城市氣象學(xué)課件：04_2城市能量通量

1、第四章 城市能量通量（二）,1,共87第,單位：Wm-2 注意各能量通量有方向性！ 如何理解該能量平衡方程的意義？,: 入射短波輻射通量 : 反射短波輻射通量 : 地表出射長波輻射通量: 大氣向下長波輻射通量，即大氣逆輻射,2,共87第,1、太陽總?cè)肷漭椛洌?太陽直接輻射S 是平行輻射 太陽散射輻射D不是平行輻射 影響因子：太陽高度角、大氣透明度、下墊面形態(tài),3,共87第,天空視因子1,天空視因子：站在某點，仰望天空，所見天空的立體角與半球立體角的比值，介于01，用于 散射輻射的計算,若無遮擋半球空間，天空視因子：,若被遮擋半個半球空間，天空視因子：,4,共87第,天空視因子2,Fish-ey

2、e lens photographs looking up at the sky zenith point from (a) an open parking lot, sky view factor1.0, (d) the centre of the floor of a street canyon in central Vancouver, sky view factor =0.41. from T R Oke,5,共87第,太陽總?cè)肷漭椛涞某青l(xiāng)差異1,一般： 城市中太陽直接輻射小于鄉(xiāng)村，為什么？ 建筑物遮擋、大氣透明度減?。?城市中太陽散射輻射大于鄉(xiāng)村，為什么？ 污染！ 總體： 城市中太陽

3、總輻射小于鄉(xiāng)村 城市中散射輻射的增加不能彌補直接輻射的減少,6,共87第,太陽總?cè)肷漭椛涞某青l(xiāng)差異2,城市太陽輻射中短波輻射所占比例小于鄉(xiāng)村，為什么？ 城市氣溶膠散射效應(yīng)，散射強度與波長四次方成反比！ 污染成分O3、NO2等易吸收紫外,7,共87第,太陽總?cè)肷漭椛涞某青l(xiāng)差異3,城市太陽輻射時空變化比鄉(xiāng)村復(fù)雜，為什么？ 城市：日、周、季節(jié)變化 城市：局地差異 城市：與風向關(guān)系，污染因素,8,共87第,例：時間變化,請關(guān)注太陽總輻射、直接輻射、散射輻射的變化趨勢,9,共87第,例：光譜成分,10,共87第,例：月變化,11,共87第,例：周變化,12,共87第,2、反射太陽輻射：,反照(射)率：反

4、射太陽輻射與入射太陽輻射之比,反照率與波長有關(guān) 反照率有時間變化 反照率與下墊面有關(guān),13,共87第,例：反照率與波長有關(guān),14,共87第,例：反照率與波長有關(guān),15,共87第,例：城市反照率,16,共87第,城鄉(xiāng)反照率差異,城市反照率一般小于鄉(xiāng)村反照率，為什么？ 城區(qū)綠地少，建筑多 城區(qū)立體下墊面，多次反射、吸收,17,共87第,如何估算城市下墊面反照率,城市下墊面為非均勻下墊面，其組成有建筑物、植被、土壤、水體等，采用何種方法估算其總的反照率？ 遙感手段！如氣象衛(wèi)星AVHRR, Advanced Very High Resolution Radiometers, 改進的甚高分辨率輻射計,1

5、8,共87第,3、地面長波輻射：,地面向上放射的長波：用斯蒂芬玻爾茲曼定律,為地面相對發(fā)射率，若是黑體，則 =1 地面長波輻射與地面溫度的4次方成正比,19,共87第,地面相對發(fā)射率,20,共87第,城鄉(xiāng)差異,21,共87第,如何獲取城市下墊面的溫度,得到城市下墊面溫度是比較困難的 一般氣象臺站提供的地溫是局地值，很難代表城市各種不同下墊面的溫度特征。 比較有效的方法：遙感！利用熱紅外遙感測溫儀器安裝于飛機或衛(wèi)星，取得熱紅外遙感資料，經(jīng)處理，換算求得各種不同下墊面的溫度。優(yōu)點：時間同步性、點為密集性、區(qū)域廣延性,22,共87第,例: MODIS衛(wèi)星獲取城市下墊面溫度,Spatial varia

6、nce of surface temperature valid at 0200 LST 31 October, 2003 by 5-km resolution MODIS,2003 land-use obtained from HKPD. From Lo CF, 2006,23,共87第,4、大氣逆輻射：,大氣向下的長波輻射： 大氣不善于吸收太陽短波輻射，而善于吸收地面發(fā)射的長波輻射。 城市中CO2濃度高，更易吸收地面長波 所以城區(qū)大氣逆輻射往往大于郊區(qū) 大氣逆輻射與風向、風速、云量、水汽壓、污染 等都有關(guān)系 如何估算大氣逆輻射？能否利用斯蒂芬玻爾茲曼公式？當然能！,Ta為百葉箱氣溫，直接這

7、樣寫，可以嗎？為什么？,24,共87第,大氣逆輻射經(jīng)驗公式1,Angstron公式：,Brunt公式：,Swinbank公式：,Idso & Jackson公式：,Ta為百葉箱氣溫（K），e為水汽壓（hPa），大氣逆輻射單位：mW/cm2,25,共87第,大氣逆輻射經(jīng)驗公式2,Aida & Yaji公式：,為垂直溫度梯度（K/hPa），Ta為百葉箱氣溫（K），e為水汽壓（hPa），大氣逆輻射單位：W/m2。此公式考慮了氣溫垂直結(jié)構(gòu)，更為合理，得到的結(jié)果和觀測值更接近,26,共87第,例: 大氣逆輻射,-Idso -Brunt -Angstron -Swinbank,27,共87第,5、城市凈輻

8、射：,下墊面的凈輻射由太陽總?cè)肷漭椛洹⑾聣|面反照率、大氣逆輻射和地面輻射四項共同決定。城市對這四項皆有明顯的影響 到達城市下墊面的太陽總?cè)肷漭椛浔冉紖^(qū)小，但其下墊面的反照率也比郊區(qū)小，在短波輻射收支上，城市與郊區(qū)的差別不大 城市中大氣逆輻射雖比郊區(qū)大，但地面長波輻射城市也大于郊區(qū)，因此在長波輻射收支上，城市與郊區(qū)的差別也不大,28,共87第,例：凈輻射,29,共87第,30,共87第,31,共87第,32,共87第,例：各量日變化,Radiation budget components for 30 July 1971, at Matador, Saskatchewan (50N) over

9、a 02 m stand of native grass. Cloudless skies in the morning, increasing cloud in the later afternoon and evening,33,共87第,觀測儀器,34,共87第,6、感熱通量QH和潛熱通量QE：,下墊面吸收凈輻射用于干什么？一部分貯存于下墊面內(nèi)部，其余呢？用于顯熱輸送給空氣或輸送給地面；用于蒸發(fā)、蒸騰水分將熱量即潛熱輸送給空氣。,KH、KW :熱量的湍流擴散系數(shù)、水分的湍流擴散系數(shù),35,共87第,不穩(wěn)定層結(jié)情況下的顯熱通量觀測實例,36,共87第,湍流擴散系數(shù)影響因子,KH、KW :分

10、別為熱量、水分的湍流擴散系數(shù)，這是計算顯熱和潛熱通量的重要參數(shù)，這兩個參數(shù)與什么有關(guān)？與穩(wěn)定度、風速、風向切變有關(guān)。城市地區(qū)，大氣穩(wěn)定度一般比郊區(qū)小，易激發(fā)熱力湍流；城區(qū)粗糙度比郊區(qū)大，易激發(fā)機械湍流。 顯熱和潛熱的精確測量應(yīng)拋開上述兩個參數(shù)，而采用高響應(yīng)儀器測量！,37,共87第,城市顯熱、潛熱通量特征,白天，顯熱通量總是向上；夜間，大多向上！ 晴天午后，顯熱與凈輻射之比一直很高！,38,共87第,城區(qū)，一般顯熱大于潛熱。城區(qū)不透水面積大、植被少、雨后雨流失快、雪后鏟除積雪,39,共87第,40,共87第,QH,QE 測量：Eddy correlation method,41,共87第,顯熱

11、和潛熱計算：相似理論,42,共87第,Aerodynamic approach,中性層結(jié)時,43,共87第,非中性層結(jié)時,44,共87第,穩(wěn)定層結(jié)時：,不穩(wěn)定層結(jié)時：,用Richardson數(shù)作為穩(wěn)定度判據(jù)：,45,共87第,Non-dimensional stability factor (Mx)-1 plotted logarithmically against the Richardson number stability parameter.,46,共87第,Bowen ratio-energy balance method,47,共87第,7.熱傳導(dǎo)方程及土壤熱通量QG,48,共87

12、第,Idealized mean profiles of air and soil temperature near the soil/atmosphere interface in fine weather.,49,共87第,土壤熱力參數(shù),土壤比熱容C：單位質(zhì)量土壤溫度變化一度所需熱量， 單位：J kg-1 K-1,土壤容積熱容量Cg：單位體積土壤溫度變化一度所需熱量， 單位：J m-1 K-1,土壤一般由多種物質(zhì)構(gòu)成，可簡單劃分為礦物質(zhì)m、有機物質(zhì)c、水分w、空氣a，則土壤容積熱容量可表達為：,其中為各組成物質(zhì)的密度，n為各組成物質(zhì)所占的體積份數(shù)。由于空氣密度很小，一般情況下可以忽略。,5

13、0,共87第,幾種物質(zhì)的比熱容和密度,水分是土壤組成物質(zhì)中的最大變數(shù)，它可顯著改變土壤的熱力學(xué)參數(shù),51,共87第,土壤導(dǎo)熱率,土壤導(dǎo)熱率g，也稱土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)，反映土壤傳導(dǎo)熱量的能力。單位：W m-1K-1，J s-1 m-1 K-1。,根據(jù)Fourier定理：熱流密度q(x,y,z,t)與溫度函數(shù)T(x,y,z,t)的梯度成正比，比例系數(shù)即為導(dǎo)熱系數(shù),熱流密度q(x,y,z,t): 單位時間里通過單位橫截面積的熱量.氣象學(xué)上也稱土壤熱通量QG,52,共87第,幾種物質(zhì)導(dǎo)熱率,53,共87第,土壤導(dǎo)溫率,土壤導(dǎo)溫率kg，也稱土壤熱擴散系數(shù)。單位m2s-1. 數(shù)量級10-610-7。土壤熱傳導(dǎo)

14、率和體積熱容量之比,意義：單位體積土壤單位時間內(nèi)獲得g熱量時引起的溫度變化,54,共87第,土壤熱傳導(dǎo)方程,熱流從一個面流入，從另一個面穿出，凈流人體積元的熱量等于從一些面元流入的減去從其它面元流出的熱量這里符號規(guī)則規(guī)定熱流流出為正單位時間內(nèi)流入小體積元內(nèi)的總熱量dQ為：,其中使用了Fourier定理,55,共87第,如果小體積元內(nèi)無熱源，則小體積元的溫度變化正比于流入凈熱量，由比熱定律有,對于均勻和各向同性介質(zhì)，C, ,g為常數(shù),齊次熱傳導(dǎo)方程,這個推導(dǎo)有問題嗎？,56,共87第,若物體內(nèi)部有熱源，比如有電流或有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了熱量，將單位時間單位體積產(chǎn)熱率稱為熱密度，記為F= ( x , y

15、 , z , t )導(dǎo)出非齊次熱傳導(dǎo)方程：,57,共87第,方程的定解條件：初始條件，熱傳導(dǎo)方程只需一個初值條件，因為熱傳導(dǎo)方程只含有溫度的時間一階偏導(dǎo)數(shù)。,58,共87第,第一類邊界條件,當研究有界區(qū)域內(nèi)的溫度分布，邊界條件通常有三大類： 第一類邊界條件: 若已知區(qū)域邊界上溫度分布，則可以歸結(jié)為第一類邊界條件：,T1為邊界上的已知數(shù)。例如，預(yù)報土壤溫度變化時，常假定表層土壤溫度為周期變化，比如日變化。,59,共87第,第二類邊界條件,若已知區(qū)域邊界上的熱流密度。由Fourier定律，這實際上表示溫度沿界面的法向?qū)?shù)是已知的，則可歸結(jié)為第二類邊界條件:,n為邊界的外法向單位向量。做為特例：絕熱

16、邊界條件，T20。 另例：凈輻射潛熱通量顯熱通量土壤熱通量,60,共87第,第三類邊界條件,周圍介質(zhì),假設(shè)已知周圍介質(zhì)在物體表面的溫度為T 1 (x , y, z ,t )。在表面，物體和外部介質(zhì)間有溫度差:,從而就有熱量的流動。它滿足Newton ( 牛頓 )熱交換定律：在無窮小時段內(nèi)，經(jīng)物體表面上的無窮小面積流到周圍介質(zhì)中去的熱量和物體與介質(zhì)在接觸面上的溫度差成正比。,61,共87第,由周圍介質(zhì)流入的熱量：ds面元面積，H比例常數(shù),由前述的傅立葉定律知dt時間內(nèi)從物體內(nèi)部流向邊界面積元ds的熱量為：,上述兩個熱量應(yīng)該相等，所以,得到第三類邊界條件：,其中,62,共87第,初值問題,如果所考

17、慮的物體體積很大，只需要知道在較短時間內(nèi)和距離物體界面較遠的局部范圍內(nèi)的溫度變化情況，這時邊界條件的影響可以忽略不計，把所考察的區(qū)域視為充滿整個空間。定解問題就可結(jié)歸為初值問題：,以上為三維情況，在一些特殊情況下，可降為二維甚至一維,63,共87第,8.人為熱通量QF,人為熱的來源包括由人類生活、生產(chǎn)活動、生物新陳代謝所產(chǎn)生的熱量。在城市由于人口密度大，在工業(yè)生產(chǎn)、家庭爐灶、汽車、摩托車等排放的廢熱及空調(diào)所排出的熱量，遠比郊區(qū)為大。這是城市氣候中一宗額外的熱量收入。 人為熱在城市能量平衡中究竟占有多大的重要性，要看城市所在的緯度、城市的規(guī)模、人口密度、每個人所消耗的能量水平、城市的性質(zhì)以及區(qū)域

18、氣候條件等而論并有明顯的季節(jié)變化、日變化，在某些西方國家還有周變化，必須就具體城市進行具體分析，不能一概而論,64,共87第,Wikipedia: Anthropogenic heat is heat generated by humans and human activity. The American Meteorological Society defines it as Heat released to the atmosphere as a result of human activities, often involving combustion of fuels. Sources

19、 include industrial plants, space heating and cooling, human metabolism, and vehicle exhausts. In cities this source typically contributes 1550 Wm2 to the local heat balance, and several hundred Wm2 in the center of large cities in cold climates and industrial areas. Estimates of anthropogenic heat

20、generation can be made by totaling all the energy used for heating and cooling, running appliances, transportation, and industrial processes, plus that directly emitted by human metabolism.,65,共87第,如何估算人為熱通量,There are two approaches for estimating the anthropogenic heat flux:,the inventory-based app

21、roach top-down approach bottom-up approach energy balance closure approach.,66,共87第,有些研究可能分類不同，比如有的按工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、居住區(qū)分類，但估算的方法還是一樣的,67,共87第,From Quah 2012,交通人為熱通量,68,共87第,Singapore, From Quah 2012,69,共87第,建筑人為熱通量,70,共87第,注意兩個縱坐標的刻度不一樣！,71,共87第,新陳代謝熱通量,72,共87第,Schlieren photograph of a childs face showing

22、regions of relatively warm air (light) and cool air (dark). The light layer immediately adjacent to the face is the laminar boundary layer (after Gates, 1972). 詳細介紹請參見：Oke, Boundary Layer Climate.,73,共87第,74,共87第,例：假設(shè)一個城市占地1010km2，人口100萬，估算新陳代謝排放的熱通量，設(shè)單個人新陳代謝100W：,urban,75,共87第,76,共87第,77,共87第,9. 貯存熱通量 QS,Schematic showing elements used to estimate heat storage flux. Storage is calculated for the volume below flux measurement height zm to the depth of fixed soil temperature Tf