城市生态学
3 城市 气候 学
影响城市气候的因素
城市的辐射和日照
城市的热量 平衡 与 城市热岛 效应
城市的风及局部环流
城市的降水及水分平衡
城市的大气污染及与城市气候的关系
城市气候与城市规划和城市建设
3 城市 气候 学
3.1 影响城市气候的因素
城市除了受当地纬度、大气环流、海陆位
置、地形等区域气候因素的作用外,还受
人类 (生产与生活 )活动中放出热量及水汽
的影响,因而形成有别于近郊区和乡村的
局地气候。通常我们称之为 城市气候
城市气候所涉及的范围主要包括三个部分,
即 城市覆盖层, 城市边界层 和 市尾烟气层
城市气候所波及的范围
城市气候所波及的范围
3 城市 气候 学
在城市高强度的经济活动中,要消耗大量能源。
据统计一个百万人口的城市,每天要消耗煤
3000t,石油 2800t,天然气 2700t,同时排放出
粉尘约 150t,二氧化硫 150t,一氧化碳 450t,一
氧化氮 100t。 当这些粉尘和有害气体进入空气
后,会改变大气的组成成分,影响城市空气的透
明度和辐射热能收支,减弱能见度,为云雾提供
丰富的凝结核,从多方面影响气候。如果污染
物超过大气的自净能力,还会造成城市大气污
染。
3 城市 气候 学
由于城市居民的生活和生产活动,如家庭炉灶、
取暖、工厂生产、公共交通、人、畜的新陈代
谢和其他各种能源燃烧所排放的热量,使城市
比郊区增加了许多额外的热量收入。这种人为
的热量在某些中高纬度城市可以接近或超过太
阳辐射热量。如在德国的汉堡每天从煤燃烧所
产生的热量为 167J?cm2,而冬季地面从太阳直
接辐射和天空辐射一天中所得到的热量为
175J?cm2。 在莫斯科,人为热竟超过太阳辐射
热的 3倍,对城市增温的影响十分显著。
3 城市 气候 学
此外由于城市供水、排水的方式和农村不同,
在燃烧和某些工业生产过程中还产生一定量的
,人为水汽, 进入大气,致使城市中的水分平
衡与农村有明显差异。
3 城市 气候 学
3.2 城市的 辐 射与日照
? 城市太阳总辐射较乡村少
污染物浓度大 ?直接辐射少 ?散射辐射多 ?总
辐射少
? 城市 下垫面反射率小
冬季更是如此,反射率小意味着吸收率高
总体说,城市地面吸收的太阳辐射与乡
村差别不大
3 城市 气候 学
? 城市日照总时数和日照百分率小于乡村
1 大气污染物多,云雾多,透明度小 ;
2 热岛效应所引起的对流云经常出现
? 城市内部日照地区差异明显
此为建筑物遮阴所致,主要取决于 街道走向,
及 建筑群高度与街道宽度之比, H/D
北墙冬半年完全荫蔽,夏半年一天两次日照,
但时间不长 ; 南墙每天一次,但随太阳赤纬
增加而减少
西安 (北纬 34?)街道可照时间 (h)
街道
朝向
南 墙 北 墙 平面
H/D 1/2 1/1 2/1 3/1 1/2 1/1 2/1 3/1
全年
可照
时数
318 0.4 211 2.7 134 6.5 986,3 650,2 524,3 382,6 300,6 439 4.4
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3.3 城市的热量 平衡 与 城市热岛 效应
?热量平衡
人为热的大量输入, 工业生产、家庭炉
灶、空调制冷、机动车排放、冬季取
暖等
下垫面 导热率 高出乡村 3倍,热容量 较乡
村大 1/3倍,因而贮热量大
热收入远高于乡村
3 城市 气候 学
?城市热岛效应
城市热岛 (urban heat island)— 城市内部气
温比周围郊区高的现象, 城市气候中最典型的
特征之一, 无论是在中高纬度或低纬度地区,
这一现象均普遍存在 。
城市热岛效应可以从两个方面来分析：
同一时间城市和郊区气温的对比
同一城市历史发展过程中气温的前后对比
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城、郊气温对比
? ?Tu-r— 热岛强度 =同时间同高度 (离地 1.5m)
热岛中心与近郊的气温差值。
?, 城市热岛, 矗立在农村较凉的, 海洋, 之
上,国内外均如此,
冬季傍晚上海市区比郊外要高 2~5?C;
巴黎城中心年均温比郊区高 1.7?C
城市热岛温度剖面示意图
3 城市 气候 学
城市发展过程中气温的前后对比
? 随城市化发展,市区呈现出越来越暖的趋势,
如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段
1920~1942年, 气温变化趋势逐年上升 (城市发展 )
1942~1945年, 气温变化趋势逐年下降 (值第二次
世界大战期间,东京城市受到大规模的破坏,城
市热岛效应不存在 )
1945~1967年, 气温变化趋势逐年上升 (战后城市
建设迅速恢复,气温又开始回升 )
日本东京 1916~1965年年平均气温的变化
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城市热岛强度的变化
? 周期性
日 变化, 夜晚强,白昼午间弱
年 变化, 冬秋两季比夏春两季表现更明显,可
能归因于冬季城市取暖耗能较多,释放大量
人为热量
周 变化, 明显受工休日周期影响,周末弱,周内
强
蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气 )
逐时降温率
?T/?t (?C.h-1)
热岛强度
?Tu-r (?C)
城市
乡村
维也纳城市和郊区气温差值的日变化
城 市
星
期
一
星
期
二
星
期
三
星
期
四
星
期
五
星
期
六
星
期
日
平
均
纽黑文
( 1939~
1943 )
0.6 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.3 0.6
巴尔的摩
( 1971~
1975 )
0.9 1.0 0.8 0.7 0.7 0.4 0.2 0.7
美国两座城市冬季热岛强度 ?Tu-r(℃ )的周变化
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?非周期性
1） 临界风速,风速大则热岛效应小，
超过临界风速时则消失
2）云量：强热岛大多出现在无云的天
气状态下
季 节
热岛消失的风速
（ m /s ）
春 4~5
夏 2~3
秋 5
冬 5~6
北京地区热岛消失的临界风速
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?城市热岛强度的地区差异
城市热岛强度与城市的布局形状, 城市地形等
有密切关系 。 团块状紧凑布局, 城中心增温效
应强 。 条形分散结构, 城中心增温效应弱 。 盆
地或凹地, 由于风速小, 热岛效应特别强, 这
里不仅抵消了冷空气的下沉作用, 反而成为最
暖的热岛中心
城市 规模 （ 面积, 人口及其密度等 ） 对热岛强
度亦有影响
城市规模与城乡气温 (夜晚 )差别的关系
旧金山 圣约瑟 帕阿尔托
城市面积
( km
2
)
116.81 38.33 22.27
居民人口数
( 万人 )
78.4 10.1 3.3
居民密度
( 人 /km
2
)
6712 2635 1481
夜晚平均
城乡气温差
( ℃ )
5.6~6.7 3.9~5 2.2~3.3
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城市附近自然景观以及城市内部下垫面
性质亦对城市热岛强度起一定作用。无
绿化的宽阔街道和广场，到中午时剧烈
增温，在夜里又急剧冷却，气温日振幅
最大。林荫道和有绿化的广场白昼较凉
爽，气温的日振幅较小
01 时 07 时 13 时 19 时
公园内 27,1 28,3 31,8 28,3
公园附
近街道
27,9 29,2 32,9 29,3
两处
气温差
0,8 0,9 1,1 1,0
上海市区公园同其附近街道的气温平均差值 (℃)
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3.4 城市的 风及局部环流
?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 。
在晴朗的夜间城市热岛环流模式
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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
(local heat island circulation),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 (country breeze)。
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 1.5~2.0h。 这种脉动性在夜间特别明显。
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?城市发展对盛行风的影响
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)1951~
1955
1956~
1960
1961~
1965
1966~
1970
1971~
1975
1976~
1980
3.6 3.2 3.2 3.1 3.1 3.0
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城市的平均风速比郊区小。
城市与郊区风速的差值还因时、因
风速而异, 一般是白天差值大，晚上
小；夏季大，冬季小。
上海地区 1980年年平均风速示意图
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?城市覆盖层内部风的局地差异
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地性差异
很大。有些地方风速极微；而在特殊情况下，
某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊区。
造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因是由
于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高度、形
式和朝向不同,当风吹过城市中鳞次栉比、参差
不齐的建筑物时,因阻障效应产生不同的升降气
流、涡动和绕流等,使风的局地变化复杂化。
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盛行风遇到不能穿透的建筑物时,在迎风面上一
部分气流上升越过屋顶,一部分气流下沉降至地
面,另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去。
当盛行风向与街道平行时,由于狭管效应,风速会
加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速
度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物
的部分大些。如果以街道中心的风速算作 100%
的话,那么在迎风面的人行道风速为 90%,背风面
的人行道风速只有 45%。人行道旁如果种植行道
树,树叶茂盛时风速将再减低 20%~30%; 在公园
的浓荫中,风速更会削弱 50%上下。
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3.5 城市的湿度、降水及水分平衡
城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低
欧洲几座城市年平均湿度的城乡差异
维也纳 柏 林 特利尔 科 隆 弗罗茨瓦夫 慕尼黑
(20年平均 ) (14年平均 ) (2年平均 ) (3年平均 ) (9年平均 ) (4年平均 )
城乡绝对
湿度差 (Pa) -20 -20 -50 -40 -50 -25
城乡相对
湿度差 (%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5
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城区比郊区雾多，能见度低
城市多雾的原因，首先是因为人为造成的
大气污染，颗粒物质为雾的形成提供了丰富的
凝结核。城市中鳞次栉比的建筑物群，增加了
下垫面的粗糙度，减少了风速，为雾的形成提
供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流，
郊区农村带来的水汽，使低空辐合上升凝结成
雾的机率增大。
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城市的大雾阻碍交通，使航班停开，增
加城市交通事故。
大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩散,
加重了大气污染 。
城市雾还减弱了太阳辐射, 不利于人类
与其它生物的生活 。
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城市的降水与水分平衡
1) 城市水分收入项比郊区大
城市水分收入比郊区大,首先在于城市中的降
水量一般比郊区多,一 般比郊区多 5%~15%。
形成城市降水较多的原因有三：
第一,城市 热岛效应 。 城市由于有热岛效应,空
气层结不稳定,有利于产生热力对流,当城市中
水汽充足时 (城市中还有一定量的人为水汽和
人工管道供应的水分 ),容易形成对流云和对流
性降水 。
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第二,城市 阻滞效应 。城市因有高高低低的建
筑物,其粗糙度比附近郊区平原大。它不仅能
引起机械湍流,而且对移动滞缓的降水系统 (如
静止锋、静止切变、缓进冷锋等 )有阻滞效应,
使其移动速度减慢,在城区滞留时间加长,因而
导致城区的降水强度增大,降水的时间延长。
第三,城市 凝结核效应 。城市因生产和生活强
度较大,空气中尘粒及其它微粒比周围地区多,
为形成降水提供了丰富的凝结核。
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2) 城市下垫面 蒸散量 和水分贮存量比郊区小
城市由于地面一般经人工铺装,植被覆盖率低,
不透水面积大,降雨后雨水滞留地面时间短,
地面水分 蒸发量 及植物 蒸腾量 均小于郊区 。 根
据在美国东北部一个小流域的观测研究估算,
当流域面积的 25%为不透水区时,其年蒸腾量
要减少 19%; 若不透水面积增加到 50%,年蒸腾
量减少 38%; 不透水面积增大到 75%时,则年蒸
腾量减少 59%
3 城市 气候 学
城市下垫面善于贮存热量,却不善于贮存水分。
这自然是由于城市中建筑物密集,植被覆盖率
小,又有人工排水管道,降水后水分渗透并贮存
在下垫面中极少的缘故。
3 城市 气候 学
3) 城市径流量比郊区大,峰值出现时间早
城市下垫面的水分收入量比郊区多,而向空气
的蒸散量和向下垫面内部的渗透贮存量比郊区
少,则其径流量必然要比郊区大得多 。
城市在降雨后,径流量急剧增高,很快出现峰值,
然后又迅速降低,其 径流曲线非常陡峻,急升急
降 。 郊区径流曲线则平缓得多,其峰值比市区
低,出现时间比市区迟,缓升缓降 。
降雨后城市与郊区径流曲线的图式
曲线下的面积
代表径流总量
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在城市水分平衡中,上述三个特征对于如何规划
城市的排水管道,有极重要的意义。
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3.6 城市大气污染与城市气候的关系
城市中大气污染物和污染源
污染 源
?固定源：燃料燃烧, 废物焚化, 工业
生产
?流动源：汽车, 火车, 轮船, 飞机等
自然环境与城市环境比较, 城市大气污染源
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城市大气中的主要污染物
分 类 成 分
烟尘,粉尘 碳粒,飞灰,碳酸钙,氧化锌,氧化铝
硫 化 物 二氧化硫,三氧化硫,硫酸,硫化氢,硫醇
氮 化 物 一氧化氮,二氧化氮,氨等
氧 化 物 臭氧,过氧化物,一氧化碳等
卤 化 物 氯,氟化氢,氯化氢等
有机化合物 甲醛,有机酸,焦油,有机卤化物,酮等
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城市大气污染与气象条件
? 对大气污染物的 稀释 和 扩散 作用
1 风和湍流的影响
风对排入大气中的污染物有显著的 输送, 冲淡,
稀释 和 扩散 作用。
城市中严重的大气污染现象都出现在风速小的
时候,一般在风速 ?2m/s或 ?3 m/s时
大气中污染物浓度与风速的关系
3 城市 气候 学
必须指出,风速与污染浓度的关系是比较复杂的,
如其它条件相同,一般呈反比关系 。 但如果风
速剧增,在烟囱的下风方向近地面层反而会出
现较高的污染浓度 。 这是因为烟囱下风方向近
地面空气污染浓度不仅与风速有关,也与烟囱
的有效高度有关 。
烟囱的有效高度,烟囱的实体高度与烟气高度之
和,也就是烟流中心线完全变成水平时的高度
烟囱的有效高度
3 城市 气候 学
烟囱有效高度越高,下风方向地面浓度也越小,但
随着风速增大烟气离烟囱口以后的上升高度随之
降低,从而使烟囱有效高度也随之降低,这样使地
面附近浓度增大。这个效果正好与风速对浓度影
响效果相反。所以当风速增大到某一定值时,在
烟囱附近的下风方向,就有可能出现最高的地表
浓度。特别是当烟气从烟囱口排出的速度小于风
速时,烟气就在烟囱背后发生涡流,在附近建筑物
影响下,涡流卷入涡旋,急速降落地面。这种现象
称为 下曳气流 (downdraft)
烟囱附近的下曳气流
(使烟囱附近地面层空气形成高浓度污染 )
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2 大气稳定度的影响
大气稳定度 (?),表示空气是否安于原在的
层次,是否易于发生 垂直运动,即是否易
于发生 对流 的量度
假定有一微团空气受到对流冲击力的作
用产生上下移动后,如果该空气微团减速,
并有返回原来高度的趋势,这时的气层对
于该空气微团而言是 稳定 的 ;
3 城市 气候 学
如果空气微团一离开原位后,就逐渐加速运动,
并有远离起始高度的趋势,这时的气层对于该
空气微团而言是 不稳定 的 ;
如果空气微团被推到某一高度后,既不加速也
不减速,而是随遇而安,这时的层,对于该空气
微团而言,它的稳定度是 中性 的。
大气是否稳定，通常用周围空气的,温度直减
率 (γ)”与上升空气微团的,干绝热直减率 (γd)”
的对比来判断
3 城市 气候 学
干绝热直减率 γd是每上升 100m温度降低 1℃ 。
而周围空气气温随高度变化的直减率 γ是多种
多样的：
γ>γd,每隔 100m高度气温降低很快,空气层处于
不稳定状态 (不稳定层结 )
γ<γd,每隔 100m高度气温降低很少,甚至随高度
而递增,称为“逆温”,空气层处于稳定状态
(稳定层结 )
γ=γd,每隔 100m高度刚好是减低 1℃,空气层的
稳定度处于中性状态 (中性层结 )
城市上空空气层结对污染物扩散的影响
3 城市 气候 学
大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重
要因素
当大气层结不稳定时,热力湍流发展旺盛,对流
强烈,污染物容易扩散
当大气层结稳定时,湍流受到抑制,污染物不易
扩散稀释 。 特别是当有逆温层出现时,通常风
力微弱甚或平静无风,低空好象蒙上一个, 盖
子,,使烟尘聚集地表,造成严重污染
3 城市 气候 学
从烟囱排出的烟流形状看大气稳定度的影响：
? 全层 不稳定 (波浪型 ),晴午后 ; 烟源附近污染
? 全层 中性 (锥型 ),风力较大的夜间出现
? 全层 稳定 (扇型 ),晴,风小的夜或晨 ; 易污染
? 下层 稳定 上层 不稳定 (屋脊型,上扬型 ),日落
后不久出现 ; 地面可免受污染
? 下层 不稳 定上层 稳定 (熏烟型,漫烟型 ),日出
后风力微弱时易出现 ; 下风处严重污染
大气稳定度和烟型
全层 不稳定 (波浪型 )
全层 中性 (锥型 )
下层 稳定 上层 不稳定 (屋脊型 )
下层 不稳 定上层 稳定 (熏烟型 )
全层 稳定 (扇型 )
? 环境层结线 ? 干绝热线
3 城市 气候 学
对大气污染物的冲洗, 凝聚和化学反应影响
? 降水的淋洗作用, 雨 滴在下降过程中捕获颗
粒污染物,从而, 清冼大气,
? 雾的凝聚作用, 水 汽与凝结核结合形成雾滴,
高浓度的 SO2污染常与浓雾相伴出现
? 光化学反应作用, 高温 与强光照下易发生,光
化学烟雾呈浅蓝色,其化学反应复杂
3 城市 气候 学
城市大气污染实况
1 城市 大气污染的地区差异
? 不同城市对比
?雷克雅未克 (Reykjavik,冰岛首都 ),无烟
城市,可谓 天蓝、地绿、水清、气爽
?中国城市, 属煤烟型污染,北方城市比南
方城市更甚,尤其是在冬天
我国因能源结构以煤炭为主,因此各大城
市大气污染状况基本上类似
3 城市 气候 学
同一城市内部不同区域
大气污染浓度分布不均匀, 靠近工业区污染最
为严重 ; 靠近市中心的交通和商业区污染次之,
也较严重 ; 绿化区稍好些
当市内的污染区风速较小,低空又有逆温层存
在时,在市区上空往往形成一穹隆形的尘盖。
如果风速达到 3.5m/s,就会使穹形尘盖破坏,形
成鸟羽状尘盖。在强污染源的排放下,如果低
空层结稳定,地面风能将城市羽状尘盖向下风
方向扩展数百千米
城市上空的尘盖
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2 城市大气污染的 类型 及其 日变化和年变 化
伦敦型：
大气污染源主要来自工业炉窑和民用炉灶,使用
燃料为煤炭类,排出的 主要污染物为烟尘, SO2、
CO等。在冬季因取暖用的燃料较多,排放的烟尘
量大,再加上冬季辐射逆温频率大,湍流弱,烟尘
不易扩散,因此大气中烟尘浓度 冬季最高,春秋次
之,夏季最小 。日变化烟尘浓度以 早晨 8时左右为
最大
3 城市 气候 学
洛杉矶型：
? 大气污染源主要来自汽车等交通工具。污染
物为汽车尾气排出的一次污染物 NOX、
HXCX,CO和 铅尘 等经光化学变化产生的二
次污染物光化学氧化剂 PAN。
? 浓度年变化, 夏, 秋季节 (5月 ~9月 )为最浓,
冬季最淡 。
? 日变化, 光化学烟雾只在 白天 出现,以 中午 附
近为最浓。夜晚无日照,因而不会有污染现
象出现。
3 城市 气候 学
城市大气污染的影响
1 对城市气候的影响
城市大气污染与整个城市气候是相互影响相互制约的 。
城市中的风, 大气稳定度, 天气形势, 降水, 雾, 温
度和日照等影响和制约着城市大气污染的浓度及其时
空分布；而城市大气污染又反过来影响城市的气候 。
其中最突出的影响有以下几方面：
? 减少太阳入射辐射和日照时数
? 增加城市烟雾频率, 减小能见度
? 改变城市的热状况
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2 对城市居民健康的危害
? 呼吸道疾病, 致 癌, 心血管, 消化道, 神经
系统, 泌尿系统疾病等
3 对各种物品的腐蚀
? 城市 纪念性建筑物 (30=500),艺术品等
4 酸雨及其危害
? pH＜ 5.6； 跨 地区, 跨国界；我国西南严重,
以贵州, 重庆, 四川盆地较集中；北方较轻
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3.7 城市气候与城市规划和城市建设
1 合理布局减轻居住区的大气污染
1914年德国学者 Schmaess提出,在考虑城市布
局时,工业区应布置在主导风向的下风方向,居
住区在其上风方向,以减少居民受工厂烟尘的
危害 。 该原则对欧洲各地比较适用
我国在上世纪 50年代以来也一直沿用 。 然而我
国属季风气候区,该原则其实并不适用,
因为我国冬季风与夏季风一般是风频相当,风
向相反的,在冬季属上风方向的区域夏季就会
成为下风方向
此外,该原则对全年有两个主导风向以及静风
频率在 50%以上的或各风向频率相当的地区,
也都不适用
朱瑞兆 于 1980年根据我国 600多个气象台站 1月、
7月及年的风向频率玫瑰图进行相似形分类,将
我国按风向大致划分为 4大类型区,
3 城市 气候 学
季风变化型, 中国东半壁 多属之,盛行风向随季
节变化而转变,冬季风向偏 N,夏季偏 S
主导风向型, 一年中不管什么季节都有相同的
盛行风向,新疆 -内蒙 (W),云贵 (SW),青藏 (W)
无主导风向型, 全年风向不定,各方位风向频率
相当,没有一个较突出的盛行风向,宁夏 -甘肃
河西走廊 -陇东 -内蒙阿拉善
准静止风型, 全年静风频率在 50%以上,年平均
风速在 1.0m/s以下的地区,四川,西双版纳
城市规划风向分区图 (朱瑞兆,1980)
3 城市 气候 学
季风变化型, 中国东半壁 多属之,盛行风向随季
节变化而转变,冬季风向偏 N,夏季偏 S
例如南昌市,冬季盛行北风,风频 27%,加上东
北偏北风,风频为 52%; 夏季盛行西南风,风频
为 19%,加上西南偏南风,风频为 36%,夹角为
135?~180?,全年最小风频方向为西北偏西,风
频为 0.6%,工业企业应布置在这个方向,居住区
应在东南偏东方向
南昌风向频率玫瑰图 (于志熙,1992)
3 城市 气候 学
主导风向型, 一年中不管什么季节都有相同的
盛行风向,新疆 -内蒙 (W),云贵 (SW),青藏 (W)
可将排放有害物质的工业企业布置在常年主导
风向的下风侧,居住区布置在主导风向上风侧
无主导风向型, 全年风向不定,各方位风向频率
相当 (<10%),没有一个较突出的盛行风向,宁夏
-甘肃河西走廊 -陇东 -内蒙阿拉善
这类区域在城市规划布局时常用 污染系数 (烟
污系数,卫生防护系数 ) Cp来表示,
3 城市 气候 学
式中,CP— 某方向污染系数
f— 某方向风向频率
v— 该方向平均风速
它说明来自某方向的污染程度,与该方向风向
频率成正比,与该方向平均风速成反比。可以
计算出各风向的污染系数,并绘成玫瑰图。将
向大气排放有害物质的工业企业布置在污染系
数最小的方位,或最大风速风向的下风方向上。
居住区在污染系数最大的方位。
v
fC ?
P
3 城市 气候 学
准静止风型, 全年静风频率在 50%以上,年平均
风速在 1.0m/s以下的地区,四川,西双版纳
在规划布局上,必须将向大气排放有害物质的
工业企业布置在居住区的卫生防护距离之外。
一般说来,在风速不大,大气较稳定和地形较平
坦的条件下,污染物质最大着地浓度出现在烟
囱烟体上升有效高度 10~20倍之间,因此居民区
应布在烟囱有效高度 20倍距离之外的地区
考虑风对大气污染影响作用的城镇布局图式
3 城市 气候 学
上面所指均是对平原地区而言。在地形复杂的
山地、海滨或盆地地区,情况较为特殊,
在一山地的迎风区,居民区与工厂区的安排按
前述原则是适宜的 (下页图左边位置 ); 但在背
风区 (下页图右边位置 ),虽然居民区位于上风
方向,然而因涡流作用,不但山下工厂的烟尘
扩散困难,并且还会反卷至山坡,对居民区产
生严重的污染,这样的布局显然不妥当
地形对工厂区布局的影响
3 城市 气候 学
沿海城市 (如日本神户,大阪,横滨,中国的天津
等 )为了海运方便，往往将工业区设在海滨,
生活区放在内地
然而由于海滨地区有海陆风的影响，白天工业
区的污染物会顺着海风吹向内地生活区,从而
造成污染。世界许多沿海城市均有过这样的
,经历,,一时成为空气污染防治的难题
因而沿海地区城市功能分区应与海岸平行布局
海滨地区城市功能分区布局图式
3 城市 气候 学
在山岭环抱的盆地城市,气流不通畅,静风日
数多,又因热力作用形成山谷风局地环流,在
夜晚山风作用下,极易发生, 地形逆温, 。这
些气象条件对污染物的扩散十分不利,在这种
城市中不宜建立可能会严重污染环境的工业区
谷地昼夜空气环流情况
山风
谷风
3 城市 气候 学
2 城市总体规划与日照
日照不仅可以杀菌抗病,促使人体生成维生素 D,
给寒冷的冬季室内增加温暖,而且更重要的是
促进人们的精神爽快和精力充沛,对人们的健
康状况和工作效率起着有益的作用
原则, 节约用地,保证建筑物和绿化带有合理日照,
在城市总体规划和小区规划中,必须考虑日照
的变化规律,根据日照标准,合理确定道路网的
方位,宽度,建筑物的朝向,间距及建筑形体,综
合考虑通风,采光及调温等,做出合理规划设计
3 城市 气候 学
建筑 日照间距 — 保证建筑物朝阳面有不过少日
照持续时间而留有的建筑物与建筑物间的空地,
以 间距系数 — 日照间距与建筑物计算高度的比
值,亦称间距比,来表示
建筑 日照标准 — 衡量建筑物日照效果的最低限
度指标,因地理位置,气候条件,生活习惯,居住
卫生要求和节约用地的不同而异,
日照间距和日照标准两者之间是相辅相成的关
系, 标准高,则相应的间距大 ; 间距大则标准高
日照时间 适 用 范 围
正午满窗日
照或 1~2h
一般住宅建筑、一般服务性
建筑、热加工车间的生活间
3~4h
教学楼、办公楼、公共建
筑、一般车间
5~6h
托儿所、幼儿园、疗养院、
潮湿车间
室内日照时间指标 (吉林省 )
3 城市 气候 学
通常计算建筑日照标准的日子是以最不利的情
况即冬至 (12月 22日 )前后为准。这时北半球太
阳高度角在一年中最低,昼最短,夜最长,只
要这一天能达到建筑日照时间的要求,其它所
有的时间都能满足要求。但若以冬至为标准日,
则要求建筑间距太大,同时使文化、卫生和商
业等设施的服务范围增大
举例说,如果北京在冬至日日照保证 2h,其 间距
系数 为 1.89,在大寒日 (1月 22日 )日照保证 2h,其
间距系数为 1.64
日照时间 冬 至 大 寒 雨 水 春 分
2h 1, 8 9 1, 6 4 1, 1 8 0, 7 8
3h 1, 9 6 1, 7 1 1, 2 0 0, 7 8
北京日照时间和间距系数
3 城市 气候 学
由此可见,冬至与大寒二者间距系数相差 0.25。
若以冬至为标准日,比大寒为标准日要少建住
宅 15m2/100m2,降低了土地利用率。从北京的
情况来看,若以大寒日为标准日,间距系数为
1.64,冬至日不保证日照的窗户约有 7%左右。
考虑到日照对机体的生物学效应、土地利用和
气候特征等多种因素,综合起来看,北京居住建
筑采用大寒日为日照时间的标准日,按日照 2h
决定间距系数是合理的
3 城市 气候 学
建筑布局形式对日照的影响
在建筑群体间安排通道,不仅有利于交通联系
和小区内部通风,还可以大大地改善日照时间
南北平行两幢住宅楼日照示意
房屋间缺口安排对街坊内日照的影响
3 城市 气候 学
高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深，增
加电梯服务户数，减少过道面积等优点，而且
在充分保护采光日照条件下，可以大大缩小建
筑物间距系数，以达到节约用地的目的。如北
京 20层 60m高塔楼，南北排列距离只 30m,冬
至日后排每日仍有 5h的日照
3 城市 气候 学
街道走向对日照的影响
偏东南或偏西南平行布置的居住建筑，较正南
北向布置的居住建筑有利于日照
如北京正南北向的建筑，在冬至日后排见不到
阳光，若将正南北朝向扭转 30?时，可得到日
照约 5h。 这样虽造成夏季的部分东西晒之弊，
但在冬半年却能适当改善日照条件，适于高纬
度地区
如果按间距系数 1.8计算冬至日各种不同走向街
道中的最多可照时间,
各种不同走向的街道中冬至日的最多可照时间
3 城市 气候 学
在同样走向的街道中,由于街道相对间距 (L/H,
L是街道宽度,H是建筑物高度 )不同,每天被两
侧房屋遮挡太阳光线的时间长短不同,其可照
时间也有很大差异。如以北纬 32?为例 (下页图 ),
随着相对间距的增大,街道可照时间增加。但
当相对间距增大到 3(即 L/H=3)以后趋于平缓,
再后就很少增加了。同时街道可照时间夏季比
冬季平均多 1~2h
在城镇街道规划时,应适当考虑这些因素
在北纬 32?处南北走向街道中的
可照时间随街道相对距离的变化
3 城市 气候 学
3 城市居住区的自然通风
城市居住区自然通风,可以排出室内的污浊气
体,有利于居住卫生,同时可以降低空气的相
对湿度,帮助人体散热和汗液的蒸发,使人感
到舒适。在不同的气候条件下,有不同的通风
要求。研究建筑物自然通风的物理机制,针对
各城市的通风要求,进行建筑设计,充分利用
自然通风,少用机械通风,也有助于城市降低
消耗,节约能源
3 城市 气候 学
通风的作用和要求
健康通风, 新鲜空气与混浊空气相互交换流通,
保证室内空气质量维持在健康所允许的最低水
平时的通风量
舒适通风, 温度舒适要求上的通风。在夏季,
正常人坐着休息时,舒适的风速为 0.23m/s; 冬
季为 0.15m/s,广州地区调查情况如下页表所示,
空气温度
( ℃ )
25,1~27.0 27,0~29.1 29,1~31.0 31,1~32.0 32,1~33.0
相对湿度
( % )
85 ~92 84 ~90 76 ~80 74 ~79 74 ~76
气流速度
( m /s )
0.05 ~0.1 0.05 ~0.2 0.1~0.2 0.2~0.3 0.2~0.4
人体温度
( ℃ )
36,0~36.4 36,0~36.5 36,2~36.4 36,3~36.6 36,4~36.8
皮肤温度
( ℃ )
29,2~29.9 29,7~32.1 33,1~33.9 33,8~34.6 34,5~35.0
出汗情况 无 无 无 微 少 较 多
生理感觉 凉 爽 舒 适 稍 热 较 热 过 热
主观评价 愉 快 合 适 尚 可 勉 强 难 受
室内气候条件对人体舒适感影响的评价
象 征
工 作 愉
快 ; 可穿外
衣 ; 有微风
时,清凉 ;
无微风时,
工作仍适
宜 ; 吃饭不
出汗 ; 夜间
睡眠舒适,
可 穿 衬
衣 ; 有微风
时,工作舒
适 ; 无微风
时,感到微
热,但不出
汗 ; 夜间睡
眠仍感舒
适,
感 到 稍
热 ; 有微风
时,工作尚
可 ; 无微风
时,发出微
汗 ; 夜间不
易入睡 ; 蒸
发散热增
加,
有微风时,
勉强工作,
但较干燥,
较热,口渴 ;
有微风时,
仍出微汗 ;
夜间难睡 ;
主要靠蒸发
散热,
皮 肤 出
汗,家具
表面发
热,感觉
闷热 ; 工
作 困 难,
虽 有 风,
工作仍费
劲,
室内气候条件对人体舒适感影响的评价
3 城市 气候 学
在冬季潮湿但温度不十分寒冷的城市, 其人口
密集的居住区, 如果没有暖气管设备, 那么房
屋自然通风的速度要减小, 避免室温太低 。 但
因湿度大, 特别是厨房, 浴室这类房间, 相对
湿度过大, 容易导致水汽凝结, 在此情况下,
就需要有排湿通风的设备, 使室内水汽排出,
避免空气过湿发生凝结现象
3 城市 气候 学
在炎热的城市，则须根据其温度情况对住宅区
采取相应的通风速度，以保证居民在室内有比
较舒适的温度，并能促进汗水的蒸发。一般在
湿热地区，室内风速需要有 2m/s左右。在干热
地区，白天可关闭一部分门窗，通风速度可适
当减小，维持到健康通风的水平之上。在夜晚
室内气温和墙面温度比室外高，则需要打开门
窗，增加通风速度，以便使室内温度合适。这
时室外环境温度已不甚高，只需大约 1m/s的风
速即可
3 城市 气候 学
建筑物设计与自然通风,
首先应了解当地的风向频率 (风玫瑰图 ),特别
要重视 夏季的盛行风向 和 地方风 特点
夏季通风以夜晚为最重要，如有地方风的日变
化时，建筑朝向要重点考虑夜晚风向。与此同
时，还要兼顾日照条件，避免东西晒
一般参照日照间距来确定适当的 通风建筑间距
房屋间距不同引起风压变化
3 城市 气候 学
建筑物布局形式对通风的影响
南方地区, 行列式和自由式通风较好, 行列式
中又以错列型和斜列型更好一些，房子互相挡
风较少，错列型相当于加大了前后幢房子之间
的距离，对通风有利；无风时因热压作用产生
巷道风：白天巷道 (胡同 )受太阳辐射较少，升
温慢，风从巷道吹出；夜里，巷道散热慢，风
从外面吹入, 错列式的前、后幢房子的距离可
稍为缩小，以节约用地
建筑群平面形式
3 城市 气候 学
周边式或四合院式，部分房子的前后都处在负
压区，通风不好，而且部分房子又处于东、西
朝向，日照条件亦不利，不适宜风小炎热地区
北方地区 或位于水面附近并常有强风, 为了防风，
其房屋布置多采用周边式
在建筑群的立体布置方面,为使通风好,可以
布置成, 前低后高, 或有规律的, 高低错落,
的方式。这些布置,房子之间挡风少,不致太
影响后面房子的通风,对日照亦有利,同时,
也可缩短两幢房子之间的距离,节约用地
建筑群在立体上的处理
本章到此结束,谢谢 !
3 城市 气候 学
影响城市气候的因素
城市的辐射和日照
城市的热量 平衡 与 城市热岛 效应
城市的风及局部环流
城市的降水及水分平衡
城市的大气污染及与城市气候的关系
城市气候与城市规划和城市建设
3 城市 气候 学
3.1 影响城市气候的因素
城市除了受当地纬度、大气环流、海陆位
置、地形等区域气候因素的作用外,还受
人类 (生产与生活 )活动中放出热量及水汽
的影响,因而形成有别于近郊区和乡村的
局地气候。通常我们称之为 城市气候
城市气候所涉及的范围主要包括三个部分,
即 城市覆盖层, 城市边界层 和 市尾烟气层
城市气候所波及的范围
城市气候所波及的范围
3 城市 气候 学
在城市高强度的经济活动中,要消耗大量能源。
据统计一个百万人口的城市,每天要消耗煤
3000t,石油 2800t,天然气 2700t,同时排放出
粉尘约 150t,二氧化硫 150t,一氧化碳 450t,一
氧化氮 100t。 当这些粉尘和有害气体进入空气
后,会改变大气的组成成分,影响城市空气的透
明度和辐射热能收支,减弱能见度,为云雾提供
丰富的凝结核,从多方面影响气候。如果污染
物超过大气的自净能力,还会造成城市大气污
染。
3 城市 气候 学
由于城市居民的生活和生产活动,如家庭炉灶、
取暖、工厂生产、公共交通、人、畜的新陈代
谢和其他各种能源燃烧所排放的热量,使城市
比郊区增加了许多额外的热量收入。这种人为
的热量在某些中高纬度城市可以接近或超过太
阳辐射热量。如在德国的汉堡每天从煤燃烧所
产生的热量为 167J?cm2,而冬季地面从太阳直
接辐射和天空辐射一天中所得到的热量为
175J?cm2。 在莫斯科,人为热竟超过太阳辐射
热的 3倍,对城市增温的影响十分显著。
3 城市 气候 学
此外由于城市供水、排水的方式和农村不同,
在燃烧和某些工业生产过程中还产生一定量的
,人为水汽, 进入大气,致使城市中的水分平
衡与农村有明显差异。
3 城市 气候 学
3.2 城市的 辐 射与日照
? 城市太阳总辐射较乡村少
污染物浓度大 ?直接辐射少 ?散射辐射多 ?总
辐射少
? 城市 下垫面反射率小
冬季更是如此,反射率小意味着吸收率高
总体说,城市地面吸收的太阳辐射与乡
村差别不大
3 城市 气候 学
? 城市日照总时数和日照百分率小于乡村
1 大气污染物多,云雾多,透明度小 ;
2 热岛效应所引起的对流云经常出现
? 城市内部日照地区差异明显
此为建筑物遮阴所致,主要取决于 街道走向,
及 建筑群高度与街道宽度之比, H/D
北墙冬半年完全荫蔽,夏半年一天两次日照,
但时间不长 ; 南墙每天一次,但随太阳赤纬
增加而减少
西安 (北纬 34?)街道可照时间 (h)
街道
朝向
南 墙 北 墙 平面
H/D 1/2 1/1 2/1 3/1 1/2 1/1 2/1 3/1
全年
可照
时数
318 0.4 211 2.7 134 6.5 986,3 650,2 524,3 382,6 300,6 439 4.4
3 城市 气候 学
3.3 城市的热量 平衡 与 城市热岛 效应
?热量平衡
人为热的大量输入, 工业生产、家庭炉
灶、空调制冷、机动车排放、冬季取
暖等
下垫面 导热率 高出乡村 3倍,热容量 较乡
村大 1/3倍,因而贮热量大
热收入远高于乡村
3 城市 气候 学
?城市热岛效应
城市热岛 (urban heat island)— 城市内部气
温比周围郊区高的现象, 城市气候中最典型的
特征之一, 无论是在中高纬度或低纬度地区,
这一现象均普遍存在 。
城市热岛效应可以从两个方面来分析：
同一时间城市和郊区气温的对比
同一城市历史发展过程中气温的前后对比
3 城市 气候 学
城、郊气温对比
? ?Tu-r— 热岛强度 =同时间同高度 (离地 1.5m)
热岛中心与近郊的气温差值。
?, 城市热岛, 矗立在农村较凉的, 海洋, 之
上,国内外均如此,
冬季傍晚上海市区比郊外要高 2~5?C;
巴黎城中心年均温比郊区高 1.7?C
城市热岛温度剖面示意图
3 城市 气候 学
城市发展过程中气温的前后对比
? 随城市化发展,市区呈现出越来越暖的趋势,
如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段
1920~1942年, 气温变化趋势逐年上升 (城市发展 )
1942~1945年, 气温变化趋势逐年下降 (值第二次
世界大战期间,东京城市受到大规模的破坏,城
市热岛效应不存在 )
1945~1967年, 气温变化趋势逐年上升 (战后城市
建设迅速恢复,气温又开始回升 )
日本东京 1916~1965年年平均气温的变化
3 城市 气候 学
城市热岛强度的变化
? 周期性
日 变化, 夜晚强,白昼午间弱
年 变化, 冬秋两季比夏春两季表现更明显,可
能归因于冬季城市取暖耗能较多,释放大量
人为热量
周 变化, 明显受工休日周期影响,周末弱,周内
强
蒙特利尔夏季热岛强度的日变化 (无云无风天气 )
逐时降温率
?T/?t (?C.h-1)
热岛强度
?Tu-r (?C)
城市
乡村
维也纳城市和郊区气温差值的日变化
城 市
星
期
一
星
期
二
星
期
三
星
期
四
星
期
五
星
期
六
星
期
日
平
均
纽黑文
( 1939~
1943 )
0.6 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.3 0.6
巴尔的摩
( 1971~
1975 )
0.9 1.0 0.8 0.7 0.7 0.4 0.2 0.7
美国两座城市冬季热岛强度 ?Tu-r(℃ )的周变化
3 城市 气候 学
?非周期性
1） 临界风速,风速大则热岛效应小，
超过临界风速时则消失
2）云量：强热岛大多出现在无云的天
气状态下
季 节
热岛消失的风速
（ m /s ）
春 4~5
夏 2~3
秋 5
冬 5~6
北京地区热岛消失的临界风速
3 城市 气候 学
?城市热岛强度的地区差异
城市热岛强度与城市的布局形状, 城市地形等
有密切关系 。 团块状紧凑布局, 城中心增温效
应强 。 条形分散结构, 城中心增温效应弱 。 盆
地或凹地, 由于风速小, 热岛效应特别强, 这
里不仅抵消了冷空气的下沉作用, 反而成为最
暖的热岛中心
城市 规模 （ 面积, 人口及其密度等 ） 对热岛强
度亦有影响
城市规模与城乡气温 (夜晚 )差别的关系
旧金山 圣约瑟 帕阿尔托
城市面积
( km
2
)
116.81 38.33 22.27
居民人口数
( 万人 )
78.4 10.1 3.3
居民密度
( 人 /km
2
)
6712 2635 1481
夜晚平均
城乡气温差
( ℃ )
5.6~6.7 3.9~5 2.2~3.3
3 城市 气候 学
城市附近自然景观以及城市内部下垫面
性质亦对城市热岛强度起一定作用。无
绿化的宽阔街道和广场，到中午时剧烈
增温，在夜里又急剧冷却，气温日振幅
最大。林荫道和有绿化的广场白昼较凉
爽，气温的日振幅较小
01 时 07 时 13 时 19 时
公园内 27,1 28,3 31,8 28,3
公园附
近街道
27,9 29,2 32,9 29,3
两处
气温差
0,8 0,9 1,1 1,0
上海市区公园同其附近街道的气温平均差值 (℃)
3 城市 气候 学
3.4 城市的 风及局部环流
?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 。
在晴朗的夜间城市热岛环流模式
3 城市 气候 学
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
(local heat island circulation),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 (country breeze)。
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 1.5~2.0h。 这种脉动性在夜间特别明显。
3 城市 气候 学
?城市发展对盛行风的影响
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)1951~
1955
1956~
1960
1961~
1965
1966~
1970
1971~
1975
1976~
1980
3.6 3.2 3.2 3.1 3.1 3.0
3 城市 气候 学
城市的平均风速比郊区小。
城市与郊区风速的差值还因时、因
风速而异, 一般是白天差值大，晚上
小；夏季大，冬季小。
上海地区 1980年年平均风速示意图
3 城市 气候 学
?城市覆盖层内部风的局地差异
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地性差异
很大。有些地方风速极微；而在特殊情况下，
某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊区。
造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因是由
于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高度、形
式和朝向不同,当风吹过城市中鳞次栉比、参差
不齐的建筑物时,因阻障效应产生不同的升降气
流、涡动和绕流等,使风的局地变化复杂化。
3 城市 气候 学
盛行风遇到不能穿透的建筑物时,在迎风面上一
部分气流上升越过屋顶,一部分气流下沉降至地
面,另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去。
当盛行风向与街道平行时,由于狭管效应,风速会
加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速
度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物
的部分大些。如果以街道中心的风速算作 100%
的话,那么在迎风面的人行道风速为 90%,背风面
的人行道风速只有 45%。人行道旁如果种植行道
树,树叶茂盛时风速将再减低 20%~30%; 在公园
的浓荫中,风速更会削弱 50%上下。
3 城市 气候 学
3.5 城市的湿度、降水及水分平衡
城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低
欧洲几座城市年平均湿度的城乡差异
维也纳 柏 林 特利尔 科 隆 弗罗茨瓦夫 慕尼黑
(20年平均 ) (14年平均 ) (2年平均 ) (3年平均 ) (9年平均 ) (4年平均 )
城乡绝对
湿度差 (Pa) -20 -20 -50 -40 -50 -25
城乡相对
湿度差 (%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5
3 城市 气候 学
城区比郊区雾多，能见度低
城市多雾的原因，首先是因为人为造成的
大气污染，颗粒物质为雾的形成提供了丰富的
凝结核。城市中鳞次栉比的建筑物群，增加了
下垫面的粗糙度，减少了风速，为雾的形成提
供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流，
郊区农村带来的水汽，使低空辐合上升凝结成
雾的机率增大。
3 城市 气候 学
城市的大雾阻碍交通，使航班停开，增
加城市交通事故。
大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩散,
加重了大气污染 。
城市雾还减弱了太阳辐射, 不利于人类
与其它生物的生活 。
3 城市 气候 学
城市的降水与水分平衡
1) 城市水分收入项比郊区大
城市水分收入比郊区大,首先在于城市中的降
水量一般比郊区多,一 般比郊区多 5%~15%。
形成城市降水较多的原因有三：
第一,城市 热岛效应 。 城市由于有热岛效应,空
气层结不稳定,有利于产生热力对流,当城市中
水汽充足时 (城市中还有一定量的人为水汽和
人工管道供应的水分 ),容易形成对流云和对流
性降水 。
3 城市 气候 学
第二,城市 阻滞效应 。城市因有高高低低的建
筑物,其粗糙度比附近郊区平原大。它不仅能
引起机械湍流,而且对移动滞缓的降水系统 (如
静止锋、静止切变、缓进冷锋等 )有阻滞效应,
使其移动速度减慢,在城区滞留时间加长,因而
导致城区的降水强度增大,降水的时间延长。
第三,城市 凝结核效应 。城市因生产和生活强
度较大,空气中尘粒及其它微粒比周围地区多,
为形成降水提供了丰富的凝结核。
3 城市 气候 学
2) 城市下垫面 蒸散量 和水分贮存量比郊区小
城市由于地面一般经人工铺装,植被覆盖率低,
不透水面积大,降雨后雨水滞留地面时间短,
地面水分 蒸发量 及植物 蒸腾量 均小于郊区 。 根
据在美国东北部一个小流域的观测研究估算,
当流域面积的 25%为不透水区时,其年蒸腾量
要减少 19%; 若不透水面积增加到 50%,年蒸腾
量减少 38%; 不透水面积增大到 75%时,则年蒸
腾量减少 59%
3 城市 气候 学
城市下垫面善于贮存热量,却不善于贮存水分。
这自然是由于城市中建筑物密集,植被覆盖率
小,又有人工排水管道,降水后水分渗透并贮存
在下垫面中极少的缘故。
3 城市 气候 学
3) 城市径流量比郊区大,峰值出现时间早
城市下垫面的水分收入量比郊区多,而向空气
的蒸散量和向下垫面内部的渗透贮存量比郊区
少,则其径流量必然要比郊区大得多 。
城市在降雨后,径流量急剧增高,很快出现峰值,
然后又迅速降低,其 径流曲线非常陡峻,急升急
降 。 郊区径流曲线则平缓得多,其峰值比市区
低,出现时间比市区迟,缓升缓降 。
降雨后城市与郊区径流曲线的图式
曲线下的面积
代表径流总量
3 城市 气候 学
在城市水分平衡中,上述三个特征对于如何规划
城市的排水管道,有极重要的意义。
3 城市 气候 学
3.6 城市大气污染与城市气候的关系
城市中大气污染物和污染源
污染 源
?固定源：燃料燃烧, 废物焚化, 工业
生产
?流动源：汽车, 火车, 轮船, 飞机等
自然环境与城市环境比较, 城市大气污染源
3 城市 气候 学
城市大气中的主要污染物
分 类 成 分
烟尘,粉尘 碳粒,飞灰,碳酸钙,氧化锌,氧化铝
硫 化 物 二氧化硫,三氧化硫,硫酸,硫化氢,硫醇
氮 化 物 一氧化氮,二氧化氮,氨等
氧 化 物 臭氧,过氧化物,一氧化碳等
卤 化 物 氯,氟化氢,氯化氢等
有机化合物 甲醛,有机酸,焦油,有机卤化物,酮等
3 城市 气候 学
城市大气污染与气象条件
? 对大气污染物的 稀释 和 扩散 作用
1 风和湍流的影响
风对排入大气中的污染物有显著的 输送, 冲淡,
稀释 和 扩散 作用。
城市中严重的大气污染现象都出现在风速小的
时候,一般在风速 ?2m/s或 ?3 m/s时
大气中污染物浓度与风速的关系
3 城市 气候 学
必须指出,风速与污染浓度的关系是比较复杂的,
如其它条件相同,一般呈反比关系 。 但如果风
速剧增,在烟囱的下风方向近地面层反而会出
现较高的污染浓度 。 这是因为烟囱下风方向近
地面空气污染浓度不仅与风速有关,也与烟囱
的有效高度有关 。
烟囱的有效高度,烟囱的实体高度与烟气高度之
和,也就是烟流中心线完全变成水平时的高度
烟囱的有效高度
3 城市 气候 学
烟囱有效高度越高,下风方向地面浓度也越小,但
随着风速增大烟气离烟囱口以后的上升高度随之
降低,从而使烟囱有效高度也随之降低,这样使地
面附近浓度增大。这个效果正好与风速对浓度影
响效果相反。所以当风速增大到某一定值时,在
烟囱附近的下风方向,就有可能出现最高的地表
浓度。特别是当烟气从烟囱口排出的速度小于风
速时,烟气就在烟囱背后发生涡流,在附近建筑物
影响下,涡流卷入涡旋,急速降落地面。这种现象
称为 下曳气流 (downdraft)
烟囱附近的下曳气流
(使烟囱附近地面层空气形成高浓度污染 )
3 城市 气候 学
2 大气稳定度的影响
大气稳定度 (?),表示空气是否安于原在的
层次,是否易于发生 垂直运动,即是否易
于发生 对流 的量度
假定有一微团空气受到对流冲击力的作
用产生上下移动后,如果该空气微团减速,
并有返回原来高度的趋势,这时的气层对
于该空气微团而言是 稳定 的 ;
3 城市 气候 学
如果空气微团一离开原位后,就逐渐加速运动,
并有远离起始高度的趋势,这时的气层对于该
空气微团而言是 不稳定 的 ;
如果空气微团被推到某一高度后,既不加速也
不减速,而是随遇而安,这时的层,对于该空气
微团而言,它的稳定度是 中性 的。
大气是否稳定，通常用周围空气的,温度直减
率 (γ)”与上升空气微团的,干绝热直减率 (γd)”
的对比来判断
3 城市 气候 学
干绝热直减率 γd是每上升 100m温度降低 1℃ 。
而周围空气气温随高度变化的直减率 γ是多种
多样的：
γ>γd,每隔 100m高度气温降低很快,空气层处于
不稳定状态 (不稳定层结 )
γ<γd,每隔 100m高度气温降低很少,甚至随高度
而递增,称为“逆温”,空气层处于稳定状态
(稳定层结 )
γ=γd,每隔 100m高度刚好是减低 1℃,空气层的
稳定度处于中性状态 (中性层结 )
城市上空空气层结对污染物扩散的影响
3 城市 气候 学
大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重
要因素
当大气层结不稳定时,热力湍流发展旺盛,对流
强烈,污染物容易扩散
当大气层结稳定时,湍流受到抑制,污染物不易
扩散稀释 。 特别是当有逆温层出现时,通常风
力微弱甚或平静无风,低空好象蒙上一个, 盖
子,,使烟尘聚集地表,造成严重污染
3 城市 气候 学
从烟囱排出的烟流形状看大气稳定度的影响：
? 全层 不稳定 (波浪型 ),晴午后 ; 烟源附近污染
? 全层 中性 (锥型 ),风力较大的夜间出现
? 全层 稳定 (扇型 ),晴,风小的夜或晨 ; 易污染
? 下层 稳定 上层 不稳定 (屋脊型,上扬型 ),日落
后不久出现 ; 地面可免受污染
? 下层 不稳 定上层 稳定 (熏烟型,漫烟型 ),日出
后风力微弱时易出现 ; 下风处严重污染
大气稳定度和烟型
全层 不稳定 (波浪型 )
全层 中性 (锥型 )
下层 稳定 上层 不稳定 (屋脊型 )
下层 不稳 定上层 稳定 (熏烟型 )
全层 稳定 (扇型 )
? 环境层结线 ? 干绝热线
3 城市 气候 学
对大气污染物的冲洗, 凝聚和化学反应影响
? 降水的淋洗作用, 雨 滴在下降过程中捕获颗
粒污染物,从而, 清冼大气,
? 雾的凝聚作用, 水 汽与凝结核结合形成雾滴,
高浓度的 SO2污染常与浓雾相伴出现
? 光化学反应作用, 高温 与强光照下易发生,光
化学烟雾呈浅蓝色,其化学反应复杂
3 城市 气候 学
城市大气污染实况
1 城市 大气污染的地区差异
? 不同城市对比
?雷克雅未克 (Reykjavik,冰岛首都 ),无烟
城市,可谓 天蓝、地绿、水清、气爽
?中国城市, 属煤烟型污染,北方城市比南
方城市更甚,尤其是在冬天
我国因能源结构以煤炭为主,因此各大城
市大气污染状况基本上类似
3 城市 气候 学
同一城市内部不同区域
大气污染浓度分布不均匀, 靠近工业区污染最
为严重 ; 靠近市中心的交通和商业区污染次之,
也较严重 ; 绿化区稍好些
当市内的污染区风速较小,低空又有逆温层存
在时,在市区上空往往形成一穹隆形的尘盖。
如果风速达到 3.5m/s,就会使穹形尘盖破坏,形
成鸟羽状尘盖。在强污染源的排放下,如果低
空层结稳定,地面风能将城市羽状尘盖向下风
方向扩展数百千米
城市上空的尘盖
3 城市 气候 学
2 城市大气污染的 类型 及其 日变化和年变 化
伦敦型：
大气污染源主要来自工业炉窑和民用炉灶,使用
燃料为煤炭类,排出的 主要污染物为烟尘, SO2、
CO等。在冬季因取暖用的燃料较多,排放的烟尘
量大,再加上冬季辐射逆温频率大,湍流弱,烟尘
不易扩散,因此大气中烟尘浓度 冬季最高,春秋次
之,夏季最小 。日变化烟尘浓度以 早晨 8时左右为
最大
3 城市 气候 学
洛杉矶型：
? 大气污染源主要来自汽车等交通工具。污染
物为汽车尾气排出的一次污染物 NOX、
HXCX,CO和 铅尘 等经光化学变化产生的二
次污染物光化学氧化剂 PAN。
? 浓度年变化, 夏, 秋季节 (5月 ~9月 )为最浓,
冬季最淡 。
? 日变化, 光化学烟雾只在 白天 出现,以 中午 附
近为最浓。夜晚无日照,因而不会有污染现
象出现。
3 城市 气候 学
城市大气污染的影响
1 对城市气候的影响
城市大气污染与整个城市气候是相互影响相互制约的 。
城市中的风, 大气稳定度, 天气形势, 降水, 雾, 温
度和日照等影响和制约着城市大气污染的浓度及其时
空分布；而城市大气污染又反过来影响城市的气候 。
其中最突出的影响有以下几方面：
? 减少太阳入射辐射和日照时数
? 增加城市烟雾频率, 减小能见度
? 改变城市的热状况
3 城市 气候 学
2 对城市居民健康的危害
? 呼吸道疾病, 致 癌, 心血管, 消化道, 神经
系统, 泌尿系统疾病等
3 对各种物品的腐蚀
? 城市 纪念性建筑物 (30=500),艺术品等
4 酸雨及其危害
? pH＜ 5.6； 跨 地区, 跨国界；我国西南严重,
以贵州, 重庆, 四川盆地较集中；北方较轻
3 城市 气候 学
3.7 城市气候与城市规划和城市建设
1 合理布局减轻居住区的大气污染
1914年德国学者 Schmaess提出,在考虑城市布
局时,工业区应布置在主导风向的下风方向,居
住区在其上风方向,以减少居民受工厂烟尘的
危害 。 该原则对欧洲各地比较适用
我国在上世纪 50年代以来也一直沿用 。 然而我
国属季风气候区,该原则其实并不适用,
因为我国冬季风与夏季风一般是风频相当,风
向相反的,在冬季属上风方向的区域夏季就会
成为下风方向
此外,该原则对全年有两个主导风向以及静风
频率在 50%以上的或各风向频率相当的地区,
也都不适用
朱瑞兆 于 1980年根据我国 600多个气象台站 1月、
7月及年的风向频率玫瑰图进行相似形分类,将
我国按风向大致划分为 4大类型区,
3 城市 气候 学
季风变化型, 中国东半壁 多属之,盛行风向随季
节变化而转变,冬季风向偏 N,夏季偏 S
主导风向型, 一年中不管什么季节都有相同的
盛行风向,新疆 -内蒙 (W),云贵 (SW),青藏 (W)
无主导风向型, 全年风向不定,各方位风向频率
相当,没有一个较突出的盛行风向,宁夏 -甘肃
河西走廊 -陇东 -内蒙阿拉善
准静止风型, 全年静风频率在 50%以上,年平均
风速在 1.0m/s以下的地区,四川,西双版纳
城市规划风向分区图 (朱瑞兆,1980)
3 城市 气候 学
季风变化型, 中国东半壁 多属之,盛行风向随季
节变化而转变,冬季风向偏 N,夏季偏 S
例如南昌市,冬季盛行北风,风频 27%,加上东
北偏北风,风频为 52%; 夏季盛行西南风,风频
为 19%,加上西南偏南风,风频为 36%,夹角为
135?~180?,全年最小风频方向为西北偏西,风
频为 0.6%,工业企业应布置在这个方向,居住区
应在东南偏东方向
南昌风向频率玫瑰图 (于志熙,1992)
3 城市 气候 学
主导风向型, 一年中不管什么季节都有相同的
盛行风向,新疆 -内蒙 (W),云贵 (SW),青藏 (W)
可将排放有害物质的工业企业布置在常年主导
风向的下风侧,居住区布置在主导风向上风侧
无主导风向型, 全年风向不定,各方位风向频率
相当 (<10%),没有一个较突出的盛行风向,宁夏
-甘肃河西走廊 -陇东 -内蒙阿拉善
这类区域在城市规划布局时常用 污染系数 (烟
污系数,卫生防护系数 ) Cp来表示,
3 城市 气候 学
式中,CP— 某方向污染系数
f— 某方向风向频率
v— 该方向平均风速
它说明来自某方向的污染程度,与该方向风向
频率成正比,与该方向平均风速成反比。可以
计算出各风向的污染系数,并绘成玫瑰图。将
向大气排放有害物质的工业企业布置在污染系
数最小的方位,或最大风速风向的下风方向上。
居住区在污染系数最大的方位。
v
fC ?
P
3 城市 气候 学
准静止风型, 全年静风频率在 50%以上,年平均
风速在 1.0m/s以下的地区,四川,西双版纳
在规划布局上,必须将向大气排放有害物质的
工业企业布置在居住区的卫生防护距离之外。
一般说来,在风速不大,大气较稳定和地形较平
坦的条件下,污染物质最大着地浓度出现在烟
囱烟体上升有效高度 10~20倍之间,因此居民区
应布在烟囱有效高度 20倍距离之外的地区
考虑风对大气污染影响作用的城镇布局图式
3 城市 气候 学
上面所指均是对平原地区而言。在地形复杂的
山地、海滨或盆地地区,情况较为特殊,
在一山地的迎风区,居民区与工厂区的安排按
前述原则是适宜的 (下页图左边位置 ); 但在背
风区 (下页图右边位置 ),虽然居民区位于上风
方向,然而因涡流作用,不但山下工厂的烟尘
扩散困难,并且还会反卷至山坡,对居民区产
生严重的污染,这样的布局显然不妥当
地形对工厂区布局的影响
3 城市 气候 学
沿海城市 (如日本神户,大阪,横滨,中国的天津
等 )为了海运方便，往往将工业区设在海滨,
生活区放在内地
然而由于海滨地区有海陆风的影响，白天工业
区的污染物会顺着海风吹向内地生活区,从而
造成污染。世界许多沿海城市均有过这样的
,经历,,一时成为空气污染防治的难题
因而沿海地区城市功能分区应与海岸平行布局
海滨地区城市功能分区布局图式
3 城市 气候 学
在山岭环抱的盆地城市,气流不通畅,静风日
数多,又因热力作用形成山谷风局地环流,在
夜晚山风作用下,极易发生, 地形逆温, 。这
些气象条件对污染物的扩散十分不利,在这种
城市中不宜建立可能会严重污染环境的工业区
谷地昼夜空气环流情况
山风
谷风
3 城市 气候 学
2 城市总体规划与日照
日照不仅可以杀菌抗病,促使人体生成维生素 D,
给寒冷的冬季室内增加温暖,而且更重要的是
促进人们的精神爽快和精力充沛,对人们的健
康状况和工作效率起着有益的作用
原则, 节约用地,保证建筑物和绿化带有合理日照,
在城市总体规划和小区规划中,必须考虑日照
的变化规律,根据日照标准,合理确定道路网的
方位,宽度,建筑物的朝向,间距及建筑形体,综
合考虑通风,采光及调温等,做出合理规划设计
3 城市 气候 学
建筑 日照间距 — 保证建筑物朝阳面有不过少日
照持续时间而留有的建筑物与建筑物间的空地,
以 间距系数 — 日照间距与建筑物计算高度的比
值,亦称间距比,来表示
建筑 日照标准 — 衡量建筑物日照效果的最低限
度指标,因地理位置,气候条件,生活习惯,居住
卫生要求和节约用地的不同而异,
日照间距和日照标准两者之间是相辅相成的关
系, 标准高,则相应的间距大 ; 间距大则标准高
日照时间 适 用 范 围
正午满窗日
照或 1~2h
一般住宅建筑、一般服务性
建筑、热加工车间的生活间
3~4h
教学楼、办公楼、公共建
筑、一般车间
5~6h
托儿所、幼儿园、疗养院、
潮湿车间
室内日照时间指标 (吉林省 )
3 城市 气候 学
通常计算建筑日照标准的日子是以最不利的情
况即冬至 (12月 22日 )前后为准。这时北半球太
阳高度角在一年中最低,昼最短,夜最长,只
要这一天能达到建筑日照时间的要求,其它所
有的时间都能满足要求。但若以冬至为标准日,
则要求建筑间距太大,同时使文化、卫生和商
业等设施的服务范围增大
举例说,如果北京在冬至日日照保证 2h,其 间距
系数 为 1.89,在大寒日 (1月 22日 )日照保证 2h,其
间距系数为 1.64
日照时间 冬 至 大 寒 雨 水 春 分
2h 1, 8 9 1, 6 4 1, 1 8 0, 7 8
3h 1, 9 6 1, 7 1 1, 2 0 0, 7 8
北京日照时间和间距系数
3 城市 气候 学
由此可见,冬至与大寒二者间距系数相差 0.25。
若以冬至为标准日,比大寒为标准日要少建住
宅 15m2/100m2,降低了土地利用率。从北京的
情况来看,若以大寒日为标准日,间距系数为
1.64,冬至日不保证日照的窗户约有 7%左右。
考虑到日照对机体的生物学效应、土地利用和
气候特征等多种因素,综合起来看,北京居住建
筑采用大寒日为日照时间的标准日,按日照 2h
决定间距系数是合理的
3 城市 气候 学
建筑布局形式对日照的影响
在建筑群体间安排通道,不仅有利于交通联系
和小区内部通风,还可以大大地改善日照时间
南北平行两幢住宅楼日照示意
房屋间缺口安排对街坊内日照的影响
3 城市 气候 学
高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深，增
加电梯服务户数，减少过道面积等优点，而且
在充分保护采光日照条件下，可以大大缩小建
筑物间距系数，以达到节约用地的目的。如北
京 20层 60m高塔楼，南北排列距离只 30m,冬
至日后排每日仍有 5h的日照
3 城市 气候 学
街道走向对日照的影响
偏东南或偏西南平行布置的居住建筑，较正南
北向布置的居住建筑有利于日照
如北京正南北向的建筑，在冬至日后排见不到
阳光，若将正南北朝向扭转 30?时，可得到日
照约 5h。 这样虽造成夏季的部分东西晒之弊，
但在冬半年却能适当改善日照条件，适于高纬
度地区
如果按间距系数 1.8计算冬至日各种不同走向街
道中的最多可照时间,
各种不同走向的街道中冬至日的最多可照时间
3 城市 气候 学
在同样走向的街道中,由于街道相对间距 (L/H,
L是街道宽度,H是建筑物高度 )不同,每天被两
侧房屋遮挡太阳光线的时间长短不同,其可照
时间也有很大差异。如以北纬 32?为例 (下页图 ),
随着相对间距的增大,街道可照时间增加。但
当相对间距增大到 3(即 L/H=3)以后趋于平缓,
再后就很少增加了。同时街道可照时间夏季比
冬季平均多 1~2h
在城镇街道规划时,应适当考虑这些因素
在北纬 32?处南北走向街道中的
可照时间随街道相对距离的变化
3 城市 气候 学
3 城市居住区的自然通风
城市居住区自然通风,可以排出室内的污浊气
体,有利于居住卫生,同时可以降低空气的相
对湿度,帮助人体散热和汗液的蒸发,使人感
到舒适。在不同的气候条件下,有不同的通风
要求。研究建筑物自然通风的物理机制,针对
各城市的通风要求,进行建筑设计,充分利用
自然通风,少用机械通风,也有助于城市降低
消耗,节约能源
3 城市 气候 学
通风的作用和要求
健康通风, 新鲜空气与混浊空气相互交换流通,
保证室内空气质量维持在健康所允许的最低水
平时的通风量
舒适通风, 温度舒适要求上的通风。在夏季,
正常人坐着休息时,舒适的风速为 0.23m/s; 冬
季为 0.15m/s,广州地区调查情况如下页表所示,
空气温度
( ℃ )
25,1~27.0 27,0~29.1 29,1~31.0 31,1~32.0 32,1~33.0
相对湿度
( % )
85 ~92 84 ~90 76 ~80 74 ~79 74 ~76
气流速度
( m /s )
0.05 ~0.1 0.05 ~0.2 0.1~0.2 0.2~0.3 0.2~0.4
人体温度
( ℃ )
36,0~36.4 36,0~36.5 36,2~36.4 36,3~36.6 36,4~36.8
皮肤温度
( ℃ )
29,2~29.9 29,7~32.1 33,1~33.9 33,8~34.6 34,5~35.0
出汗情况 无 无 无 微 少 较 多
生理感觉 凉 爽 舒 适 稍 热 较 热 过 热
主观评价 愉 快 合 适 尚 可 勉 强 难 受
室内气候条件对人体舒适感影响的评价
象 征
工 作 愉
快 ; 可穿外
衣 ; 有微风
时,清凉 ;
无微风时,
工作仍适
宜 ; 吃饭不
出汗 ; 夜间
睡眠舒适,
可 穿 衬
衣 ; 有微风
时,工作舒
适 ; 无微风
时,感到微
热,但不出
汗 ; 夜间睡
眠仍感舒
适,
感 到 稍
热 ; 有微风
时,工作尚
可 ; 无微风
时,发出微
汗 ; 夜间不
易入睡 ; 蒸
发散热增
加,
有微风时,
勉强工作,
但较干燥,
较热,口渴 ;
有微风时,
仍出微汗 ;
夜间难睡 ;
主要靠蒸发
散热,
皮 肤 出
汗,家具
表面发
热,感觉
闷热 ; 工
作 困 难,
虽 有 风,
工作仍费
劲,
室内气候条件对人体舒适感影响的评价
3 城市 气候 学
在冬季潮湿但温度不十分寒冷的城市, 其人口
密集的居住区, 如果没有暖气管设备, 那么房
屋自然通风的速度要减小, 避免室温太低 。 但
因湿度大, 特别是厨房, 浴室这类房间, 相对
湿度过大, 容易导致水汽凝结, 在此情况下,
就需要有排湿通风的设备, 使室内水汽排出,
避免空气过湿发生凝结现象
3 城市 气候 学
在炎热的城市，则须根据其温度情况对住宅区
采取相应的通风速度，以保证居民在室内有比
较舒适的温度，并能促进汗水的蒸发。一般在
湿热地区，室内风速需要有 2m/s左右。在干热
地区，白天可关闭一部分门窗，通风速度可适
当减小，维持到健康通风的水平之上。在夜晚
室内气温和墙面温度比室外高，则需要打开门
窗，增加通风速度，以便使室内温度合适。这
时室外环境温度已不甚高，只需大约 1m/s的风
速即可
3 城市 气候 学
建筑物设计与自然通风,
首先应了解当地的风向频率 (风玫瑰图 ),特别
要重视 夏季的盛行风向 和 地方风 特点
夏季通风以夜晚为最重要，如有地方风的日变
化时，建筑朝向要重点考虑夜晚风向。与此同
时，还要兼顾日照条件，避免东西晒
一般参照日照间距来确定适当的 通风建筑间距
房屋间距不同引起风压变化
3 城市 气候 学
建筑物布局形式对通风的影响
南方地区, 行列式和自由式通风较好, 行列式
中又以错列型和斜列型更好一些，房子互相挡
风较少，错列型相当于加大了前后幢房子之间
的距离，对通风有利；无风时因热压作用产生
巷道风：白天巷道 (胡同 )受太阳辐射较少，升
温慢，风从巷道吹出；夜里，巷道散热慢，风
从外面吹入, 错列式的前、后幢房子的距离可
稍为缩小，以节约用地
建筑群平面形式
3 城市 气候 学
周边式或四合院式，部分房子的前后都处在负
压区，通风不好，而且部分房子又处于东、西
朝向，日照条件亦不利，不适宜风小炎热地区
北方地区 或位于水面附近并常有强风, 为了防风，
其房屋布置多采用周边式
在建筑群的立体布置方面,为使通风好,可以
布置成, 前低后高, 或有规律的, 高低错落,
的方式。这些布置,房子之间挡风少,不致太
影响后面房子的通风,对日照亦有利,同时,
也可缩短两幢房子之间的距离,节约用地
建筑群在立体上的处理
本章到此结束,谢谢 !
