）3）周变化：周一周五高，周末少名词解释1、云：由漂浮在大气中的水滴、过冷水滴、冰晶或它们混合组成的可见悬浮体2、雾：悬浮在近地面大气中大量细微水滴（或冰晶）的可见集合体，是近地层空气中水汽凝结（或凝华）的结果；雾是空气中水汽达到或接近饱和时，在凝结核上凝结而形成的；雾和云的物理本质相同，差别在于是否接触地面。3、霾：是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体。霾使空气混浊，水平能见度低于10km以下。霾不同于雾，有霾时空气中水汽含量很小，相对湿度也不大。4、光化学烟雾：主要是由汽车废气（以汽油为燃料）或是由、化工及冶炼业大量排放的一次污染物（氮、氧化物和碳氢化合物）在强烈阳光照射下，经光化学反应而形成的一种浅蓝色烟雾。5、辐射雾：在天气形势稳定、夜晚无云或少云、无风或风速很小时，辐射冷却作用使近地面空气温度下降，达到饱和或接近饱和时而形成的雾6、平流雾：是由于来自海上的暖湿空气，平流输入大量的水汽，从而使上海城区的水气压不断升高，在达到或接近饱和时所形成的雾。7、平流辐射雾：是在稳定的天气下，既有水汽的平流输入，又有夜晚的辐射冷却作用，导致近地面空气达到或接近饱和时所形成的雾。这种雾多出现在入海变性高压后部和大陆弱高压控制下。8、锋面雾：当移动缓慢的锋面经过上海或其附近地区时，如果风速较小，锋面逆温层距离地面的高度低，锋面两侧气温差异较大时所形成的雾。从雾的形成机制而言，又可分为锋面降水雾与锋面混合物两种。9、能见度：不能见的最小距离，能见的最大距离，能见度等级越高，能见距离越远。10、混浊岛效应：城市的混浊度因子D/S明显大于农村，呈现为所谓的“混浊岛”。表现在：城市气象学1）城市大气中的污染物质比郊区多2）城市低云量和阴天日数比郊区多3）散射粒子多，太阳散射辐射强4）城区的能见度小于郊区11、干岛效应：白天，在太阳照射下，下垫面通过蒸散过程进入空气中的水汽量城区小于郊区；特别是盛夏季节，城郊之间自然蒸散的差值更大。城区下垫面粗糙度大，有热岛效应，湍流运动强，底层水汽向上输送多，导致城区近地面水汽压小于郊区，形成城市“干岛”。12、湿岛效应：夜晚，风速逐渐较小，空气层结稳定，郊区气温下降快，饱和水汽压减低，有大量水汽在地表凝结成露水，存在于低层空气中的水汽减少，水汽压迅速降低。城区因有热岛效应，其凝露量远比郊区少，夜晚湍流弱，与上层空气间的水汽交换量小，城区近地面的水汽压就会高于郊区，出现城市“湿岛”。有凝露湿岛、结露湿岛、雾天湿岛、雨天湿岛，其中凝露湿岛最多，全年各月均有出现。13、暖云降水机制：主要依靠大小云滴的碰撞作用，使大云滴逐渐增大，直至以降水的形势降落。硫酸盐、硝酸盐和碳酸盐等凝结核的作用，吸收水汽形成大小均匀的云滴14、城市冰核效应：城市工业区特别是钢铁工业区是冰核的良好源地，由某些工厂和汽车尾气中的铅粒与碘蒸气混合时，能形成有效冰核。15、冷云降水机制：云中有大量的过冷却水滴，若缺乏冰核，则不易形成降水。城市中有大量冰核排放到空气中，能促进过冷却云滴中的水分凝华到冰核上，使冰粒增大，促进降水形成。其他需要知道的：1、城市热岛、城市湿岛、城市干岛之间的关系：在城市干岛和城市湿岛出现时，必然伴有城市热岛，而且都在风速微弱时存在。因为城市干岛是城市热岛形成的原因之一，而城市湿岛的形成又必须先存在城市热岛。城市干岛→城市热岛→城市湿岛2、城市的辐射收支：1）城市中太阳总辐射比郊区弱2）到达城市下垫面的太阳直接辐射减弱程度很大3）城市到达下垫面的散射辐射比乡村大4）城市短波幅度减少更明显，短波部分因极易被散射而比例减少5）长波部分因散射作用而比例增加6）太阳总辐射时空变化比郊区复杂7）地面长波辐射大于郊区8）城市大气逆辐射大于郊区9）城区有效辐射（下垫面放出的热辐射与大气逆辐射之差）比乡村小10）城市净辐射和乡村差不多11）城市下垫面储热比郊区大12）城市显热总是比郊区大13）城市下垫面向大气提供的潜热远小于郊区3、风影区，风速很小；狭管效应区，风速大4、城市街谷的流动机制可分为：孤立粗糙流动、尾流干扰流动和擦顶绕流（Skimming流动机制）城市气象学5、风振系数定义为总风压与静风压之比6、城市对云量的影响：城市有使云量增多的效应，尤其是对低云量影响更大；城市上空的云量，尤其是夏季，对流发展比较旺盛，且凝结核较多，城市上空积云、对流云形成较多。7、雾使能见度变差主要与雾滴的散射有关8、城市