环境生态学课件11

第第1111章章城市环境生态城市环境生态问题研究问题研究\n目录目录P引言引言P城市城市陆陆面面过过程和大程和大气气边边界界层模拟层模拟P城市环境风洞模拟\nP引言引言ö城市化及区域环境问题ö城市区域气候和大气边界层研究方法\nP本章本章教教学学目目的及其的及其重点重点城市化－国际趋势－城市地表热力、辐射特征－城市大气边界层动力、热力特征－城市大气环境污染－区域气候变化－城市大气边界层数值模式－城市气候灾害防御－环境优化规划。重点：ö城市下垫面大气边界层理论问题ö城市边界层气候和大气边界层研究方法\n有何有何意意义？义？采采取什取什么么研究研究方方法？法？城城市区市区域域陆面过陆面过程和程和边边界层界层问问题研究题研究解解决什决什么么问题？问题？\n城城市边市边界界层层结结构特征构特征\n城市边界层及热岛环流特征城市边界层及热岛环流特征\n城市热岛城市热岛\n\n\n城市边界层发展特征城市边界层发展特征÷城市边界层影响城市降水分布和污染物的输送\n城市冠层热力动力效应特征城市冠层热力动力效应特征（（低、中、高纬度城市的差别低、中、高纬度城市的差别））\n城市街区结构流场动力学特征（平原、山区、沿海城市的差别）\n城城市边市边界界层特性层特性的的观测观测和和模拟研模拟研究究方法方法地面气象和地边界层大气遥感地理信息物理数值模拟风洞模拟面通量等观测探测与卫星观测数据资料库陆面过程与大气边界层数值模式、风洞建立与分析结构特性计算分析模拟结果分析城市边界层结构、动力、热力学特性与大气过程相互关系城市下垫面陆面过程和中尺度气象模式中的参数化城市边界层特征对区域气候环境和污染物输送的影响\n城市大气边界层数值模式的多尺度性城市多尺度气象与污染扩散数值模式系统城市影响参数化显式考虑建筑物城市区域尺度模式城市尺度模式小区尺度模式单体尺度模式城市区域尺度城市尺度小区尺度单体尺度50km5km500m50m\n城市区域尺度模式模式具有以下主要特点：三维非静力、湍流闭合水平网格距可变、垂直网格上疏下密细致的陆面物理过程处理引入城市人为热源的影响引入城市建筑物的影响近百公里水平范围、日变化时间尺度\n植被土壤人为热源城市基础地形资料气象资料地理信息类型资料资料资料城前处理模块市区客观分析模块域模大气数值预报模块式结后处理模块构框画图分析模块图模拟性能效果分析模块\n城市小区尺度模式模式具有以下主要特点：三维非静力、湍流闭合水平网格距可变、垂直网格采用拉伸网格处理建筑物、植被覆盖、水体的影响考虑区内建筑物朝向、建筑物对短波辐射遮蔽作用数公里水平范围、数小时时效\n确定模拟研究模式网格、参城开始区域地形、地数设置表类型资料市小区大气边界层方陆面物理过程读入研究区域程组、湍流闭热力、动力学环境初始场及尺合参数化参数度模地面辐射、能积分模式方程输出诊断后的式量平衡计算组气象场得到稳定的气计象场算积分污染物浓度污染模式读入诊流方程，得到稳定断后的气象场及处理污染物源的污染物浓度分污染物源资料资料程布结构输出污染物数据绘图、三维动结束（源及浓度分画显示及绘图布）输出\n城地面风温资料模式预处理地形处理市地面污染资料中尺度气象模式污MM5下垫面类型处理染人为热源处理插值与坐标转换物边界层模式运用于城污染源排放模型浓市空气污染预报城市大气边界层模式度UBLM干湿沉积模型预报大气化学输送扩散模式生物/植物排放ACTDM模型处理污染物监污染物浓度分布过测检验SO2,Nox,TSP/PM10等程污染指数比较城市空气污染指数发布预报\n城市尺度大气环流特征研究\n\n\n山谷城市大气大气边界层特征和大气污染形成机理研究\n城市环境优化研究ò城市光辐射问题研究（玻璃幕墙）ò城市热辐射问题研究（空调）ò城市建筑节能研究（通风、采光、采暖）ò生态城市建设研究（雨水储存、建筑绿化）ò室内环境优化研究（建筑材料、通风采光）\n城市灾害及雨水资源利用研究ò城市高温灾问题研究ò城市火灾问题研究ò城市风灾狭管效应研究ò城市雨水资源利用研究\nP城市城市陆陆面面过过程和大程和大气气边边界界层模拟层模拟ö模式设计ö模拟结果与讨论\nö模式设计\n三维大气动力热力学方程组du¶pz-H¶zg=-q+g+Fudt¶xh¶xdv¶pz-H¶zg=-q+g+Fvdt¶yh¶ydudvdwu¶zgv¶zg++--=0dxdydzH-z¶xH-z¶yggdq=FqdtdR=FRdtdpH-zgg=-dzHq\n-1其中式q中为位温(K)；R为比湿kg.kg(p)；为P0.286Exner函p=数C且有p()P0。取1000hp；C为定压Pap-1-10比热,k取10.kg05J.w为（x,y,z）坐标系中的垂直速度Hz-H¶zgz-H¶zgw=w+u+vH-zH-z¶xH-z¶ygggFu，Fv,FR，Fq为湍流项22¶j¶jH2¶¶jF=K（＋)+()(K)jH22Z¶x¶yH-z¶z¶zgj分别代替u，v，R，KH和Kz分别为水平和垂直湍流扩散系数。\n边界层湍流参数化湍流动能方程为:22¶e¶e¶e¶eH2¶u2¶v2¶e¶e=-u-v+w+K()[()+()]+K(+)mH22¶t¶x¶y¶zH-z¶z¶z¶x¶yg3/2H2¶¶egH¶qe+()(K)-aK-EqH-z¶z¶zqH-z¶zBlgg1311Be2其中，e=(u¢2+v¢2+w¢2)2是湍流动能；1为湍流耗散率2L，B为经验常数，本文取0.25；1\n陆面过程地表温度及地表含水量处理G=QK+QR+QA-H-E地表短波长波人为感热潜热热通量热量¶T2p地表温度s(285)=CG-T-Ts¶tt¶wgCC12地表土壤含水量=(Pg-Eg)-(wg-wgeq)¶trdtw1¶w12=(Pg-Eg-Etr)土壤日平均含水¶trdw2量\n陆面过程潜热感热处理(T-T)12感热H=raCpRahv潜热E=Vegra(qsat(Ts)-qa)Ra1R=aCuH2\n城市大气边界层参数化ö模式考虑了大气对太阳辐射的水汽吸收，臭氧吸收，气溶胶衰减和瑞利散射作用。ö将模拟区域划分为网格距为500米的网格，按不同的土地利用类型在500米的网格中的比例和每个种类的特征参数（粗糙度Z、地表热系数C、反射率α、地表放0T射率ε等）计算出整个网格的参数值。\nMM5模式与北京大学边界层模式连接ö由于MM5模式是应用(x,y,σ)坐标系,而北京大学城市边界层模式采用了地形追随的垂直坐标变换，所以首先要将MM5模式的输出结果插值到城市边界层模式的格点上作初始场和边界条件输入，使两模式得以连接。\n北京区域陆面和大气边界层特征ö北京城区范围地势平坦，但其周围地形极为复杂，西面和北面均为山地，且距北京城区只有30－40km，因此北京地区的气象环境特征受其周围地形的影响很大，经常出现山谷风。同时由于北京城市规模的发展，城市中的地面结构发生变化，使热岛效应强度和范围不断增加。这种山谷风常与热岛环流相叠加。这种周边地形与城市的热动力综合效应及其相互作用使得北京城市边界层结构异常复杂，并与城区和周边污染排放源布局配合对北京城区大气污染形成与分布产生重要影响。\nö陆面过程大气边界层模拟结果\n城市乡村地表热通量900.00900.00HEATFLUXHEATFLUX800.00QK短波800.00QK短波700.00QR长波700.00QR长波600.00QQ净辐射600.00QQ净辐射H感热500.00H感热500.00E潜热400.00E潜热400.00300.00300.00200.00200.00100.00100.000.000.00-100.00-100.00-200.00-200.00-300.004.008.0012.0016.0020.0024.004.008.0012.0016.0020.0024.00乡村热通量城市热通量城市乡村\n城市乡村水汽通量日变化（地表通量与植被通量）1.20E-41.00E-4水汽通量水汽通量1.00E-4地表通量8.00E-5地表通量植被总通量植被总通量8.00E-56.00E-56.00E-54.00E-54.00E-52.00E-52.00E-50.00E+00.00E+0-2.00E-5-2.00E-5-4.00E-54.008.0012.0016.0020.0024.004.008.0012.0016.0020.0024.00乡村水汽通量日变化（地表与植被比较）城市水汽通量日变化（地表与植被总通量比较）乡村城市\n城市乡村潜热通量日变化800.00潜热比较6点9点600.0012点15点18点400.00200.000.00020406080100120km乡村城市乡村\n城市乡村感热通量日变化600.00感热比较6点9点400.0012点15点18点200.000.00-200.00020406080100km不同下垫面感热通量日变化比较乡村城市乡村\n城市乡村地表温度日变化地温日变化6点315.009点12点310.0015点18点305.00300.00295.00290.00285.00280.00020406080100不同下垫面地表温度日变化乡村城市乡村\n城市中心温度时空分布图远郊乡村温度时空分布图14：00时城乡温度空间分布\n位温廓线模拟结果城市中心远郊乡村318.4°C311.5°C\n城市郊区湍流动能时空分布特征\nö北京市区域风场、温度场的观测和模拟结果\njuly0200averagejuly0800average8585昌平昌平8030080300.57575299.53007070302990.26565299.5.49)29298.5)300.3m6060海淀m299(K2298(K海淀300y5539y55.4石景山09朝阳石景山3朝阳0.2903.189.00505.70.5298.5天安门297.550天安门3450丰台45丰台0297.298300.48.34000403气象局观象台296.5气象局观象台35297.535大兴296大兴2030405020304050x(Km)x(Km)july1400averagejuly2000average85昌平306.585昌平80304807530675303.5707030365306.4305.565302.5)6.1m606.330)60海淀30m302.5(K305海淀302y553(Ky554.030石景山0朝阳0306石景山33朝阳6.4.2.250天安门50302.8301.5304.5天安门45丰台306.545303.301丰台84030440300.5气象局观象台气象局观象台3535300大兴大兴2030405020304050x(Km)x(Km)2000年7月(夏季)观测平均温度场\nabjan0200averagejan0800average8585268昌平昌平269808026775752687070266659.365.126267862)60)607.2265m9.1m海淀26(K海淀26(Ky267.8y5526655石景山朝阳石景山8.7朝阳267.6267.026462268.350267.50天安门4天安门268.54526545丰台丰台268.5263267.240401气象局观象台266.7气象局观象台268.2643526235大兴大兴2030405020304050x(Km)x(Km)jan1400averagejan2000average8585昌平274.5昌平271.580802742717575270.5273.570970.373270.265.2273651427.2772124.0)7)60602269.5m272.5m海淀.4海淀0(K(K27y55y55石景山0.7朝阳269石景山274.3朝阳2727250274.4天安门50天安门268.5271.545丰台45丰台268270.54027140267.5气象局观象台气象局观象台3535270.5267大兴大兴2030405020304050x(Km)x(Km)2003年1月(冬季)观测平均温度场\njulyaveragejulyaverage8585昌平昌平678080706875.67596707270696565707074.6))60.360m.94m6713海淀7.海淀(K7(K0y55石景山朝阳76y55石景山7朝阳72.550天安门506天安门6878673.245丰台45丰台74408040气象局观象台气象局观象台753535大兴82大兴2030405020304050x(Km)x(Km)a:averageJuly02:00b:averageJuly08:00julyaveragejulyaverage858554昌平昌平8080485675754970705865506554)).8606048.4m60m海淀51(K海淀62.0(Ky50.3y5555石景山朝阳石景山朝阳62525050天安门天安门45丰台5345丰台64.4844040气象局观象台54气象局观象台663535大兴55大兴2030405020304050x(Km)x(Km)d:averageJuly20:00c:averageJuly14:002000年7月(夏季)观测平均相对湿度场(%)\njanaveragejanaverage8585昌平昌平50804880.54652755075.5495470705265655654)60)m5m6058(K9.8海淀56海淀y55(Ky61.6石景山59.2朝阳55石景山朝阳6060.45058天安门50天安门6245丰台6045丰台40646240气象局观象台35气象局观象台356664大兴大兴2030405020304050x(Km)x(Km)a:averageJan.02:00b:averageJan.08:00janaveragejanaverage8585昌平昌平8040.0428034.732757544707036466565).638)6048m609m海淀3海淀(K(Ky55.6y55石景山朝阳石景山51朝阳50.3364050天安门5050.5天安门5245丰台45丰台42544040气象局观象台气象局观象台35355644大兴大兴2030405020304050x(Km)x(Km)c:averageJan.14:00d:averageJan.20:002003年1月(冬季)观测平均相对湿度场(%)\n048100100100909090昌平昌平昌平808080顺义顺义顺义707070606060门头沟区海淀门头沟区海淀门头沟区海淀)石景山朝阳)石景山朝阳)m石景山朝阳m50通州m5050通州(Ky(K通州(Kyy丰台丰台丰台404040气象局观象台气象局观象台气象局观象台30大兴30大兴30大兴房山房山房山202020101010000102030405060708000102030405060708001020304050607080x(Km)x(Km)x(Km)averageJuly00:00averageJuly08:00averageJuly04:00201216100100100909090昌平昌平昌平808080顺义70顺义70顺义706060门头沟区海淀60门头沟区海淀)门头沟区海淀)m石景山朝阳)m石景山朝阳(K50通州m石景山朝阳50通州y(K50通州(Ky丰台y丰台40丰台40气象局观象台40气象局观象台气象局观象台30大兴30大兴30大兴房山房山房山2020201010100001020304050607080010203040506070800x(Km)01020304050607080x(Km)x(Km)d:averageJuly12:00e:averageJuly16:00f:averageJuly20:002000年7月(夏季)自动气象站观测的平均风场的日变化\n048100100100909090昌平昌平昌平808080顺义顺义顺义7070706060门头沟区海淀60门头沟区海淀门头沟区海淀)石景山朝阳))石景山朝阳m石景山朝阳mK(50通州m50K50通州yK(通州(y丰台y丰台丰台404040气象局观象台气象局观象台气象局观象台30大兴30大兴30大兴b:房山房山房山2020201010100001020304050607080001020304050607080x(Km)01020304050607080x(Km)x(Km)a:averageJan.00:00b:averageJan.04:00c:averageJan.08:00121610020100100909090昌平昌平8080昌平8070顺义顺义70顺义706060门头沟区海淀门头沟区海淀60)石景山)门头沟区海淀m朝阳m石景山朝阳)50通州50通州m石景山朝阳(Ky(Ky(K50通州丰台丰台y丰台4040气象局观象台40气象局观象台气象局观象台30大兴30大兴30大兴房山房山房山202020101010000102030405060708001020304050607080001020304050607080x(Km)x(Km)x(Km)d:averageJan.12:00e:averageJan.16:00f:averageJan.20:002003年1月(冬季)自动气象站观测的平均风场的日变化\n北京区域风场的模拟N7月10日17:00时风矢量图96怀柔900N7月11日03:00时风矢量图m96怀柔900/kmY昌平800/k80080昌平Y807007006464海淀600海淀600比例比例))m48天安门5m/s500m500(ky(ky48天安门5m/s丰台丰台400400323230030016162002001000100112233445566778112233445566778x(km)x(km)7月10日17时风矢量图7月11日03时风矢量图\n7月11日14:00时风矢量图96怀柔900800昌平8070064海淀600比例)mm500/k(ky48天安门5m/sY丰台4003230016200100112233445566778x(km)7月11日14时风矢量图\n7月11日14点垂直剖面风矢量图1356989674406比例256)5m/s(m183度高127915418天安门1632486480Nx(km)7月11日14时北京城市南北中轴垂直剖面风矢量图\n02:00时水平等温线14:00时水平等温线80331510.3104390673147030980313603087031230750308.1m38660314.131181)307.16306m/k29)(k406.68mm50313.5767310yY303(ky0305/k6.19Y40312.0063097730633040311.48335308.730122043033072010302313.05333061030130510203040506070x(km)10203040506070x(km)14时水平面等温线03时水平面等温线\n02点摩擦速度U*0.714点摩擦速度U*190900.60.980980.00.50.8700.5700.2m600.40.7600.5/k)m0.6mY500.4)0.(k/km507y0.4(ky0.6Y0.940400.50.30.300.730.5300.20.40.40.520200.20.4100.3100.11020304050607010203040506070x(km)x(km)02时摩擦速度分布14时摩擦速度分布\n中轴线地温发展32015193182303071131614314312)(K度温3103083063043020102030405060708090100南北方向距离(km)N7月11日北京城市南北中轴线地面温度日变化\n横向轴线地温发展31815192331603071131414312310)(K度温308306304302300天安门202530354045505560东西方向距离(km)E\n城市区域舒适度的研究\n美国国家气象局用于夏季舒适度及工作时数值预报的温湿度指数（ThermalHumidityIndex）简写为THI，这一指标实际上是用人类生物气象学的方法评价夏季环境的舒适度。表达式为：THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)式中T是大气温度；RH为大气相对湿度；我们将THI与人体舒适度的划分标准列于下表。THI与舒适度THI舒适度评价>29.5酷热无降温措施难以工作26.7~29.4很热很不舒适23.9~26.6热不舒适21.1~23.8较热较不舒适<21.1凉爽舒适\nJulyaverageJulyaverage852585昌平昌平80802524.57575707024.5246565.942)60)m6025.124m223.5海淀(K海淀4(K.yy5555524石景山朝阳225.1石景山.94朝阳.7505025.2天安门天安门2323.545丰台45丰台25.022.5404023气象局观象台气象局观象台3535大兴大兴2220253035404550552025303540455055x(Km)x(Km)b:averageJuly08:00a:averageJuly02:00JulyaverageJulyaverage8585昌平昌平28808026.57575707099.727.5226656526.8)27)6060m.8m26.1海淀3海淀(K(Ky2y557.85525.5石景山8朝阳石景山朝阳27.94275027天安门50.99天安门26.545丰台45丰台25826.404028.0气象局观象台4气象局观象台3526.535大兴24.52025303540455055大兴2025303540455055x(Km)x(Km)c:averageJuly14:00d:averageJuly20:002000年7平均舒适度（THI）场\n城市环境水槽模拟\n水槽实验装置装置：拖曳式水槽，宽1.0米，高1.2米，长16米原理：介质密度变化代表不同大气边界层结构\n北京海淀西北部区域大气环境水槽实验研究昌平北部山区西山山系北京市\n中性条件南风稳定条件南风\n水槽实验主要结论•传统认为海淀区是北京的上风上水，实际上这是认识误区•偏南风时，南部各区县，特别是首钢工业排放会对海淀区有影响•海淀区北部地区北、西、南三面环山（南面是香山到望儿山，东西走向的低山浅丘，平均高度200～400m），白天偏南风时，大气混合层高度约1000m，而北部山区平均高度高于1000m，混合层中的空气污染物受山地阻挡，会积聚海淀北部地区（包括昌平的平原部分）。\n水槽实验主要结论•夜间偏北风时，混合层高度只有200～300m，低于浅丘的平均高度，同样不利于空气污染物的传输和扩散\nö北京夏季城市热岛现状及楔形绿地规划对缓解城市热岛的作用模拟\n北京市区自动气象站\n北京郊区自动气象站\n北京城区热岛强度和分布北京市楔形绿地分布图\n六来机Y/郎北广Y/k营庄苑km场m路动物园天安门天坛左菜户安营门X/kmX/km模拟区域规划后草地在网格初始风场为北北西风的情况中的比重分布下，上午10:00目前状况的水平温度场模拟分布图\n划度平初Y/建变温始Y/kkmm成化度风后︵b场场较︵a为︶目北、︶前北建、状西成规况风后划的时“的建地地成楔aX/kmX/km表b表后形水水较绿平Y/kY平目地”m/k风风前m场规场状变划︵c况化建的︵d︶成地、后︶表的分水地布平表图规温水dX/kmcX/km\n成变温初后化度始Y/较︵b场风kY/kmm目︵a场︶前为、︶状西建、况南成规的风后划地时“的建表地成楔水表后形平水较绿X/km风aX/kmb平目地”场风前Y变规Y场状/k/化划mk︵c况m︵d建的︶成︶地、后分表的布水地图规平表划温水建度平dX/kmcX/km\n风洞实验装置环境学院大气边界层风洞，宽3m，高2m，长32m\nö城市小区尺度模拟和风洞模拟\n•模拟区域及网格设置模拟区域（城市小区）：1.35km*1.30km*1540m网格设置：10m*10m*10~100m•试验方案三种小区规划方案：1.小区现状2.将小区中低于30m的建筑物及裸土变为草坪3.将小区中一部分下垫面变为水泥路面\n现有方案：建筑物分布下垫面类型分布规划方案：建筑物分布下垫面类型分布\n不同方案计算条件下的风、温场\n风洞内小区模型\n风洞内小区模型\n北京商务中心模型（缩尺1:500）\n风洞实验段CBD模型（南风）\n风洞实验段CBD模型（西北风）\n刷蚀图像西南北风风时时刷刷蚀蚀图图像像\n启动风速和来流风速比值包络线西南北风风R1:1.6R2:1.4R3:1.2R4:1.0\n地表类型\n西北风时模拟流场\n西南风时模拟流场\n10:0012:0014:00近地面温度日变化\n14:00时X=1200m垂直剖面温度场14:00时X=1200m垂直剖面位温场建筑物反照率0.25树木叶面指数5.0草地叶面指数2.0无屋顶绿化\n14:00时温度差（反照率0.12-0.25)14:00时10m高处水平面位温差分布（℃）等值线数字＝建筑物反照率0.12时位温－建筑物反照率0.25时位温建筑物反照率0.12树木叶面指数5.0草地叶面指数2.0无屋顶绿化\n14:00时温度差（屋顶绿化有-无）14:00时10m高处水平面位温差分布（℃）等值线数字＝屋顶绿化时位温－屋顶无绿化时位温建筑物反照率0.12树木叶面指数5.0草地叶面指数2.0屋顶绿化叶面指数2.0\n14:00时温度差（叶面指数10.0-5.0)14:00时10m高处水平面位温差分布（℃）等值线数字＝树木叶面指数为10.0时位温－树木叶面指数为5.0时位温建筑物反照率0.12树木叶面指数10.0草地叶面指数2.0无屋顶绿化\nCBD车流量分布含过境车不含过境车\n2001年NO浓度分布x西北风西南风\n2010年NO浓度分布（含过境车）x西北风北风西南风\n2010年NO浓度分布（不含过境车）x北风西北风西南风\n城市小区绿化环境优化研究Ø小区风、温、湿度及舒适度场研究Ø小区辐射、热量平衡及自净能力研究\n\nTThheeEEndnd\n\n