城市下垫面

在热量、动量和水汽交换过程中与大气相互作用的地球表面

下垫面是气候形成的重要因素，是指在热量、动量和水汽交换过程中与大气相互作用的地球表面（土壤、草地、水体等），下垫面性质对大气温度、湿度、风等有很大影响。城市气候的形成与原有下垫面性质改变和人类活动强度密切相关，城市下垫面是导致城市气候形成的直接原因。

城市下垫面的景观格局

从景观生态学的角度看，各种类型的城市下垫面（包括人工建筑、水面、绿地等）的空间形态和结构布局构成了城市的景观格局，其特征一般可从景观组分和景观格局两个层次分析。景观组分层次的研究强调某种下垫面类型对大气环境影响的物理效应而景观格局层次的研究更注重景观组分的空间组合效应，包括若干下垫面斑块的组合效应及整个城市景观的布局效应。另外，城市化的推进加剧了土地利用方式和密集的社会经济活动，导致城市能源消耗和人为释放热量的增大，对气候产生了重大的影响。

城市下垫面性质变化及其影响

下垫面是气候形成的重要因素，人类活动对气候的影响首先通过改变下垫面性质来实现。由于城市的人口和社会经济活动的聚集效应，使城市建设不断向郊区、空中和地下扩展，使原来的林地、草地、农田、牧场、水塘等郊区生态环境改变为水泥、沥青、砖石、玻璃、金属等材料建造起来的人为地貌体。这些物质坚硬、密实、干燥、不透水，其形态、刚性、弹性、辐射、比热容等物理、化学和几何性状都与原有植被覆盖的疏松土壤或空旷荒地、水域等自然地表不同，人工铺砌的道路纵横交错，建筑物鳞次栉比参差不齐，从根本上改变了城市下垫面的热力学、动力学及水循环特征，从而影响到城市中的各个气候因子。

下垫面对水分循环的影响

下垫面水分循环主要是指蒸发、蒸腾、凝结、透水、贮水和径流的性能。

城市除少量绿地外，大部分面积为道路、广场和建筑物所占据，不透水地面的面积远比郊区大。城市中雨水很快从排水管道流失，使得同样降雨条件下的地表径流与河川径流增加，降雨到洪峰形成的时间缩短，流量增加，并由此造成城市河道的防洪压力加大，径流对河道的冲刷侵蚀作用增强。不透水表面还严重阻隔了地表水循环过程，削弱降雨下渗对地下水的补给，导致城市化连片地区的地下水位下降和地面下沉。另一方面，由于不透水表面取代了原来的土地覆盖类型，蒸发和蒸腾散热减少，导致城市感热通量在能量平衡中占较大比重。

现代城市都有良好的排水系统，不论是雨水或废污水都可经过排水系统迅速排放以避免城市积水。由于水分停留时间缩短，城市环境的湿度调节机能和蒸发散热效果均大幅降低，这是造成城市高温干燥的主要原因。

下垫面的热力学影响

下垫面的热力学特性指比热容、热容量、导热率、吸热、反射、透射和蓄热能力等。城市建筑物与街道由石材、砖头、沥青、混凝土等热容量大的建材构成，形成巨大的蓄热体。白天城市下垫面的物质使城市对太阳辐射的反射比郊区小，导热率和热容量比郊区大，蓄热能力比郊区强。夜间城市密集的建筑群对红外辐射相互吸收彼此反射，也具有较强的蓄热能力。建筑物的几何形状对城市冠层能量存贮与动量传输影响显著，平地的太阳帽射可直接由地面反射回空中，但有建筑物时部分太阳辐射经建筑物表面反射到地面，不仅建筑物表面吸收了短波辐射能量，地面也吸收了一部分建筑物表面的反射并再次反射。地表、建筑物、天空三者之间的多次吸收与反射形成了城市建筑的辐射截获效应。这些均导致城市下垫面的储热量显著高于郊区。

下垫面的动力学影响

影响气流的下垂面动力学特性主要指摩擦、阻滞、抬升等作用。城市中建筑物参差错落，形成许多高宽比不同的街谷。建筑物分布密度与城市湍流摩擦速度的关系密切，无建筑物时摩擦速度较小，湍流动量较小；随古建筑物密度的增加摩擦速度增大、湍流动量增大但当建筑密度超过一定程度时摩擦速度又开始减小，湍流动量减小。总体上在城市街谷中风速较小不易散热，这些都导致了城市的气温高于郊区。总之，城市建筑与设施从根本上改变了下垫面的动力学特征，使城市下垫面粗糙度比郊区大，风速减小且风向不稳定。

城市人为释放热及其影响

人为释放热是指人类生产、生活以及生物新陈代谢所产生的热量。城市由于人口、生产和交通集中，在消耗大量能源的同时排放出不少废热，加上空调、取暖等生活耗能散热使城市增加了许多额外热量收入。尤其在冬季和高纬度、高海拔城市，有时甚至可以超过太阳辐射带来的热量。在人员密集的室内空间，人体新陈代谢散热也相当可观。

城市中的人为热源很多，主要有工业机器、机动车辆、建筑照明、供暖与空调设备、炉灶与锅炉等，经济活动集中和消费水平较高使得各种能源的消耗量大增。根据能量守恒原理，这些能源的使用最终都会产生热量。人为释放热昼夜不停，环境条件不良时差至在夜间也无法消散。夏季高温迫使城市更加依赖空调降温使废热散发增加，形成一种废热性公害。

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