山谷地形流场和扩散的数值研究

运用三维非表力E－ε闭合模式，模拟了山体和山谷地形下的流场、湍流场和不同位置低矮点源扩散的污染物浓度分布。发现在不稳定时湍能的热力产生率并非在任何位置都是主要的。当风速较大时，在山谷底部机械产生率也可能超过热力产生率。对污染扩散的分析表明：在近地面源条件下，稳定层结时如果出现小风，无论源在何处，都人造成一定范围内的严重污染，当污染源位于山前或山顶时，谷底的污染不剧烈。当污染源位于谷底时，无论何种层结、何种来流风速，都会造成山谷地区的严重污染。污染源位于山体沿来流方向的中心线上的谷底时，如果风速大，污染物沿回流输送；如果风速小，则沿来流方向输送。     

深凹地形边界层风场与湍流场结构及扩散规律的数值研究

建立了一个模拟小尺度复杂地形边界层平均流场和湍流场结构分布特征的三维非静力细网格高阶矩湍流闭合模式,并将此模式与一个拉格朗日粒子随机游动大气扩散数值模式相联结,以边界层气象模式的输出作为扩散模式的输入,构成了一个大气扩和模拟系统,成功地模拟了某地实际深凹露天矿区和理想凹坑地形两种情况下的平均流场、雷诺应力和湍流通量场,分析了其分布特征,并模拟了矿坑内污染物的散布规律     

2009年秋季冀中南暴雪过程的地形作用分析

2009年11月10-11日,河北中南部地区出现了回流暴雪天气,强降雪中心位于太行山喇叭口地形南侧迎风坡处。本文使用MM5数值试验结果分析中小尺度地形对于降雪的影响。结果表明：在喇叭口地形作用下北侧为下坡风,南侧为迎风坡,出现上升运动;由于向东开口的喇叭口地形对于气流有汇聚作用,整个喇叭口地形上空到800 hPa为地形辐合产生的上升运动。垂直剖面显示低层地形产生的上升运动冲破逆温层（或与逆温层内波动的上升支叠加）,与700 hPa以上的西风带低槽系统引起的上升支叠加,加强了垂直上升运动,且东北风遇山后呈现出两支气流,一支在山前堆积下沉,一支在山前冷空气堆前上升,且山前冷空气下沉支逐步形成环流圈,说明冷空气在山前堆积,气流在冷空气堆以东上升。这可能是降雪中心在平原而不在山坡的主要原因。     

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

城市建筑物动力冠层方案的引入及应用研究

文中将建筑物动力冠层方案引入到城市边界层精细模式中,该方案描叙了城市地Ⅸ建筑物对气流的拖曳作用以及建筑物形态对城市地区湍流活动动量输送的影响.采用建筑物拖曳法和建筑物动力冠层方案两种不同建筑物动力学处理方法对北京地区东南部进行模拟,通过城市地区水平风速的模拟结果与自动气象站实测资料对比发现模拟结果与实测相当吻合,建筑物动力冠层方案的引入能够更好地实施对城市地区的水平风速分布的数值模拟.分别采用建筑物拖曳法与建筑物动力冠层方案对一个实际小规模城市进行模拟试验,分析表明引入建筑物动力冠层方案可以模拟出小规模城市地区水平风速偏低的现象;还可以模拟出城市地区建筑物动力作用对湍流活动的影响;对湍流动能模拟结果表明比较符合实际分布情形.采用建筑物动力冠层方案对小规模城市地区建筑物高度变化对城市地区的流场及湍流活动的影响进行模拟分析,结果表明:城市地区建筑物高度增加,风速变小,但是高大建筑物底部风速略高于低矮建筑物底部;城市地区大气湍能增加,高大建筑物底部湍能较小,冠层高度内湍能随高度增加而增加;同时城市地Ⅸ的垂直扩散系数也随建筑物高度增加而增加;城市地区污染物排放高度处污染物浓度较低,下游乡村地区地面污染物浓度较低,但高空污染物浓度却较高.     

城市湍流边界层内汽车尾气扩散规律数值模拟研究

以纳维斯托克斯方程组、大气平流扩散方程、湍流动能及湍流动能耗散率方程组为基础．采用伪不定常方法,建立了一个数值模式．利用该模式列城市湍流边界层内流场结构及汽车排放污染物扩散规律进行了研究。结果表明：街谷内会形成一个涡旋型流场．汽车排放污染物浓度在地面及建筑物背风面产生堆积,且其沿高度方向的梯度变化在背风面大．迎风而小。随着街谷两侧建筑物屋顶风速的增大,峡谷内形成的涡旋流场的强度增大,污染物扩散速率增大：当屋顶来流与街道之间的夹角逐渐增大时．涡旋中心位置由街道中心偏向于背风面及更高层且污染物扩散速度加快。     

细网格非静力二维高阶闭合模式对山体流场特征的模拟分析

本文采用二阶矩湍流闭合方案，分别就非静力和准静力两种条件建立ＰＢＬ数值模式，并模拟了二维山脊流场的结构，计算了二维山体对气流平均场和湍流场的影响。计算结果表明，无论是平均场还是湍流场，采用准静力假设都会造成模拟结果的较大偏差，且对平均场的影响比对湍流场的影响更为显著。两种模式计算结果的差别还随地形坡度和背景风增大而增大。     

细网络非静力二维高阶闭合模式对山体流场特征的模拟分析

本文采用二阶矩湍流闭合方案，分别就非静力和准静力两种条件建立ＰＢＬ数值模糊，并模拟了二维山脊流场的结构，计算二维山体对气流平均场和湍流场的影响，计算结果表明，无论是平均场还是湍流场，采用准静力假设都会造成模拟结果的较大偏差，且对平均场的影响比对湍流场的影响更为显著，两种模式计算结果的差别还随地形坡度和背景风增大而增大。     

山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟

将模式NP-89的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中, 得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式, 利用这个改进的三维模式对20 km×20 km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明, 由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强, 进而造成近地面温度梯度和感热支出小, 最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高; 而且随着山高的增加, 这种现象更加明显, 即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力; 模拟结果合理, 对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。     

行列式街区风场和污染物浓度场分布特征

为了探讨街区风场和污染物的传输特性,本文基于计算流体力学软件FLUENT数值模拟了行列式街区的风场和污染物浓度,采用RNGκ-ε湍流模型,以接近实况并在街道中央设置了线性污染源的非孤立三维行列式街区作为研究对象,经过风洞实验验证数值方案可行,研究分析了微尺度范围内的三维街区下游及其内部流场与污染物浓度的分布特征,并对流场和污染物浓度的分布特征进行了解释。结果表明:由于建筑群的阻挡作用,导致建筑群下风方向产生风速的低值涡旋区,并聚集了大量来自街区内部的污染物;在街区两个主干道风速入口处附近,受狭管效应作用形成风速最大值区,相应的污染物浓度最低。与以往研究结果一致,在高宽比为1:1的街道峡谷内均产生了一个顺时针涡旋,且污染物主要聚集在背风面底层;污染物的扩散与湍流强度和风速密切关系,在高湍流区域和风速较大的迎风面表现为污染物浓度较低,反之,背风面污染物浓度较高。本文研究结果可以为合理设计街区布局和利用自然风缓解城市高密度地区空气污染提供科学依据。     

Monte-Carlo 法模拟复杂地形对扩散的影响

不考虑边界层中层结作用，引入Kao得到的复杂地形中的平均流场分布和近十年来PBL实验和理论研究导出的新的湍流统计量参数化关系，本文用Monte-Carlo模式模拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明:地形的影响主要是迎风坡抬升和背风坡下沉；陡峭地形和平缓地形的影响不完全相同；在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能够形成空腔区，空腔区内出现闭合的浓度中心，且地形越陡峭，闭合浓度中心的范围越大；大地形对扩散的影响可以掩盖其下风方小地形的影响。     

地形对超强台风罗莎降水影响的初步分析

为了进一步加深地形对台风降水影响的细节了解,用变分法合成的高分辨率降水资料和地形资料,结合日本再分析资料,对0716号台风罗莎登陆期间地形对降水的影响作了初步分析.过程降水量与地形相关分析表明,沿海地形对降水的影响较大.强降水区主要分布在沿海山体的迎风坡上.分析1小时降水量在不同强度区间的频次分布,发现在山体地形的影响下,山脉区域降水加强.浙江东南沿岸的山体引起的降水增益相对东北沿岸区域的山体偏大.利用日本再分析资料和地形资料计算了气流过沿海山体时的无量纲数Fr值.由于气流Fr较小,气流过浙江沿海地形时更容易翻越山体.抬升位置发生在迎风坡上,因而强降水区也落在迎风坡上.东南沿岸区域的地形对迎风气流的强迫垂直运动在垂直方向上的渗透比东北沿岸区域更深厚,这是导致东南沿岸区域地形对降水增益比东北沿岸区域偏大的原因.     

Monte—Carlo法模拟复杂地形对扩散的影响

不考虑边界层中层结作用，引入Ｋａｏ得到的复杂地形中的平均流场分布和近十年来ＰＢＬ实验和理论研究导出的新的湍流统计量参数化关系，本文用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ模式模拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明：地形的影响主要是迎风坡抬升和背风坡下沉；陡峭地形和平缓地形的影响不完全相同；在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能够形成空腔区，空腔区内出现闭合的浓度中心，且地形越陡峭，闭合浓度中心的范围越大；大地形对扩散的     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究 I：冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型 ,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题。冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关。当冷锋位于迎风坡时 ,其坡度减小 ,位于背风坡时 ,其坡度增大。在静止冷锋存在两类不同的环流系 ,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系。静止冷锋位于背风坡 ,其冷域中的这支闭合环流增强 ,范围增大 ,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移 ,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大。当静止冷锋位于迎风坡时 ,结果相反。冷锋移动较慢时 ,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡。当静止冷锋移离地形时 ,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽。地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用 ,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现。由于边界层摩擦的辐合作用 ,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带 ,当冷锋位于迎风坡时 ,其强度增强 ,当冷锋位于背风坡时 ,其强度减弱。当冷锋位于背风坡时 ,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大 ,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅰ:冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题.冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关.当冷锋位于迎风坡时,其坡度减小,位于背风坡时,其坡度增大.在静止冷锋存在两类不同的环流系,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系.静止冷锋位于背风坡,其冷域中的这支闭合环流增强,范围增大,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大.当静止冷锋位于迎风坡时,结果相反.冷锋移动较慢时,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡.当静止冷锋移离地形时,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽.地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现.由于边界层摩擦的辐合作用,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带,当冷锋位于迎风坡时,其强度增强,当冷锋位于背风坡时,其强度减弱.当冷锋位于背风坡时,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区.     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅱ:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题。暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反。地形对暖锋坡度的影响作用较小。与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大。对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大。在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带：（a）由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱。该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱。（b）在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,（c）在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧。     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究II:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题.暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反.地形对暖锋坡度的影响作用较小.与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大.对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大.在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带:(a)由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱.该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱.(b)在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,(c)在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧.     

边界层内冷锋流场的动力学特征

文中求解了锋面存在时地转动量近似下的大气边界层运动方程 ,得到了边界层内冷锋流场的一些特征 ,如冷锋坡度随地转涡度增加而增加 ,随地转风速时间倾向的增加而增加 ,随沿锋面传播方向的热成风分量的减少而增加。而边界层内冷锋面上下的流场与锋面坡度、地转风及其时空变化特征有关 ,共同特点是在冷锋面高度以下有下滑运动 ,而其上有一层上滑运动区。     

台风“莫拉菲”登陆期间深圳排牙山周边风场结构的数值模拟研究

以计算流体力学软件FLUENT为工具,模拟台风“莫拉菲”登陆期间深圳大鹏半岛排牙山周边的风场三维结构。通过研究得到了强风条件下山地风场的概念模型,并得到以下结论:(1) FLUENT可较合理地模拟出强风条件下复杂地形的三维风场结构,描述山体对于风场和湍流场的影响;(2) 山体的动力学效应可使高大山体迎风侧和山顶之上的局地风速加大;(3) 高大山体背风侧为弱风区、风速强切变区和强湍流区。      

湖北省地形因子对电线覆冰的影响研究

利利用1960—2011年湖北省81个气象站气象观测资料和湖北省2004—2012年220~500 k V高压输电线路覆冰事故资料以及海拔高度、坡度、坡向等9类地形数据信息资料,给出风口、突出山体、迎风坡和背风坡4种特殊地形的判断指标,分析特殊地形因子对电线覆冰的影响,并对湖北省冰区分布图进行地形订正。结果表明:风口判断指标为冬季(当年12月至翌年2月)日均风速大于8 m·s-1的日数超过1.56 d·a-1,迎风坡判断指标为坡向0°~45°或315°~360°且坡度大于10°,背风坡判断指标为坡向135°~225°且坡度大于10°,突出山体判断指标为起伏度大于200 m且海拔高度大于起伏度;4种特殊地形下冰厚订正系数分别为1.75、1.62、0.68和1.82;风口处影响覆冰的主导气象因子为风速,迎风坡处影响覆冰的主导气象因子为降水量,突出山体处影响覆冰的主导气象因子为液水含量,气温对3种特殊地形下的冰厚变化均有显著影响;经过地形订正后的冰区图,能更好地反映鄂西南山区、鄂北中部和西部等地受特殊地形影响而出现的较严重覆冰区。