1
第二章
建筑外环境
2006年 3月
2
为什么要考虑建筑外环境?
? 建筑物所在地的气候条件, 会通
过围护结构, 直接影响室内的环境,
为得到良好的室内气候条件以满足
人们生活和生产的需要, 必须了解
当地各主要气候要素的变化规律及
其特征 。
? 一个地区的气候是在许多因素综
合作用下形成的。对建筑密切有关
的气候要素有：太阳辐射、气温、
湿度、风、降水等等。
3
本章内容要点
?宏观气候 ? 太阳辐射作用与地球气候特点
? 地球绕日运动规律
? 太阳辐射
? 室外气候
?大气压力、风、气温、天空温度、地温、湿度、降水
? 微观气候 ? 人类营造活动形成的局部微气候
? 城市风场、城市热岛、建筑日照
? 我国气候分区特点
4
第一节 地球绕日运动的规律
? 经度和纬度
伦敦格林威治天文台
经线或子午线 纬线
东经 西经
北纬
南纬
180? 90?
0?
0?
5
90?W
北京时间
伦敦时间
90?E
?某地的真太阳时 T
?当地的钟表时间 T0就是
忽略了时差 e 的当地平均太阳时。
问题：西安的真太阳时和北京时间差多少?
第一节 地球绕日运动的规律
时区当地
标准时
经度
6015
eLLTT m
m ?
???
太阳与地球距离
变化造成的偏差
6
0?
0?
+23?27?
-23?27?
第一节 地球绕日运动的规律
? 太阳的位臵与日
照的关系
? 赤纬,太阳光线
与地球赤道平面
之间的夹角
赤纬 d
北回归线
南回归线
7
南北回归线 北极圈 66?33?
北回归线
23?27?
8
赤纬和太阳高度角有什么区别？
时角和太阳方位角有什么区别？
太阳高度角
太阳方位角
sin? = cos? cos h cos? + sin? sin?
sin A = cos? sin h /cos ?
?
?
9
第
二
节
太
阳
辐
射
可见光 紫外线 近红外线 长波 红外线
10
太阳总辐射能量比例
? 太阳常数 1353W/m2：大气层外的辐射强度
? 进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，
辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。
?? 1? ?a
4 5, 6 %
?ì êa ì?
7, 0 %
oü ·ì êa ì?
4 5, 2 %
±¤ °¨ ·ì êa ì?
2, 2 %
11
大气层对太阳辐射的吸收
? 超短波
? X射线和其它一些超短波射线在通过电离层时，被 O2,N2
及其它大气成分强烈吸收
? 短波
? 受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射，
使得天空呈现蓝色
? 紫外线被大气中的臭氧所吸收
? 长波
?被 CO2和水蒸气等温室气体所吸收
? 剩下的
? 可见光＋近红外线
12
落到地球上的太阳辐射能量
? 由三部分组成
? 直射辐射：为可见光和近红外线
? 散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，为
可见光和近红外线
? 大气长波辐射：大气（水蒸汽和 CO2）吸收后
再向地面辐射，为长波辐射。在日间比例很小，
可以忽略。
? 所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分
13
太
阳
辐
射
能
的
去
向
14
50％到达地面
15
太阳辐射能与太阳高度角
I0
16
大气层质量 m
地球表面处法向太阳
直射辐射照度,
IN = I0P m
m = L’/L = 1/sin?
大 大
?＝ 30?
为什么太阳
高度角接近 0o
和 90o时垂直面
的日射量都小？
大气层质量＝ 1
大气层质量＝ 2
17
太阳日总辐射照度与朝向
?地点：北纬 40°
18
关于太阳高度角
? 太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相
关，从而影响日射强度。太阳高度角低则日
射强度小
? 冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高
? 清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度
角高
? 高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太
阳高度角高
19
太阳高
度角冬
夏不同
20
大气透明度
? 定义,I1/I0 = P = exp (-kL),P＝ 1 最透明
? 变化范围,0.65~0.75，在一个月份的晴天中可近
似认为是常数
? 我国将大气透明度作了 6个等级的分区,1级最透明
东京晴天的大
气透明度逐月值
大气层消光系数
21
我国的大气透明度分区
6
5
4
4
3
3
2
22
第三节 室外气候
? 自然的微气候
? 大气压力
? 风
? 空气温度
? 有效天空温度
? 地层温度
? 空气 湿 度
? 降 水
23
大气压力
? 大气压力随海拔高
度而变
? 在同一位臵，冬季
大气压力比夏季大
气压力高，变化范
围 5％以内
? 海平面大气压力称
作标准大气压，为
101325 Pa 或 760
mmHg
24
大气压力变化
平均气压随纬度分布 气压日变化（ 2‰ ）
25
风
? 风的成因
? 大气环流：造成全球各地差异
? 赤道和两极温差造成
? 地方风：造成局部差异，以一昼夜为周期
? 地方性地貌条件不同造成，如海陆风、山谷风、
庭院风、巷道风等
? 季风：造成季节差异，以年为周期
?海陆间季节温差造成，冬季大陆吹向海洋，夏
季海洋吹向大陆
26
大气环流
? 赤道得到太阳辐射大于长波辐射散热，极地
正相反。地表温度不同是大气环流的动因，
风的流动促进了地球各地能量的平衡。
盈余区域
短缺区域
净增益
净损失 辐射增益区
随纬度基本
不变
占地面积 40％
过渡区
占地面
积 36％
损失区
占地面积 36％
27
?
风的测量
? 测量开阔地面 10m 高处的风向和风速作为当地的观测
数据 Vmet
? 风速有梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分
布，如高度 h处,
aa
m e t
m e t
m e th
h
hVV
m e t )()(
?
??
边界层厚度
气象站 0.14
市中心 0.33
28
蒲福风力等级表
?? D? ·￡ à? ?2 ??
?è μ?
?- 3? 10 à?
μ? 2￥ 3á ì-
3a? ? è?
??
?￥
3?
1′ ?? ?? ( m ) ?é μ? ( m )
?o 3? 3? à? òe ì?
à? / àè
0 ￡- ￡- ?° ￡? ?é óa ?ì 0 ~ 0,2
1 0,1 0,1 ?é á? aí ?? ?o ì? ￡? 3? ?o ì? aê °? á? ?a ′ˉ 0,3~ 1,5
2 0,2 0,3 ?è à? μí ?? Dí ?? ￡? ?e? ′ ?￠ ìì ￡? ?o ì? aê á? ?a ′ˉ 1,6~ 3,3
3 0,6 1,0 ?e? ′ 1?? ￠ ó￥ ?? ′ˉ °? ì￠ ￡? ì· ?ì ò? ?a 3,4~ 5,4
4 1,0 1,5 á? 23 ?? 3? à? ?? ±? ·ê óo ò? ￡? ?e 3á í? ó￥ ?? ′ˉ 5,5~ 7,9
5 2,0 2,5 Dí ?′ 3á í? ?e? ? ?? ￡? á? ?o 3á è? à? Dí í? °¨ 8,0~ 1 0,7
6 3,0 4,0 2? ?eó ￥ ?? ′ˉ ￡? ?? ?? ?§ á? 1 0,8~ 1 3,8
7 4,0 5,5 ?? ?e? ? ′ˉ ￡? D- ?? °o í μí ?? °? a? 1 3,9~ 1 7,1
8 5,5 7,5 ?eó ￥ ò× ?? ￡? ?è ì? ??í í ￡? μí ?? ?è ?￥ ?? 2? 1 7,2~ 2 0,7
9 7,0 1 0,0 o¨ó t ?ê Dí í? è? ￡? ?é 2? ′¤ °? 1?? o ?ù ?? ′ˉ 2 0,8~ 2 4,4
10 9,0 1 2,5 ?? ?? ?e á? ?? ?? ?? ?? o¨ ót ?ê è? ?3 oì ó? ?￡ ?o ?ì ?? 1? ?￡ 2 4,5~ 2 8,4
11 1 1,5 1 6,0 ?o ?ì ·? ?? 1? ￡? Dí ?? a? Dí ?? ?· ? ?3 2 8,5~ 3 2,6
12 1 4,0 ￡- ?o ?ì ?÷ ?? 1? ￡? 2ù ?? ?￥ 1? 2? 3 2,7~ 3 6,9
29
风玫瑰图
某地的风向频率分布
实线为全年，虚线为 7月份
某地一年的风速频率分布
30
北京地区的风玫瑰图
? 粗线：全年
? 细实线：冬季，
12~2月份
? 虚线：夏季，
6~8月份
31
海陆风和山谷风
32
空气温度
? 主要指距地面 1.5m高，背阴处的空气温度。
? 空气 与地表面以导热、对流和长波辐射形式
进行热交换而被加热或冷却 ?? 以对流为主 。
对短波辐射几乎是透明体。
? 空气温度是如何产生变化的？
? 白天地表温度升高 与空气温度升高，谁是诱因？
? 夜间地表温度 降低与空气温度降低，谁是诱因？
? 白天和夜间的空气垂直分布应该是怎么样的？
33
空气温度
?日较差：一日内气温的最高值
和最低值之差。
? 年较差：一年内最冷月和最热
月的月平均气温差。
? 年平均温度：向高纬度地区每
移动 200~300 km 降低 1℃ 。
年较差与纬度的关系
太阳辐射和日气温变化
34
18
20
22
24
26
28
30
32
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
时间 ( 小时 )
温度
(
℃
)
空气温度的日变化
?? 武汉九月初一天的气象数据
一天中 最高气温一般出现在下午 2~3时，最低气
温一般出现在凌晨 4~5时
35
空气温度的年变化
?? 武汉某年的气象数据
一年中最热月一般在 7,8月份，最冷月一般在 1、
2月份。
- 1 0
0
10
20
30
40
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
时间 ( 小时 )
温度
(
℃
)
36
原因
? 地面有冷源
1,夜间长波辐射
2,附近有较低温
的海风吹来
逆温层 正常的温度梯度：地表热，高空冷
37
空气温度的局部效应
? 受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等影响，离
建筑物越远，温度越低
38
空气温度的局部效应
? 霜洞效应：洼地冷空气聚集造成气温低于地
面上的空气温度
39
有效天空温度
?大气层吸收 10％以上的太阳辐射和来自地面
的反射辐射，并向地面进行长波辐射（ 5～
8?m及 13?m以上）
?地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换
热 QR
? QR＝ Qg－ Qsky ＝ σ (? Tg4 － Tsky4 )
地表的黑度
波尔兹曼常数 地表温度
有效天空 温度
40
有效天空温度
?参考文献：刘森元, 黄远峰：天空有效温度的探讨,, 太阳能
学报,, Vol.4,No.1,pp.63-68,1983
4/1404 ])70.030.0)(0 2 6.032.0(9.0[ TSTT e dds ky ????
地表温度 空气温度 水蒸汽分压力
日照百分率
41
地层温度 ?表面温度的变化取决于太阳
辐射和对天空的长波辐射，
可看作是周期性的温度波动
?地层表面的月平均温度波动
幅度基本等于室外月平均气
温波动的幅度：北京全年最
大月平均温差 30.8 ℃,北京
地层表面温度全年的波幅为
15.4℃
?温度波在向地层深处传递时，
有衰减和延迟； 1.5m后日变
化被滤掉； 一定深度后便成
为恒温层，温度比全年气温
平均温度高 1～ 2℃ 。
42
地层温度 地名
土壤表面年平均
温度 t d （ ℃ ）
地面温度波幅
A d （ ℃ ）
室外 空气年平均
温度 （ ℃ ）
哈尔滨 4,6 2 2,7 3,6
北京 1 3,1 1 5,4 1 1,4
上海 1 7,0 1 1,9 1 5,7
广州 2 4,6 7,3 2 1,8
恒温层温度
43
地层温度
? 未考虑地热的影响, 可以采用付立叶导热微
分方程来求地层在周期温度作用下的温度场 。
假定地壳是一个半无限大的物体, 有,
? 边界条件为过余温度 ℃
? A是地层表面温度的波幅 (℃ ),Z是波动周期
(小时 )。
2
2
y
a
?
??
?
? ?
?
?
ZA
??? 2c o s),0( ?
44
地层温度
? 深度达到某一个部位,
最热月时此处的温度反而
低于该点的全年平均温度,
而在最冷月时, 该点的温
度要高于全年平均温度 。
? 如果考虑地热的影响,
深度每增加 1米, 地层平
均温度一般就会增加 1/30
℃ 左右 。 但与当地地质条
件有关 。
未考虑地热影响的
45
湿度
? 来源
? 水体蒸发
? 植物蒸发
? 影响因素
? 地面性质
? 水体分布
? 季节
? 阴晴
? 水蒸汽分压力
? 冬季较低，夏季较高
? 湿热地区,15~20 mbar
? 寒冷和沙漠地区,? 2 mbar
? 日变化较小，季节变化较大
? 内陆地区夏季：上午 9~10时和
晚上 9~10时最高，凌晨和午后
最低
? 沿海地区夏季和各地秋冬季：
日变化与气温日变化一致
46
湿度
?日变化
?绝对湿度一日中相对稳定
?相对湿度与气温变化反相
47
湿度
? 年 变化
? 内陆和沿海地区差别较大
48
降水
? 大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又回
到地面，包括雨、雪、冰雹等
? 降水强度,24小时的降水总量，单位 mm
(或 cm)
? 影响因素
? 气温
? 地形
? 大气环流
? 海陆分布
49
我国降水分布
我国降水基本集中在夏季，长江流域在夏初有“梅雨”
降雪集中在北纬 35° 以北
50
第四节 城市气候
? 小区风场
? 城市热岛
? 建筑布局与日照
51
此处易聚集垃圾
小区风场
? 形成机理
? 建筑物对来流风的阻
碍和聚集作用
? 小区内太阳辐射导致
各表面存在温差而形
成的自然对流
? 不当风场的危害
? 冬季造成热负荷增加
? 高风速影响人员行动
? 夏季自然通风不良
52
小
区
风
场
? 建筑的布局对小区风环境有
重要的影响。北京，在北风
来流 7.6 m/s时，局部 1.5 m
高处 出现 10 m/s 的 高风速
北
53
风场的 3-D图,1.5m高处
北
54
合理建筑布局对小区风场的改善
北风
冬季主导风向
夏季主导风向
南风
55
合理的
小区风场
? 建筑布局
风场模拟
北
北
56
城市热岛
? 热岛强度：热岛中心气温减去同时间同高度
（距地 1.5 m高处）附件远郊的气温的差值。
单位,℃
57
伦敦的城
市热岛
? 伦敦地区冬
季月均热岛
强度达到
6.7℃ （ 12 F）
58
北京的城市热岛
? 北京 80年代初城市热岛强度为夏季 1.5℃,冬季 5℃ 。
家用空调的普及和车辆的剧增必然导致近年夏季热岛
强度增加。
1983年 1月 26～ 27日 1982年 7月
59
城市热岛的成因
? 自然条件
? 市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对
天空角系数和风场
? 云量：市区内云量大于郊区
? 太阳辐射：市内大气透明度低
? 下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：地面材
料、植被、水体的设臵
? 人为影响：, 人为热,
? 交通、家用电器、炊事产热
? 空调采暖产热
60
城市热岛的成因
61
城市热岛的成因：下垫面的影响
不同下垫面的反射和吸收比
不同下垫面的地表面温度 下垫面对气温的影响
砖石地面 草地 裸露的土地
蒸发
漫反射
反射 反射
漫反射 蒸发 漫反射
反射
62
局部热岛效应
来流风向
某体育中心原设
计方案，建筑外表
面的大屏幕设臵导
致局部热岛强度达
4℃ 。
63
城市热岛与逆温层
? 由于自然对流的作用，在地面以上一定高度内形成
了一个温度随高度上升的稳定的, 逆温层,,使污染
物处于低温区域，妨碍了污染物向上部的扩散，加剧
了城市的污染程度。, 逆温层, 的影响范围与热岛强
度有关，在大城市可达 500m高，小城市约为 50m。
64
城市热岛与 CTTC模型
建筑群热时间常数 Cluster Thermal Time Constant
?以色列 H,Swaid and M,E,Hoffman提出,对建筑采
取了二维简化，将建筑群简化成为周期性起伏的, 城
市峡谷,
?改进 CTTC模型,Elnahas和 Williamson
? ? ? ? ? ?tTtTTtT lws o lba ?? ???
基准 (背景 )温度 太阳辐射造成的 空气温升 夜间对天空长波辐射
造成的空气温降
空气团
的温度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )()( m e tlwu r blwm e ts o lu r bs o lm e tau r ba tTtTtTtTtTtT ?????????
气象站 市区
65
北京某新建小区的热岛模拟
日平均热岛强度 /白天热岛强度
老区
2/1.6℃ 1.4/0.5℃
S2区
2/1.7℃
2.1/1.6℃
S3区
1.6/0.9℃
1.8/1.1℃
1.7/0.8℃
66
北京某新建小区的热岛模拟
?S2区临马路,S3区绿化好，老区建筑布局不通风
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00
Time(h)
T
(
??
)
?÷ ì? ò? S3 S2 ?ì ?÷
67
设臵水景对热岛强度的影响
68
建筑布局与日照
? 日照的作用
? 冬季采暖：充分利用太阳能
? 自然采光需要：适当的散射辐射
? 心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作用
? 影响因素
? 纬度：决定太阳高度角和日射强度
? 建筑布局：决定遮挡情况
? 目标
? 冬天尽量多：但太阳高度角低易被遮挡
? 夏天尽量少：但太阳高度角高不易被遮挡
69
建筑布局与日照
? 日影
? 终日日影：一天中都没有日照
? 永久日影：终年没有日照
? 建筑布局与日照
? 建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡
? 建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部
分遮挡
70
8:00
建筑的互遮挡 ? 冬至日的情况
8:00 9:00
16:00 14:00
13:00 12:00 11:00
10:00
终日日影区
15:00
北
71
永久日影
红线区内为永久日影
区，终年没有日照
72
日照的作用
? 日照过少导致人体产生的褪黑色素增加，
引起精神忧郁
? 紫外线
? 杀菌，促进合成维生素 D
?导致皮肤癌
? 可见光
?获得照明
? 红外线
? 带来辐射热能
73
有关日照的规范与标准
?日照间距 ? 为了得到充分的日照，南北方
向相邻的楼间距不得低于一定限值 ? 适用
于南北行列式排列的板式建筑
北京 39?57?
冬至日
74
城市居住区规划设计规范规定
建筑气候区划
Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, VII气候区 Ⅳ 气候区 Ⅴ, Ⅵ
气候区
大城市 中小城市 大城市 中小城市
日照标准日 大寒日 冬至日
日照时数 (h) ≥2 ≥3 ≥1
有效日照时间
带 (h) 8～ 16 9～ 15
日照时间计算
起点 底层窗台面
75
城市居住区规划设计规范规定
冬 至 日 大 寒 日
城市名称
纬度
( 北纬 )
正午
影长率
日照
1h
正午
影长率
日照
1h
日照
2h
日照
3h
现行采用标准
哈尔滨 45? 45ˊ 2.63 2.46 2.25 2.1 0 2.1 5 2.2 4 1.5 ～ 1.8
北 京 39? 57ˊ 1.99 1.8 6 1.75 1.6 3 1.6 7 1.7 4 1.6 ～ 1.7
上 海 31? 12ˊ 1.41 1.3 2 1.26 1.1 7 1.2 1 1.2 6 0.9 ～ 1.1
广 州 23? 08ˊ 1.06 0.9 9 0.95 0.8 9 0.9 2 0.9 7 0.5 ～ 0.7
主要城市不同日照标准的间距系数
76
第五节 我国气候分区特点
? 两个分区标准
?, 民用建筑设计规范, （ GB50176－ 93）
的五个建筑热工设计分区
? 建筑热工区划标准（ GB50176－ 93）的七
个建筑气候区划分区
77
建筑热工设计分区
严寒地区
寒冷地区
夏热冬冷区
夏热冬暖 区
温和地区
寒冷地区
严寒地区
寒冷地区
严寒地区
78
建筑气候区划
标准的分区法
I区
II区
III区
IV区
V区
VII区
VI区
79
柯本 (W.P,Koppen)的全球气候分区
湿热
寒冷高原
干冷
半干冷
寒冷
寒冷
冬冷夏热
冬干夏
湿热
80
习题
? 为什么我国北方住宅严格遵守座北朝南的原
则，而南方（尤其是华南地区）住宅并不严
格遵守此原则？
? 是空气温度改变导致地面温度改变，还是地
面温度改变导致空气温度改变？
? 晴朗的夏夜，气温 25℃,有效天空温度能达
到多少？ 如果没有大气层，有效天空温度应
该是多少？
81
习题
? 为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或
结霜？
?为保证日照时间满足规范要求，南方地区和
北方地区要求的最小住宅楼间距是否相同？
为什么？
? 采用高反射率的地面对住区微气候是改善了
还是恶化了？为什么？
? 水体和植被对热岛现象起什么作用？机理是
什么？
82
本章复习要点
? 太阳辐射光谱特点与能量分布
? 太阳辐射对地球气候是怎么起作用的
? 气温、有效天空温度、地温、湿度的变化特点
? 气温变化的原因
? 长波辐射的概念与作用
? 来流风的速度分布
? 影响城市微气候的要素
? 影响小区微气候的要素
? 我国的气候分区特点
第二章
建筑外环境
2006年 3月
2
为什么要考虑建筑外环境?
? 建筑物所在地的气候条件, 会通
过围护结构, 直接影响室内的环境,
为得到良好的室内气候条件以满足
人们生活和生产的需要, 必须了解
当地各主要气候要素的变化规律及
其特征 。
? 一个地区的气候是在许多因素综
合作用下形成的。对建筑密切有关
的气候要素有：太阳辐射、气温、
湿度、风、降水等等。
3
本章内容要点
?宏观气候 ? 太阳辐射作用与地球气候特点
? 地球绕日运动规律
? 太阳辐射
? 室外气候
?大气压力、风、气温、天空温度、地温、湿度、降水
? 微观气候 ? 人类营造活动形成的局部微气候
? 城市风场、城市热岛、建筑日照
? 我国气候分区特点
4
第一节 地球绕日运动的规律
? 经度和纬度
伦敦格林威治天文台
经线或子午线 纬线
东经 西经
北纬
南纬
180? 90?
0?
0?
5
90?W
北京时间
伦敦时间
90?E
?某地的真太阳时 T
?当地的钟表时间 T0就是
忽略了时差 e 的当地平均太阳时。
问题：西安的真太阳时和北京时间差多少?
第一节 地球绕日运动的规律
时区当地
标准时
经度
6015
eLLTT m
m ?
???
太阳与地球距离
变化造成的偏差
6
0?
0?
+23?27?
-23?27?
第一节 地球绕日运动的规律
? 太阳的位臵与日
照的关系
? 赤纬,太阳光线
与地球赤道平面
之间的夹角
赤纬 d
北回归线
南回归线
7
南北回归线 北极圈 66?33?
北回归线
23?27?
8
赤纬和太阳高度角有什么区别？
时角和太阳方位角有什么区别？
太阳高度角
太阳方位角
sin? = cos? cos h cos? + sin? sin?
sin A = cos? sin h /cos ?
?
?
9
第
二
节
太
阳
辐
射
可见光 紫外线 近红外线 长波 红外线
10
太阳总辐射能量比例
? 太阳常数 1353W/m2：大气层外的辐射强度
? 进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，
辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。
?? 1? ?a
4 5, 6 %
?ì êa ì?
7, 0 %
oü ·ì êa ì?
4 5, 2 %
±¤ °¨ ·ì êa ì?
2, 2 %
11
大气层对太阳辐射的吸收
? 超短波
? X射线和其它一些超短波射线在通过电离层时，被 O2,N2
及其它大气成分强烈吸收
? 短波
? 受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射，
使得天空呈现蓝色
? 紫外线被大气中的臭氧所吸收
? 长波
?被 CO2和水蒸气等温室气体所吸收
? 剩下的
? 可见光＋近红外线
12
落到地球上的太阳辐射能量
? 由三部分组成
? 直射辐射：为可见光和近红外线
? 散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，为
可见光和近红外线
? 大气长波辐射：大气（水蒸汽和 CO2）吸收后
再向地面辐射，为长波辐射。在日间比例很小，
可以忽略。
? 所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分
13
太
阳
辐
射
能
的
去
向
14
50％到达地面
15
太阳辐射能与太阳高度角
I0
16
大气层质量 m
地球表面处法向太阳
直射辐射照度,
IN = I0P m
m = L’/L = 1/sin?
大 大
?＝ 30?
为什么太阳
高度角接近 0o
和 90o时垂直面
的日射量都小？
大气层质量＝ 1
大气层质量＝ 2
17
太阳日总辐射照度与朝向
?地点：北纬 40°
18
关于太阳高度角
? 太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相
关，从而影响日射强度。太阳高度角低则日
射强度小
? 冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高
? 清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度
角高
? 高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太
阳高度角高
19
太阳高
度角冬
夏不同
20
大气透明度
? 定义,I1/I0 = P = exp (-kL),P＝ 1 最透明
? 变化范围,0.65~0.75，在一个月份的晴天中可近
似认为是常数
? 我国将大气透明度作了 6个等级的分区,1级最透明
东京晴天的大
气透明度逐月值
大气层消光系数
21
我国的大气透明度分区
6
5
4
4
3
3
2
22
第三节 室外气候
? 自然的微气候
? 大气压力
? 风
? 空气温度
? 有效天空温度
? 地层温度
? 空气 湿 度
? 降 水
23
大气压力
? 大气压力随海拔高
度而变
? 在同一位臵，冬季
大气压力比夏季大
气压力高，变化范
围 5％以内
? 海平面大气压力称
作标准大气压，为
101325 Pa 或 760
mmHg
24
大气压力变化
平均气压随纬度分布 气压日变化（ 2‰ ）
25
风
? 风的成因
? 大气环流：造成全球各地差异
? 赤道和两极温差造成
? 地方风：造成局部差异，以一昼夜为周期
? 地方性地貌条件不同造成，如海陆风、山谷风、
庭院风、巷道风等
? 季风：造成季节差异，以年为周期
?海陆间季节温差造成，冬季大陆吹向海洋，夏
季海洋吹向大陆
26
大气环流
? 赤道得到太阳辐射大于长波辐射散热，极地
正相反。地表温度不同是大气环流的动因，
风的流动促进了地球各地能量的平衡。
盈余区域
短缺区域
净增益
净损失 辐射增益区
随纬度基本
不变
占地面积 40％
过渡区
占地面
积 36％
损失区
占地面积 36％
27
?
风的测量
? 测量开阔地面 10m 高处的风向和风速作为当地的观测
数据 Vmet
? 风速有梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分
布，如高度 h处,
aa
m e t
m e t
m e th
h
hVV
m e t )()(
?
??
边界层厚度
气象站 0.14
市中心 0.33
28
蒲福风力等级表
?? D? ·￡ à? ?2 ??
?è μ?
?- 3? 10 à?
μ? 2￥ 3á ì-
3a? ? è?
??
?￥
3?
1′ ?? ?? ( m ) ?é μ? ( m )
?o 3? 3? à? òe ì?
à? / àè
0 ￡- ￡- ?° ￡? ?é óa ?ì 0 ~ 0,2
1 0,1 0,1 ?é á? aí ?? ?o ì? ￡? 3? ?o ì? aê °? á? ?a ′ˉ 0,3~ 1,5
2 0,2 0,3 ?è à? μí ?? Dí ?? ￡? ?e? ′ ?￠ ìì ￡? ?o ì? aê á? ?a ′ˉ 1,6~ 3,3
3 0,6 1,0 ?e? ′ 1?? ￠ ó￥ ?? ′ˉ °? ì￠ ￡? ì· ?ì ò? ?a 3,4~ 5,4
4 1,0 1,5 á? 23 ?? 3? à? ?? ±? ·ê óo ò? ￡? ?e 3á í? ó￥ ?? ′ˉ 5,5~ 7,9
5 2,0 2,5 Dí ?′ 3á í? ?e? ? ?? ￡? á? ?o 3á è? à? Dí í? °¨ 8,0~ 1 0,7
6 3,0 4,0 2? ?eó ￥ ?? ′ˉ ￡? ?? ?? ?§ á? 1 0,8~ 1 3,8
7 4,0 5,5 ?? ?e? ? ′ˉ ￡? D- ?? °o í μí ?? °? a? 1 3,9~ 1 7,1
8 5,5 7,5 ?eó ￥ ò× ?? ￡? ?è ì? ??í í ￡? μí ?? ?è ?￥ ?? 2? 1 7,2~ 2 0,7
9 7,0 1 0,0 o¨ó t ?ê Dí í? è? ￡? ?é 2? ′¤ °? 1?? o ?ù ?? ′ˉ 2 0,8~ 2 4,4
10 9,0 1 2,5 ?? ?? ?e á? ?? ?? ?? ?? o¨ ót ?ê è? ?3 oì ó? ?￡ ?o ?ì ?? 1? ?￡ 2 4,5~ 2 8,4
11 1 1,5 1 6,0 ?o ?ì ·? ?? 1? ￡? Dí ?? a? Dí ?? ?· ? ?3 2 8,5~ 3 2,6
12 1 4,0 ￡- ?o ?ì ?÷ ?? 1? ￡? 2ù ?? ?￥ 1? 2? 3 2,7~ 3 6,9
29
风玫瑰图
某地的风向频率分布
实线为全年，虚线为 7月份
某地一年的风速频率分布
30
北京地区的风玫瑰图
? 粗线：全年
? 细实线：冬季，
12~2月份
? 虚线：夏季，
6~8月份
31
海陆风和山谷风
32
空气温度
? 主要指距地面 1.5m高，背阴处的空气温度。
? 空气 与地表面以导热、对流和长波辐射形式
进行热交换而被加热或冷却 ?? 以对流为主 。
对短波辐射几乎是透明体。
? 空气温度是如何产生变化的？
? 白天地表温度升高 与空气温度升高，谁是诱因？
? 夜间地表温度 降低与空气温度降低，谁是诱因？
? 白天和夜间的空气垂直分布应该是怎么样的？
33
空气温度
?日较差：一日内气温的最高值
和最低值之差。
? 年较差：一年内最冷月和最热
月的月平均气温差。
? 年平均温度：向高纬度地区每
移动 200~300 km 降低 1℃ 。
年较差与纬度的关系
太阳辐射和日气温变化
34
18
20
22
24
26
28
30
32
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
时间 ( 小时 )
温度
(
℃
)
空气温度的日变化
?? 武汉九月初一天的气象数据
一天中 最高气温一般出现在下午 2~3时，最低气
温一般出现在凌晨 4~5时
35
空气温度的年变化
?? 武汉某年的气象数据
一年中最热月一般在 7,8月份，最冷月一般在 1、
2月份。
- 1 0
0
10
20
30
40
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
时间 ( 小时 )
温度
(
℃
)
36
原因
? 地面有冷源
1,夜间长波辐射
2,附近有较低温
的海风吹来
逆温层 正常的温度梯度：地表热，高空冷
37
空气温度的局部效应
? 受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等影响，离
建筑物越远，温度越低
38
空气温度的局部效应
? 霜洞效应：洼地冷空气聚集造成气温低于地
面上的空气温度
39
有效天空温度
?大气层吸收 10％以上的太阳辐射和来自地面
的反射辐射，并向地面进行长波辐射（ 5～
8?m及 13?m以上）
?地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换
热 QR
? QR＝ Qg－ Qsky ＝ σ (? Tg4 － Tsky4 )
地表的黑度
波尔兹曼常数 地表温度
有效天空 温度
40
有效天空温度
?参考文献：刘森元, 黄远峰：天空有效温度的探讨,, 太阳能
学报,, Vol.4,No.1,pp.63-68,1983
4/1404 ])70.030.0)(0 2 6.032.0(9.0[ TSTT e dds ky ????
地表温度 空气温度 水蒸汽分压力
日照百分率
41
地层温度 ?表面温度的变化取决于太阳
辐射和对天空的长波辐射，
可看作是周期性的温度波动
?地层表面的月平均温度波动
幅度基本等于室外月平均气
温波动的幅度：北京全年最
大月平均温差 30.8 ℃,北京
地层表面温度全年的波幅为
15.4℃
?温度波在向地层深处传递时，
有衰减和延迟； 1.5m后日变
化被滤掉； 一定深度后便成
为恒温层，温度比全年气温
平均温度高 1～ 2℃ 。
42
地层温度 地名
土壤表面年平均
温度 t d （ ℃ ）
地面温度波幅
A d （ ℃ ）
室外 空气年平均
温度 （ ℃ ）
哈尔滨 4,6 2 2,7 3,6
北京 1 3,1 1 5,4 1 1,4
上海 1 7,0 1 1,9 1 5,7
广州 2 4,6 7,3 2 1,8
恒温层温度
43
地层温度
? 未考虑地热的影响, 可以采用付立叶导热微
分方程来求地层在周期温度作用下的温度场 。
假定地壳是一个半无限大的物体, 有,
? 边界条件为过余温度 ℃
? A是地层表面温度的波幅 (℃ ),Z是波动周期
(小时 )。
2
2
y
a
?
??
?
? ?
?
?
ZA
??? 2c o s),0( ?
44
地层温度
? 深度达到某一个部位,
最热月时此处的温度反而
低于该点的全年平均温度,
而在最冷月时, 该点的温
度要高于全年平均温度 。
? 如果考虑地热的影响,
深度每增加 1米, 地层平
均温度一般就会增加 1/30
℃ 左右 。 但与当地地质条
件有关 。
未考虑地热影响的
45
湿度
? 来源
? 水体蒸发
? 植物蒸发
? 影响因素
? 地面性质
? 水体分布
? 季节
? 阴晴
? 水蒸汽分压力
? 冬季较低，夏季较高
? 湿热地区,15~20 mbar
? 寒冷和沙漠地区,? 2 mbar
? 日变化较小，季节变化较大
? 内陆地区夏季：上午 9~10时和
晚上 9~10时最高，凌晨和午后
最低
? 沿海地区夏季和各地秋冬季：
日变化与气温日变化一致
46
湿度
?日变化
?绝对湿度一日中相对稳定
?相对湿度与气温变化反相
47
湿度
? 年 变化
? 内陆和沿海地区差别较大
48
降水
? 大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又回
到地面，包括雨、雪、冰雹等
? 降水强度,24小时的降水总量，单位 mm
(或 cm)
? 影响因素
? 气温
? 地形
? 大气环流
? 海陆分布
49
我国降水分布
我国降水基本集中在夏季，长江流域在夏初有“梅雨”
降雪集中在北纬 35° 以北
50
第四节 城市气候
? 小区风场
? 城市热岛
? 建筑布局与日照
51
此处易聚集垃圾
小区风场
? 形成机理
? 建筑物对来流风的阻
碍和聚集作用
? 小区内太阳辐射导致
各表面存在温差而形
成的自然对流
? 不当风场的危害
? 冬季造成热负荷增加
? 高风速影响人员行动
? 夏季自然通风不良
52
小
区
风
场
? 建筑的布局对小区风环境有
重要的影响。北京，在北风
来流 7.6 m/s时，局部 1.5 m
高处 出现 10 m/s 的 高风速
北
53
风场的 3-D图,1.5m高处
北
54
合理建筑布局对小区风场的改善
北风
冬季主导风向
夏季主导风向
南风
55
合理的
小区风场
? 建筑布局
风场模拟
北
北
56
城市热岛
? 热岛强度：热岛中心气温减去同时间同高度
（距地 1.5 m高处）附件远郊的气温的差值。
单位,℃
57
伦敦的城
市热岛
? 伦敦地区冬
季月均热岛
强度达到
6.7℃ （ 12 F）
58
北京的城市热岛
? 北京 80年代初城市热岛强度为夏季 1.5℃,冬季 5℃ 。
家用空调的普及和车辆的剧增必然导致近年夏季热岛
强度增加。
1983年 1月 26～ 27日 1982年 7月
59
城市热岛的成因
? 自然条件
? 市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对
天空角系数和风场
? 云量：市区内云量大于郊区
? 太阳辐射：市内大气透明度低
? 下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：地面材
料、植被、水体的设臵
? 人为影响：, 人为热,
? 交通、家用电器、炊事产热
? 空调采暖产热
60
城市热岛的成因
61
城市热岛的成因：下垫面的影响
不同下垫面的反射和吸收比
不同下垫面的地表面温度 下垫面对气温的影响
砖石地面 草地 裸露的土地
蒸发
漫反射
反射 反射
漫反射 蒸发 漫反射
反射
62
局部热岛效应
来流风向
某体育中心原设
计方案，建筑外表
面的大屏幕设臵导
致局部热岛强度达
4℃ 。
63
城市热岛与逆温层
? 由于自然对流的作用，在地面以上一定高度内形成
了一个温度随高度上升的稳定的, 逆温层,,使污染
物处于低温区域，妨碍了污染物向上部的扩散，加剧
了城市的污染程度。, 逆温层, 的影响范围与热岛强
度有关，在大城市可达 500m高，小城市约为 50m。
64
城市热岛与 CTTC模型
建筑群热时间常数 Cluster Thermal Time Constant
?以色列 H,Swaid and M,E,Hoffman提出,对建筑采
取了二维简化，将建筑群简化成为周期性起伏的, 城
市峡谷,
?改进 CTTC模型,Elnahas和 Williamson
? ? ? ? ? ?tTtTTtT lws o lba ?? ???
基准 (背景 )温度 太阳辐射造成的 空气温升 夜间对天空长波辐射
造成的空气温降
空气团
的温度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )()( m e tlwu r blwm e ts o lu r bs o lm e tau r ba tTtTtTtTtTtT ?????????
气象站 市区
65
北京某新建小区的热岛模拟
日平均热岛强度 /白天热岛强度
老区
2/1.6℃ 1.4/0.5℃
S2区
2/1.7℃
2.1/1.6℃
S3区
1.6/0.9℃
1.8/1.1℃
1.7/0.8℃
66
北京某新建小区的热岛模拟
?S2区临马路,S3区绿化好，老区建筑布局不通风
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00
Time(h)
T
(
??
)
?÷ ì? ò? S3 S2 ?ì ?÷
67
设臵水景对热岛强度的影响
68
建筑布局与日照
? 日照的作用
? 冬季采暖：充分利用太阳能
? 自然采光需要：适当的散射辐射
? 心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作用
? 影响因素
? 纬度：决定太阳高度角和日射强度
? 建筑布局：决定遮挡情况
? 目标
? 冬天尽量多：但太阳高度角低易被遮挡
? 夏天尽量少：但太阳高度角高不易被遮挡
69
建筑布局与日照
? 日影
? 终日日影：一天中都没有日照
? 永久日影：终年没有日照
? 建筑布局与日照
? 建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡
? 建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部
分遮挡
70
8:00
建筑的互遮挡 ? 冬至日的情况
8:00 9:00
16:00 14:00
13:00 12:00 11:00
10:00
终日日影区
15:00
北
71
永久日影
红线区内为永久日影
区，终年没有日照
72
日照的作用
? 日照过少导致人体产生的褪黑色素增加，
引起精神忧郁
? 紫外线
? 杀菌，促进合成维生素 D
?导致皮肤癌
? 可见光
?获得照明
? 红外线
? 带来辐射热能
73
有关日照的规范与标准
?日照间距 ? 为了得到充分的日照，南北方
向相邻的楼间距不得低于一定限值 ? 适用
于南北行列式排列的板式建筑
北京 39?57?
冬至日
74
城市居住区规划设计规范规定
建筑气候区划
Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, VII气候区 Ⅳ 气候区 Ⅴ, Ⅵ
气候区
大城市 中小城市 大城市 中小城市
日照标准日 大寒日 冬至日
日照时数 (h) ≥2 ≥3 ≥1
有效日照时间
带 (h) 8～ 16 9～ 15
日照时间计算
起点 底层窗台面
75
城市居住区规划设计规范规定
冬 至 日 大 寒 日
城市名称
纬度
( 北纬 )
正午
影长率
日照
1h
正午
影长率
日照
1h
日照
2h
日照
3h
现行采用标准
哈尔滨 45? 45ˊ 2.63 2.46 2.25 2.1 0 2.1 5 2.2 4 1.5 ～ 1.8
北 京 39? 57ˊ 1.99 1.8 6 1.75 1.6 3 1.6 7 1.7 4 1.6 ～ 1.7
上 海 31? 12ˊ 1.41 1.3 2 1.26 1.1 7 1.2 1 1.2 6 0.9 ～ 1.1
广 州 23? 08ˊ 1.06 0.9 9 0.95 0.8 9 0.9 2 0.9 7 0.5 ～ 0.7
主要城市不同日照标准的间距系数
76
第五节 我国气候分区特点
? 两个分区标准
?, 民用建筑设计规范, （ GB50176－ 93）
的五个建筑热工设计分区
? 建筑热工区划标准（ GB50176－ 93）的七
个建筑气候区划分区
77
建筑热工设计分区
严寒地区
寒冷地区
夏热冬冷区
夏热冬暖 区
温和地区
寒冷地区
严寒地区
寒冷地区
严寒地区
78
建筑气候区划
标准的分区法
I区
II区
III区
IV区
V区
VII区
VI区
79
柯本 (W.P,Koppen)的全球气候分区
湿热
寒冷高原
干冷
半干冷
寒冷
寒冷
冬冷夏热
冬干夏
湿热
80
习题
? 为什么我国北方住宅严格遵守座北朝南的原
则，而南方（尤其是华南地区）住宅并不严
格遵守此原则？
? 是空气温度改变导致地面温度改变，还是地
面温度改变导致空气温度改变？
? 晴朗的夏夜，气温 25℃,有效天空温度能达
到多少？ 如果没有大气层，有效天空温度应
该是多少？
81
习题
? 为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或
结霜？
?为保证日照时间满足规范要求，南方地区和
北方地区要求的最小住宅楼间距是否相同？
为什么？
? 采用高反射率的地面对住区微气候是改善了
还是恶化了？为什么？
? 水体和植被对热岛现象起什么作用？机理是
什么？
82
本章复习要点
? 太阳辐射光谱特点与能量分布
? 太阳辐射对地球气候是怎么起作用的
? 气温、有效天空温度、地温、湿度的变化特点
? 气温变化的原因
? 长波辐射的概念与作用
? 来流风的速度分布
? 影响城市微气候的要素
? 影响小区微气候的要素
? 我国的气候分区特点
