城市近地面高分辨率快速风场模型构建与应用

介绍了城市近地面高分辨率快速风场模型的构建,以中尺度模式结果作为背景驱动场,5m分辨率建筑物资料作为模型数据输入,通过区块处理、分区函数插值和质量守恒约束,实现了在较短时间(2～3 h)内获得可覆盖城市尺度的高分辨率(10 m左右)的近地面风场。基于该模型对北京四环内主城区(20 km×19 km)在8个典型时刻的10 m分辨率风场进行了模拟和检验,结果如下:(1)在风速方面,模拟值与观测值相比往往会偏大些,夏季4个时刻模拟的准确率在90%以上,冬季4个时刻模拟的准确率在60%以上;在风向方面,8个时刻的准确率均在40%以上。(2)基于该风场模型模拟得到的高分辨率风场能够反映出北京主城区风的山谷风日变化特征;明显的风速大值区往往对应着粗糙度较小的下垫面,而一些密集高层建筑区域始终是流场凌乱的风速小值区。(3)以东二环某一区块为例,该高分辨率风场模型还可对重点街区的精细化风场特征进行展示,可以清晰地反映出流场因建筑物分布产生的分流、汇合、局部环流,以及尾流。综上所述,该城市风场模型为实现短时间内获得覆盖城市尺度的高分辨率近地面风场提供了有效途径。掌握城市尺度的精细化风环境特征,有助于识别亟需改善或限制开发的关键区域,辅助城市通风廊道的合理构建和实施,从而达到优化城市内部通风性能、缓解城市热岛、增加风环境舒适度的最终目标。     

基于超越概率的重庆市住宅区风环境品质定量评估

城市化发展显著改变城市下垫面几何形态,导致局地风环境品质恶化,产生城市风环境问题。本文基于超越概率阈值法,结合计算流体力学数值模拟,建立适用于住宅区风环境品质定量评估的一般方法和流程。并以重庆市龙湖社区为例,从大概率和偶发事件的角度对住宅区精细化风环境品质进行评估。结果表明：受复杂下垫面影响,住宅区风环境品质存在明显的区域差异。在开阔空间、与盛行风向一致的街道以及高层建筑周围,风速整体偏大,风环境品质较差,等级为1级乙;在建筑物密集区和封闭的小区内部,风速整体偏小,风环境品质较好,等级为1级甲。城市下垫面的摩擦阻力作用,使住宅区平均风速降低,小区整体风环境品质等级趋于良好。风环境品质评估对促进精细化气象服务水平的提升和城市防灾减灾能力的提高有一定的积极作用。     

关中盆地近地面风场和大气输送特征分析

利用2017年151个地面气象站的逐时观测数据和相关高空资料分析关中盆地近地面风场与输送特征。首先分析盆地内代表性站点的风速和风向观测事实,然后用CALMET风场诊断模式和轨迹计算模式获取当地逐小时风场和每日逐小时传输轨迹,分析风场类型。结果表明:关中盆地内日平均风速约1～3 m s?1,夏季风速高、秋冬季低;盆地中央的主导风向以沿地形走向的东北风和西南风为主,盆地四周测站的主导风向表现出顺着地形向盆地中央汇流的趋势。各站主导风向的季节变化不大。盆地内风场分为系统控制型、弱天气背景型和局地环流型3类,全年出现日数比例分别占8%、17.3%和74.7%。以山谷风日夜循环为特征的局地环流型风场最多。以西安城区为源点的大气输送轨迹显示,系统控制型风场以偏东北方向的输送为主,弱天气背景型和局地环流型风场的轨迹输送都大致以偏东北和偏西（以及偏西南）沿盆地走向以及偏东南朝向秦岭山地这三个方向为主。局地环流型的轨迹影响范围小,集中于盆地中央和南侧山地之间,表明这是一种不利于污染扩散的风场类型。     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

影响云南空气质量的风场特征分析

利用美国NCEP/NCAR风场再分析资料和云南高空、地面、高山风塔实测风资料,对云南地区的大气风场特征进行了分析。结果表明,云南对流层中低层大气风场常年盛行偏西气流,风向稳定,尤以西南风最多,冬-春-夏-秋四季风场变化特征明显。腾冲、思茅高空盛行风向以西风为主。云南除滇东北、滇东南和局地地形影响外,大部分地区近地面全年以盛行西南风为主。山区全年盛行风向以西南风为主。云南近地面年平均风速1.9m/s,北部大于南部,东部大于西部,冬春季风大,夏秋季风小,风速日变化特征显著。昆明地区大气边界层存在逆温现象,冬季突出,夏季微弱,秋冬春季频率高,夏季频率低。云南空气污染具有干湿季分布特点,1-5月为主要污染时段,冬春季节存在西南和东北两条污染传输通道。     

北京城区近地面比湿和风场时空分布特征

利用2008—2012年北京城区平均5 km的高密度自动气象站逐时观测数据,分析了北京城区近地面比湿、风向和风速的时空精细分布特征,初步探究了城市下垫面对局地气象要素的影响机制。研究表明:夏季白天北京城区为干岛,冬季城区表现为弱湿岛特征。受城市效应的影响,北京城区与郊区比湿日变化有明显差异。近地面10 m风受到地形、城市和季节性盛行风的共同影响。当气流经过城区时有明显的绕流现象。夏季05:00—10:00 (北京时,下同),受山风、弱的夏季偏南风和城市热岛共同作用,气流向城市中心辐合。冬季15:00—19:00,受季节盛行风偏北气流和谷风偏南气流的共同作用,在城区形成一条西北—东南走向的辐合线。对风速研究发现:城市粗糙下垫面使北京城区风速减小,二环路和三环路之间存在一条“n”状的风速小值带。由此可见,除已开展较多研究的城市热岛效应外,北京城市效应对近地面湿度和风场亦有显著影响。     

海南岛沿海近地面风时空分布特征的观测分析

利用2012年海南岛沿海6个常规气象站、2个海岛站的逐时风向、风速资料,分别对全年以及不同季节内近地面风速大小、风速日变化以及风向频率分布等进行了统计分析.结果表明:2012年全年海南岛沿海近地面风速约在1.8~5.7 m/s之间,其中三亚站风速最大,冬季高达6.5 m/s,大部分站点夏季风速最弱,最大风速出现在春、冬季;海南岛南部沿海风速大于北部,东部大于西部;各站24 h风速基本呈现白天大、夜晚小的典型特征,由于所处地形、植被独特,三亚部分季节风速呈现相反的日变化特征;全年各站基本存在两个盛行风向,大部分站点近地面风向与南海季风的风向变化较为一致,夏季以南风、西南风为主,冬季以北风、东北风为主;各季沿海近地面风向南北部差异较大,东西部差异较小,随着季节转变,南部沿海盛行风转向最明显,东西部次之,北部则不明显.     

北京地区局地环流观测分析

应用2008—2015年逐时自动气象站观测资料,分析了北京地区局地风场的分布特点及季节性变化。结果表明:(1)北京地区局地风场受山谷风和城市热岛环流的共同影响,风速主要沿地形梯度分布。西部、北部高海拔山地风速较大,平原地带风速相对较小。平均而言,东西方向的局地风强度约为0.16m·s~(-1),南北方向的局地风强度约为0.07m·s~(-1)。(2)局地风速在季节分布上以夏季为最大,冬季为最小。其日变化为双峰型结构,于每日09及16时左右达到峰值区。(3)局地风速的u、v分量在正(负)距平的维持时长、日振幅值上存在较明显的差异。低层风场在午后到前半夜以东南风为主,后半夜开始到正午前则以西北风为主。     

北京山区与平原冬季近地面风的精细观测特征

利用2009—2018年冬季北京地区200多个自动气象站逐时10 m风速、风向观测数据,分典型区域（山区、山区与平原过渡区、平原区、城区）研究北京地区冬季近地面风的精细特征,并使用有完整记录的2 a（2017和2018年）冬季延庆高山区不同海拔高度10 m风逐时观测数据,多视角分析高山区不同海拔高度近地面风的特征和成因,以深刻认识北京地区复杂地形条件下冬季近地面风的特征和规律。结果表明:（1）北京地区冬季近地面平均风受西部北部地形、城市下垫面粗糙度和冷空气活动共同影响,平均风速沿地形梯度分布,山区高平原低,平原中又以城区风速最小;盛行西北风和北风,在城区东、西两侧盛行风出现扰流,在山区和过渡区一些地方还存在与局地地形环境明显关联的其他盛行风向。（2）4个典型区域冬季近地面风速日变化均表现为白天风速大于夜间,午间风速最大的“峰强谷平”单峰特征,这一特征的稳定性在城区高、山区低。（3）4个区域冬季弱风（< 1 m/s）频率为31%—42%,城区较高、山区较低;强风（> 10.8 m/s）频次则是山区多、城区少,强风风向主要表现为偏西—偏北,与冷空气活动密切关联;城区、平原区和过渡区偏南风频率均为极小,暗示北京“山区—平原”风模态在冬季是“隐式”的、不易被直接观测到。（4）近地面风的水平尺度代表范围在延庆高山区高海拔处明显大于低海拔处,海拔1500 m附近（平均的边界层顶高度）是延庆高山近地面风速日变化特征的“分水岭”,低于该海拔高度时近地面风速日变化表现为前述“峰强谷平”单峰特征,而高于该海拔高度时近地面风速日变化则呈现相反特征,即夜间大白天小、午间最小的“峰平谷深”特征,这是由边界层湍流活动的日变化及伴随的低层自由大气动量向边界层内下传所致。（5）延庆高山近地面风速大体上随观测高度而增大,高海拔站点日平均风速数倍于低海拔站点。白天—前半夜,海拔约2000 m的站点冬季盛行偏西风,风向变化不大,但风速为2—12 m/s;1000 m左右的低海拔站则风速比较稳定（< 6 m/s）,风向从午间至傍晚相对多变。      

近10年阳江市地面风场特征及风能资源初探

利用2004年12月31日21:00—2014年12月31日20:00阳江地区2个观测站逐小时观测资料,分析阳江地区地面风场特征。结果表明,阳江站年平均风速为4.0 m/s,有效风速出现的频率为68.1%;阳春站年平均风速为2.0 m/s,有效风速出现的频率为20.2%;阳江夏季盛行的风是S风和SSW风,其他3个季节盛行的风是NE风和NNE风。通过对阳江地区风能初步评估发现阳江南部是风能丰富地区,北部是风能贫乏地区,可以利用阳江山地地形来建立风电站。     

冷空气强风在大型城市中的精细结构和形成机制

地面强风可直接造成人员伤亡和经济损失,严重影响出行安全、工农业生产等社会秩序。强风的发生与天气系统和复杂下垫面的共同作用密切相关,在城市区域尤为明显。受数值模拟技术和计算资源的限制,对实际天气条件下大范围城区的强风现象进行建筑物分辨率的大规模数值模拟研究仍是一个挑战。本研究利用中尺度气象模式嵌套流体计算动力模式的超高分辨率局地气象预报系统,对强冷空气过程造成广州市区的一次强风事件进行数值模拟,深入探讨强风的精细结构和形成机制。结果表明,伴随着强冷空气入侵,广州市区的平均风速和风场高频扰动均明显增强,且在城市冠层顶尤为明显,呈现区域不均匀的三维结构,数值模拟与地面观测相一致。较大范围的强风速和阵风主要出现在建筑物较为低矮的老城区上空,并持续影响下游河道等开阔区域。在高层建筑密集的新城区,虽然整体风速明显减弱,但能在平行风向的街道狭管和下游区域形成局地强风。特别是,超高层建筑群引起显著的垂直环流,导致强风扰动向下传播,造成最大风速达8 m s?1的地面局地强风,阵风指数接近2。上游建筑群引起的风场扰动呈现大尺度湍流结构,能沿着平均气流传播影响数公里之远的下游地区。当风场扰动经过广州塔等单体超高层建筑时,可在其两侧绕流区再次加强,形成局地强风。局地强风和阵风还出现在垂直于风向排列的沿江高层建筑群的侧边,与建筑屏风的阻挡效应和缺口溢出有关。研究结果促进认识城市强风的时空特征和物理机制,有助于提升城市气象的精细化预报水平。     

2019年冬季北京海陀山局地环流特征及机理分析

海陀山作为北京冬(残)奥会的主要室外赛场之一,其复杂的地形对风场的精细化预报提出了严峻的挑战,亟需开展加密的风场观测提高对复杂地形下局地环流特征及其影响机理的认识,并为提升赛区精细化预报与服务提供数据支撑.基于2019年度海陀山观测试验,利用加密自动气象站、激光测风雷达、涡动相关仪、云高仪等多源数据,对海陀山风场的水平...     

Effect of grid size on building wind according to a computation fluid dynamics simulation

Skyscrapers negatively impact the environment by creating gusty winds, known as building winds, which are the result of descending turbulences caused by the blockage of upper air by tall buildings. Usually, a building wind impact assessment (BWIA) is carried out using a wind tunnel test or computation fluid dynamics (CFD) simulation methods. The application of wind tunnel test is limited by the high costs of the models. Thus, CFD simulations are now the preferred approach to save time and expense as a result of advancements in computer technology, however, differing grid cell sizes greatly impact simulation results. Therefore, it is important to select appropriate cell sizes. CFD simulations based on different grid sizes were tested and compared in this study. The study site is located in the Dogok-dong at Gangnam-ku in Seoul, Korea. The study results revealed significant errors when using coarse grid sizes due to incorrect representations of building shape.     

Studies of sodar surface-based shear echo structures

Shear echoes with various types of structures like surface layer with smooth top, short spiky top, tall spiky top and stratified layers have been seen on the monostatic system operating at the National Physical Laboratory, New Delhi. In this paper effects of surface wind speed on the formation of these structures have been considered. The data used for the purpose pertains to the period May 1977 to April 1982. It has been seen that most of the shear echo structures are formed under stable conditions with surface wind speed less than or equal to 2.5 m s⁻¹, however, the tall spiky surface based layer structures of height more than 150 m have been seen to occur significantly in the presence of higher surface wind speeds, suggesting that strong surface winds may be responsible for turbulence in the vertical plane to more depth.     

Evolutionary characteristics of a dust storm over Oman on 2 February 2008

The evolutionary characteristics of a dust storm over Oman on 2 February 2008 were studied by analyzing the weather associated with it. The National Center for Environmental Prediction/National Centre for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) reanalysis wind flow pattern at 1,000?hPa showed a clockwise and outward wind flow pattern over the study region, a manifestation of a high-pressure cold air mass. In addition, ground truth observations for surface temperature and surface winds showed cold northerly winds until the early morning of 2 February 2008. A strong wind shear resulted from differences in wind speed between warm air and trapped cold air. This vertical wind shear enhanced instability. Furthermore, the weakening of the inversion in the lower troposphere and the formation of a mixed layer due to transfer of horizontal momentum from upper air towards the surface led to strong surface winds. These strong winds lifted a large amount of dust particles off the ground, resulting in the dust event of 2 February 2008.     

广丰局地极端大风的雷达观测与成因分析

利用常规天气资料、自动站资料、江西WebGIS雷达拼图、风廓线雷达等资料,对2020年5月9日发生在江西省上饶市广丰区局地极端大风天气的回波演变特征和形成机理进行分析。结果表明：(1)广丰区国家气象观测站出现的35.5 m·s^-1极端大风,为该站建站以来的历史极值;(2)江西高空具有明显的高层辐散,配合高空槽、低层较强辐合和上干冷下暖湿的层结条件,为风暴发展提供了良好的动力条件;(3)导致广丰区极端大风天气的是A、B单体回波合并为超级单体回波后又发展成弓状回波结构所致;(4)江西东部走廊对大风的影响十分明显;极端大风过境时,具有气压上升,降水增大,风向突变,风速巨变,温度和露点下降等特征;(5)风廓线雷达上1 000 m以上低空突然风向逆转,风速突增是出现地面大风的信号。     

Three-Dimensional Mapping of Air Flow at an Urban Canyon Intersection

In this experimental work both qualitative (flow visualisation) and quantitative (laser Doppler anemometry) methods were applied in a wind tunnel in order to describe the complex three-dimensional flow field in a real environment (a street canyon intersection). The main aim was an examination of the mean flow, turbulence and flow pathlines characterising a complex three-dimensional urban location. The experiments highlighted the complexity of the observed flows, particularly in the upwind region of the intersection. In this complex and realistic situation some details of the upwind flow, such as the presence of two tall towers, play an important role in defining the flow field within the intersection, particularly at roof level. This effect is likely to have a strong influence on the mass exchange mechanism between the canopy flow and the air aloft, and therefore the distribution of pollutants. This strong interaction between the flows inside and outside the urban canopy is currently neglected in most state-of-the-art local scale dispersion models.     

2009年11月汕尾红海湾海面风场的观测分析

广州亚运会帆船帆板的比赛项目于2010年11月在汕尾红海湾广东省水上运动基地举行。根据2009年11月海上浮标观测数据,分析了红海湾赛场的海面风场特征及日变化规律;并根据地面气压场特点和风场日变化特征对海面风场进行了分类;最后,结合海-陆气压差观测数据,初步探讨海陆热力差异与海面风日变化的关系。结果表明:11月红海湾赛场以偏北和偏东风为主,风向具有近似余弦函数的日变化特征;风速的日变化不明显,但午后14—18时弱风和强风的出现机会较少,最适合比赛。11月红海湾赛场的海面风可归纳为海陆型、系统转折型和阴天型三种类型,三种类型的海面风分别占月总日数的46.7%、33.3%和20%。浮标-海丰观测站的气压差与海面风南北分量的变化有密切关系,可作为海面风场的有效预报指标。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。