International Journal of Biometeorology

, Volume 17, Issue 1, pp 1–11 | Cite as

Effects of urbanization on turbulent diffusion and mixing depth

  • F. L. Ludwig
  • W. F. Dabberdt


Analysis of wind direction fluctuation-data indicates that turbulent diffusion in urban areas is significantly larger than in the country; urban diffusion occurs at a rate characteristic of less stable rural conditions. Differences between urban and rural dispersion are approximately equivalent to changes of one Pasquill stability class. Nighttime urban mixing depths are greater than the corresponding rural values because of the heat island effect. Empirical relationships and Summers' simple model of the heat island are used to derive an expression for the urban mixing depth in terms of city population and rural lapse rate. The expression was found to be in reasonably good agreement with lidar observations of mixing depth in St. Louis.


Eine Analyse der Messungen der Fluktuationen der Windrichtung zeigt, dass die turbulente Diffusion in Stadtgebieten signifikant grösser ist als auf dem Lande. Die Diffusion über Städten tritt in einer Häufigkeit auf, wie sie für weniger konstante ländliche Bedingungen charakteristisch ist. Unterschiede in der Dispersion zwischen Stadt und Land sind den Veränderungen von schätzungsweise einer Pasquill-Stabilitätsklasse äquivalent. Nächtliche Mischungsschichten in der Stadt sind wegen des Wärmeinsel-Effekts grösser als die entsprechenden Werte im Land. Empirische Beziehungen und Summer's einfaches Modell der Wärmeinsel werden hier benutzt, um eine Formel für den Mischungweg über der Stadt in Hinsicht auf die Stadtbevölkerung und der Gradienten über dem Land abzuleiten. Die Anwendung der Formel ergab Werte, die mit lidar Beobachtungen des Mischungsweges in St. Louis gut übereinstimmten.


L'analyse des mesures des fluctuations de la direction du vent montre que la diffusion turbulente est plus importante dans une zone urbaine qu'à la campagne et cela de façon significative. La diffusion au-dessus des villes se manifeste en fréquences comparables à celles qui caractérisent les conditions les moins stables de la campagne. Les différences de dispersion entre la ville et la campagne sont équivalentes aux modifications d'approximativement une classe de stabilité selon Pasquill. L'épaisseur des couches de mélange nocturne est en ville plus importante qu'à la campagne en raison des effets d'ilôts chauds. On utilise ici des descriptions empiriques et le modèle simple de Summer pour désigner les ilôts de chaleur. Ceci permet d'en déduire une expression pour la couche de mélange située sur la ville, en rapport avec sa population et les gradients de la campagne. Ce mode de procéder est en relation satisfaisante avec des observations lidar de la couche de mélange au-dessus de St. Louis.


Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.


  1. GIFFORD, F.A., Jr. (1961): Use of routine meteorological observations for estimating atmospheric dispersion, Nucl. Saf., 2: 48.Google Scholar
  2. HOLZWORTH, G.C. (1967): Mixing depths, wind speeds, and air pollution potential for selected locations in the United States, J.appl.Meteor., 6: 1039–1044.Google Scholar
  3. JOHNSON, W.B., DABBERDT, W.F., LUDWIG, F.L. and ALLEN, R.J. (1971): Field Study for Initial Evaluation of an Urban Diffusion Model for Carbon Monoxide, Comprehensive Report for Coordinating Research Council and Environmental Protection Agency, Contract CAPA-3-68(1-69), Stanford Research Institute, Menlo Park, California, 240 pp., National Technical Information Service No. PB 203469.Google Scholar
  4. LUDWIG, F.L. (1970a): Urban Temperature Fields. In: Urban Climates. World Meteor. Org. Tech. Note No. 108: 80–107.Google Scholar
  5. LUDWIG, F.L. (1970b): Urban Air Temperatures and Their Relation to Extraurban Meteorological Measurements. Amer. Soc. Heat. Refr., Air cond. Eng. Pub. No. SF-70-9 (Survival Shelter Problems), 40–45.Google Scholar
  6. LUDWIG, F.L. (1970c): Determination of mixing depths for use with synoptic model. Proceeding of Symposium on Multiple-source Urban Diffusion Models, Air Poll. Control Office Pub. No. AP-86, pp. 5-33 – 5-35.Google Scholar
  7. LUDWIG, F.L. and DABBERDT, W.F. (1972): Evaluation of the APRAC-1A Urban Diffusion Model for Carbon Monoxide. Final Report for Coordinating Research Council and Environmental Protection Agency, Contract CAPA-3-68(1-69) Stanford Research Institute, Menlo Park, California, 147 pp.Google Scholar
  8. McELROY, J.L. (1969): A comparative study of urban and rural dispersion. J.appl. Meteor., 8: 19–31.Google Scholar
  9. OKE, T.R. (1972): City size and the urban heat island. In: Preprints of Conference on Urban Environment and Second Conference on Biometeorology. Amer. Meteorol.Soc., Boston, Mass., 144–146.Google Scholar
  10. PASQUILL, F. (1961): The estimation of the dispersion of windborne material, Meteor. Mag. (Lond.), 90: 33–49.Google Scholar
  11. STANFORD UNIVERSITY AEROSOL LABORATORY AND THE RALPH M. PARSONS CO. (1953): Behavior of Aerosol Clouds within Cities, Joint quarterly Report No. 3, January–March 1952, Contracts DA-18-064-CML-1856 and DA-18-064-CML-2282, DDC No. AD31711, January.Google Scholar
  12. SUMMERS, P.W. (1966): The seasonal weekly and daily cycles of atmospheric smoke content in Central Montreal. J.Air Poll. Contr. Ass., 16: 432–438.Google Scholar
  13. TURNER, D.B. (1964): A diffusion model for an urban area. J.appl. Meteor., 3: 83–91.Google Scholar
  14. UTHE, E.E. (1972): Lidar observations of the urban aerosol structure. Bull. Amer. Meteor. Soc., 53: 358–360.Google Scholar

Copyright information

© Swets & Zeitlinger B.V. 1973

Authors and Affiliations

  • F. L. Ludwig
  • W. F. Dabberdt
    • 1
  1. 1.Stanford Research InstituteMenlo ParkUSA

Personalised recommendations