Numerical simulation for the effects of PBL and the surface on pollutant concentrations

On the basis of theoretical and experimental results of study of planetary boundary layer (PBL), the physical parameters describing the structure of PBL are calculated by using the data obtained from a meteor-ological tower and the effects of PBL and the surface on pollutant concentrations are numerically simulated with a time-dependent two-dimensional advection and diffusion equation.It is shown that the diurnal variation of PBL results in that of concentration. The height of mixing layer is an important factor to determine the ground-level concentration. As for an elevated point source, the height of mixing layer, growing from lower to higher than the releasing height is a necessary condition for the phenomenon of fumigation. It is also shown that the surface may be considered as a boundary with perfect reflection when Vd ≤ 0.001 m s-1, but has an important effect on concentration and must be carefully dealt with when Vd ≤ 0.01 m s-1.     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

平台障碍物对海气通量观测影响的数值分析

基于计算流体动力学模型（CFD）模拟了背景风风速为2 m·s-1、4 m·s-1、6 m·s-1下通量观测平台周围的风场分布,确定了不同风速下平台障碍物对观测影响最小的风向范围。发现风速不同,平台对背景风的影响范围不同,风速越大,平台对背景风的影响越大。运用涡动相关法计算不同风向条件下的湍流通量,定量分析由于平台干扰对海气通量计算的影响,发现选取迎风条件下的数据计算得到的海气通量会比实际偏低。     

极端雷暴大风的环境参量特征

为了研究极端雷暴大风天气环境要素特点,选取2002—2017年中国各地区极端雷暴大风个例95个和不伴随强对流的普通雷暴个例95个,通过两者间关键环境参数的对比,揭示极端雷暴大风事件的关键环境参数特征。结果表明:极端雷暴大风天气发生在对流层中层相对干的环境下,表现为400~700 hPa极端雷暴大风对应的单层最大温度露点差和平均温度露点差平均值分别为25.7℃和13.6℃,而普通雷暴的相应值分别为16.2℃和6.5℃。统计结果表明:尽管产生极端雷暴大风的对流风暴和普通雷达对应的地面露点差异并不大,但前者相应的大气可降水量（平均值为37 mm）明显低于后者（平均值为51 mm）,差异突出表现在两者湿层厚度的不同上;相对于普通雷暴事件,极端雷暴大风事件对应的对流有效位能值（平均值为1820 J·kg-1）明显高于普通雷暴事件的对应值（平均值为470 J·kg-1）;此外,极端雷暴大风事件对应的对流层中下层垂直温度递减率、下沉有效位能、夹卷层平均风速和0~6 km,0~3 km垂直风切变均明显大于普通雷暴事件对应的相应值。     

WRF模式陆面参数扰动对一次西北暴雨影响的数值模拟

利用NCEP每6h一次的1°×1°再分析资料和中尺度模式WRF V3.1,以2005年7月1～2日发生在甘肃东南部的一次暴雨天气为例,根据NOAH陆面方案中土壤最大容积水含量(MAXSMC)初始扰动对此次暴雨进行了敏感性数值模拟试验。结果表明,此次暴雨对陆面参数MAXSMC扰动比较敏感,MAXSMC初值减少20%,模拟的降水与实况更接近,而增大MAXSMC则对降水的影响不大;浅层土壤湿度、低层气象要素以及地表通量均对MAXSMC扰动有一定的敏感性,但是由于不同的下垫面类型,其敏感性也存在明显的差异;地表通量的直接输送和由低层不稳定所导致的间接水汽输送的变化,对降水的影响是最主要的。在不同的区域,由于下垫面性质的差异导致二者所占的比例存在差异,故模拟的降水会出现完全不同的走势。     

边界层风廓线雷达对登陆台风观测适用性评估

利用2014—2019年6个台风合计34组数据,通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比,分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性。初步分析表明:有30组数据完整度高于80%,且平均标准差为3.64 m·s-1,平均误差为4.67 m·s-1。30组数据中有19组数据的对比结果较好,均呈现风廓线雷达与探空廓线在250 m高度以上重合度较高、250 m高度以下重合度较低的特征,其原因可能与探空低层加速以及风廓线雷达低层受干扰有关。将250 m高度以下的数据剔除后和剔除前对比发现,数据质量得到提高。从空间分布看,低质量数据大多分布在台风中心距离观测点200 km及以外的区域,但较高质量数据相对于台风中心并无明显的倾向性分布。从降水分布看,未发现数据质量与降水关系明显。尽管使用的数据比较有限,但风廓线雷达在台风边界层结构观测中展现较好应用潜力。     

大规模风电场建成后对风能资源影响的研究

考虑了千万千瓦级风电基地建成后风电机群对近地面层风速的影响,采用Frandsen研究了大规模风电场内部风速损失时所使用的方法,在内边界层已经充分发展成新边界层的区域内,对轮毂高度65m处风速Uh进行了计算。结果表明,风电场建成后研究区内,风速Uh与未建场时的65m风速U0相比变小,存在风速损失,该风速损失随着U0的增大而减小,与风电机的推力系数CT性质有关;大规模风电场建成后,Uh在3～20m.s-1范围内的平均风功率密度与未建场时U0在此范围内的平均风功率密度相比损失约为58.45%,这与建场地区建场前65m处风速值大小以及各风速值出现的概率有关。     

闪电先导三维自持发展模式的建立

为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用,该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时,进行自持发展模拟,计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中,其速度呈逐渐增加趋势,临近最后一跳发生前,上行正先导速度增加明显,整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级,电流强度随时间也具有逐渐增加趋势,该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。     

渤海西岸降雪过程中偏东风在250 m塔层内的特征分析

利用天津铁塔观测资料、加密自动站和常规观测资料,针对4次渤海西岸典型降雪过程,分析了偏东风在降雪发生前后的演变特征。结果表明：4次降雪过程均属于回流降雪,其水汽来源与西南气流的水汽输送和近地面层的东风水汽输送有关;地面东风出现在降雪开始之前8 h以上,风速一般在2 m·s^-1左右,220 m高度可达12 m·s^-1左右。从造成东风的系统看,由南部北上的低压系统造成的东风或东南风湿度比较大,而由东北南下的冷高压造成的东风或东北风都比较干。出现最大降雪的时段,塔层的东风显著加大,而地面的风速变化不明显。     

西北太平洋历史台风风场重建模型参数试验

基于Yan Meng风场模型,使用中国近海浮标观测资料,对影响风场模拟的台风最大风速半径Rmax、压力分布常数B、粗糙度z03个参数进行估算试验,结果表明:台风中心最大风速Vmax和台风所处纬度的组合方案对估算Rmax更合理;海面(浮标站)在z0=0.005 m,B=1.0时风速模拟效果较好.选取登陆闽北浙江、北上东海...     

山区水库水面气温与太阳辐射的修正及应用

考虑到山区水库库面气象要素受周围地形影响, 结合前人的研究, 库区气温计算方法采用回归余项法并计入地形影响, 而对于库区水面上的太阳辐射计算, 则采用了平行山脊坡地上的简化算法。应用结果表明:由经度、纬度、海拔高度和大地形影响等4项建立的多元线性回归气温方程拟合效果显著; 并用同时期盐边气象站的资料进行检验, 检验精度在0.5℃以内。与平地相比, 在山区地形影响下的二滩库区水面太阳辐射有一定程度的改变量, 同时不同河岸坡度对水库水面接收的太阳辐射有较大影响。该方法有效揭示了山区月平均温度和太阳辐射的时空变化。修正后的气温和太阳辐射符合山区实际情况。     

The role of ENSO in global ocean temperature changes during 1955–2011 simulated with a 1D climate model

Global average ocean temperature variations to 2,000 m depth during 1955–2011 are simulated with a 40 layer 1D forcing-feedback-mixing model for three forcing cases. The first case uses standard anthropogenic and volcanic external radiative forcings. The second adds non-radiative internal forcing (ocean mixing changes initiated in the top 200 m) proportional to the Multivariate ENSO Index (MEI) to represent an internal mode of natural variability. The third case further adds ENSO-related radiative forcing proportional to MEI as a possible natural cloud forcing mechanism associated with atmospheric circulation changes. The model adjustable parameters are net radiative feedback, effective diffusivities, and internal radiative (e.g., cloud) and non-radiative (ocean mixing) forcing coefficients at adjustable time lags. Model output is compared to Levitus ocean temperature changes in 50 m layers during 1955–2011 to 700 m depth, and to lag regression coefficients between satellite radiative flux variations and sea surface temperature between 2000 and 2010. A net feedback parameter of 1.7Wm^?2 K^?1 with only anthropogenic and volcanic forcings increases to 2.8Wm^?2 K^?1 when all ENSO forcings (which are one-third radiative) are included, along with better agreement between model and observations. The results suggest ENSO can influence multi-decadal temperature trends, and that internal radiative forcing of the climate system affects the diagnosis of feedbacks. Also, the relatively small differences in model ocean warming associated with the three cases suggests that the observed levels of ocean warming since the 1950s is not a very strong constraint on our estimates of climate sensitivity.     

The effect of diapycnal mixing on the ventilation and CFC-11 uptake in the Southern Ocean

1. Introduction Ocean General Circulation Models (OGCMs) arekey tools in the assessment of the future ocean up-take of atmospheric greenhouse gases and heat. Fur-thermore, whereas nature experiences one realisationof the climate state, climate models can be used as alaboratory to produce a multitude of climate realisa-tions, and by that contribute to the understanding ofthe variability and stability properties of the system.It is, in this respect, crucial to evaluate the climatemodels ag…     

乌鲁木齐市近地层风切变指数特征

利用乌鲁木齐市5座100 m气象铁塔2012年6月—2014年4月10层风速观测资料,应用统计学方法详细分析了乌鲁木齐市城区和郊区近地层风切变指数特征,得出以下结果:乌鲁木齐市风切变指数分布范围在-1.5~1.5,基本呈正态分布。风切变指数与风速大小关系密切,当风速1 m/s时,切变指数变化较大;当风速2 m/s时,切变指数变化较小。城区和郊区最大切变指数出现高度差异较大,南郊燕南立交切变指数最大在36~46 m,城区水塔山在60~77m,城区鲤鱼山在13~22 m,近北郊红光山在46~60 m,北郊米东在28~36 m。各层切变指数白天变化幅度大,夜间变化幅度小。切变指数日变化不规律与城市边界层变化的复杂性密切相关。降温幅度大的秋季-冬季时段,易出现切变指数小于0的情况。     

一次大冰雹形成机制的数值模拟

利用可模拟冰雹尺度的三维冰雹分档对流云模式,研究了2014年7月16日北京一次大冰雹的形成过程。此次冰雹天气过程的地面降雹最大尺度为7 cm,对流有效位能为1785.3 J·kg-1,具有上干下湿的大气层结条件。数值模拟的冰雹云顶高度达13 km,与雷达观测比较一致,模拟的最大上升气流达30 m·s-1。由于风切变较大,冰雹云出现明显倾斜垂直结构,使冰雹云持续时间较长。此次大冰雹形成的微物理过程具有明显特点,冰雹云中-35~-10℃层存在含量达12~16 g·kg-1的高过冷雨水累积区,冰雹胚胎主要通过受到冰晶接触扰动的过冷雨滴冻结产生,其产生率量级达10-2 g·kg-1·s-1,冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水,其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。     

Analysis of solitary disturbances over an Antarctic Ice Shelf

Large amplitude, propagating, solitary disturbances have been observed in the atmospheric boundary layer over a gently sloping Antarctic Ice Shelf. The waves are usually trapped within the lowest 40 m and are observed only when the surface layer is strongly stably stratified and prevailing wind speeds are low. It is shown that the waves are trapped due to the combined effects of velocity curvature and stratification. The observed wavelengths can be bounded using simple heuristic arguments based on the Scorer parameter. Properties of the waves are compared with results from the weakly nonlinear numerical model of Rottman and Einaudi (1993).     

边界层Scorer参数对背风波波长的影响

利用一个中层Scorer参数较大,上、下层Scorer参数较小的3层背风波模型,讨论了边界层(下层)Scorer参数对背风波波长的影响。结果表明,当边界层Scorer参数减小时,波长增大,反之波长减小;当中高层的Scorer参数较小时,背风波波长对边界层的Scorer参数敏感。利用该结果结合观测事实分析后发现,由于地表加热的日变化影响了边界层的Scorer参数,故造成了背风波波长在夜间缩短,在午后增加;此外还发现,因夏季的Scorer参数要比冬季小,这可导致波长变化率在夏季比冬季更大。     

三层模式中风场对背风波的影响

为了研究风场对背风波的影响,针对边界层附近为弱稳定层结的背风波,建立了一个三维三层的理论模型和线性计算模式,分析了各层中风速和风向的变化对背风波特征的影响,揭示了气流过孤立山脉产生背风波的有利风场条件。结果表明：背风波的波长、振幅等特征对各层风速和风向的变化具有相当的敏感性,波长随着低、高层风速的增大而增大,随着中层风速的增大先减小后增大;振幅随着低、中层风速的增大先增大后减小,随着高层风速的增大而增大。此外,风速和上下层风向切变的增大均使背风波的形态逐渐由横波型转为辐散型,但是上下层风向的切变对背风波形态的影响比风速更为显著。     

城市建筑布局要素对区域热环境影响的ENVI-met模拟与分析——以南京江北新区部分区域为例

开展城市建筑物方位、高度等建筑布局要素对局地热环境时空变化的影响研究,对于合理的城市规划布局具有重要理论意义与实践参考价值。采用ENVI-met 微气候模式,在南京江北新区顶山街道某区域微气候模拟的基础上,选择一个二类居住用地并设计不同的建筑布局要素作为规划场景,模拟分析了建筑物高度与建筑间距之比（H/W）、建筑布局变化对区域热环境的影响。结果表明:ENVI-met 能够以较高精度模拟2 m高度气温;H/W与建筑布局形式都会影响区域热环境,适当增加H/W可在一定程度上降低夏季气温,H/W为1.4时的热环境更为舒适,而不同建筑布局形式下的不同区域温度差异较大。