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第3章 城市热量平衡与水分平衡 城市热量平衡与水分平衡在城市气候中具有重要作用。也是城市热岛、热岛环流、城市大气边界层数值模式、城市气候学、城市污染气象学和城市湍流扩散及城市环境生态学研究的基础。 3.1城市热量平衡 城市具有特殊性质的下垫面和十分复杂的城市地面－建筑物－大气系统，及其动力和热力的不均匀性，导致了城市区域热量平衡和水分平衡与一般及郊区下垫面的显著差别。 3.1.1城市的热量平衡方程[1-3] 城市地面—建筑物—大气系统的热量平衡方程为 (3.1) 式中(us为城市下垫面所接受的太阳短波反射率，城市区一般取0.12—0.15，郊区一般取0.15—0.20；为太阳总辐射；为城市大气长波辐射通量密度；为城市下垫面长波辐射通量密度；H为城市下垫面与大气之间的感热交换通量；LE为下垫面与大气之间的潜热通量；(HP为人为释放的热量（广义的如城市规模、人口数量、机动车、空调等释放的热量）；(HS为下垫面（包括建筑物和不同性质的地面）贮存的热量变化；(HF为城市热平流量的变化。 城市化后，地面—建筑物—大气系统热量平衡各分量具有明显的变化，并且，辐射和热量平衡各项，在城市与郊区间有明显的差异，这些都是产生城市边界层气候与郊区边界层气候不同的原因。下面就城市热量平衡方程中各项的计算分别进行讨论。 3.1.2城市热量平衡方程各项的计算方法 1. 城市下垫面地—气之间感热（H）、潜热（LE）和动量通量（(）的计算 城市地面—建筑物—大气系统的热量平衡、人为热及热贮存特征，制约着城市区域地—气系统中感热、潜热和动量的垂直输送和城市边界层的发展。大气边界层中的风速和温度的垂直梯度一般比郊区大，容易发展热力湍流。下垫面的粗糙度亦比郊区大，利于动力湍流的发展。因此，在一般情况下，地—气间的湍流感热交换和动量交换城市应比郊区大。目前这方面的实测数据尚不多见。一般城市中的风速比郊区小，市中心的湍流在一定条件下，亦不一定都比郊区强。城市中地—气间的感热通量（H）有时与郊区相差不大，有时甚至比郊区还小。如果用波文比(=H/LE来进行研究时，城市的波文比会比郊区大，这主要是城市下垫面的潜热力通量项很小所致。但在城市中心公园中或灌溉的草地上，潜热通量则很大，在有热平流时亦可超过净辐射通量Rn，产生“冷岛绿洲效应”。这些极端情况可在城市区域内同时出现，所以，感热和潜热通量随城市内的局地环境条件而异。下面介绍具体计算方法。 城市下垫面热量平衡的观测和计算问题： 从乡村到城市潜热通量日变化 从乡村到城市感热 （1） 涡度相关法[4,5] 由于城市下垫面—建筑物—大气系统的动力、热力作用，使大气边界层中的湍涡输送有别于其它下垫面。涡动相关法可直接测量城市下垫面的动力、热力所引起的温、湿和风速的脉动量T(、q(、u(、v(和w(，并由下式简便地计算出动量、感热和潜热通量： (3.2) (3.3) (3.4) 式中(为空气密度；CP为空气的定压比热（1004J.kg-1.K-1)；Lv为水汽化潜热（2.5(106J.kg-1)。 使用该方法的主要仪器是超生风速仪。由于城市建筑群的存在，其下垫面具有较高的粗糙度和摩擦阻力，使其近地面层的动力影响显著加强。因此，在作城市大气边界层和湍流结构的研究时，考虑其代表性和可比性，仪器传感器的安装高度最好在城市覆盖层以上的边界层中。但若研究的是城市不同下垫的湍流输送时，则需在城市覆盖层中进行测量。 （2）波文比—能量平衡法[6,7,8] 若不考虑城市边界层的热平流通量时，城市下垫面与城市大气边界层之间的热量平衡方程可写成 （3.5） 式中可根据城市所处纬度(、太阳常数S0、太阳赤纬(、太阳时角t0计算，即 （3.6） 式中(为大气短波透射系数。（3.5）式中可由前面章节叙述的方法计算得到；(HP可根据人口密度及人均能源的消耗经验得到；下垫面热贮存(HS可根据下垫面性质计算；感热通量H、潜热通量LE和下垫面热贮存(HS、的计算方法如下 (3.7) (3.8) (3.9) 式中(为水汽分子与干空气分子的比重（0.622）；K为热量和