城市化对珠三角地区气温及日较差的可能影响

利用珠三角地区27个国家基本、基准气象站近50年(1963—2012年)的实际观测资料,结合地理信息系统数据分析了珠三角地区平均气温,平均最高和最低气温的年、季节及日较差的变化趋势以及城市化影响。分析表明:近50年珠三角地区年平均气温、平均最高和最低气温均呈现增加的趋势,日较差除从化、增城、珠海和上川岛呈现弱的正趋势外,其余地区呈现下降趋势。城市化对广州、佛山、惠州年平均气温和平均最低气温的影响均为正值,对日较差的贡献率均为负值,日较差的减小是由城市化造成的,就季节变化而言,城市化影响以秋季最大。改革开放后(1979—2012年)平均气温、平均最高和最低气温强增温区域比近50年范围扩大、强度增加,年平均最高气温增温明显,日较差的正值区域比近50年范围扩大、强度增加,主要出现在珠三角北部一带,高值中心达到0.25℃·(10 a)~(-1)。就城市化而言,广州平均气温、平均最高和最低气温的城市化影响比近50年都有所降低,而佛山、惠州的平均气温、平均最低气温城市化影响均增大。     

特大城市外洪内涝灾害链联防联控关键科学技术问题

近年来,特大城市极端暴雨内涝和流域洪水叠加导致的洪涝灾害风险呈增加趋势,造成了重大人员伤亡和财产损失,亟待开展流域洪水和城市内涝灾害链联防联控研究。融合气象科学、水文科学、信息科学、防灾减灾科学等多学科理论与方法,重点解决城市外洪内涝组合致灾机理与灾害链风险传递规律关键科学问题;突破流域-城市一体化协同监测与早期风险感知技术、城市外洪内涝链生灾害智能预警与定向发布技术、跨尺度洪涝耦合模拟与联合防控场景推演技术、城市洪涝联防联控应急预案编制与智能化决策技术等4项关键技术。构建以空天地气象水文协同观测、社会经济多源信息汇聚分析、灾害动力模型推演为基础的联防联控应急指挥决策业务系统,突出实时性、动态化、精准性和智能化,支撑特大城市外洪内涝全过程预报、预警、预演、预案“四预”业务实践。     

大空间建筑物室内气流的大涡模拟

利用大涡模式对大空间建筑物室内气流进行模拟研究,并取得了良好的效果。模拟的内容包括:(1)在机械通风情况下,当存储货物的仓库发生火灾时,将会改变室内的温度场和流场的分布;(2)在自然通风情况下,简单方形钝体建筑物以及大型体育馆室内的流场状况。对以上模拟结果的分析表明,发生火灾时,室内流场主要是由热力作用支配,通风口的位置、通风气流的热力性质、室内物品的堆放方式以及室内物品的热力属性都会在很大程度上影响室内的流场和温度场。在自然通风情况下,室外的气流状况和通风口的位置对室内的气流都有很大的影响,室外的风速大小和风向分别对室内风速的大小和流场分布有重要影响,而通风口的位置主要影响室内气流分布状况。由于决定室内气流的因素很多,所以像体育馆这种对室内气流和空气质量要求比较高的建筑物,要评价以及设计其通风效果及室内空气品质必须针对具体情况从多个方面作具体分析。     

北京雾和霾临界气象条件的气候变化特征

近年来北京市频繁遭受雾和霾天气的影响,表现为天数增多、持续时间增长的特点,这一变化越来越受到专家学者的重视。气象条件是雾和霾污染形成的客观因素。利用北京市观象台多年雾和霾天气(2013-2015年)和气象要素(1961-2015年)观测资料,从气候变化角度出发,研究雾和霾临界气象条件的气候变化特征。研究结果表明:对雾和霾的形成有促进作用的临界气象条件是日平均风速≤1.9 m/s,日相对湿度≥76%,偏南方向的风向;对雾和霾的形成有抑制作用的临界气象条件是日平均风速≥2.6 m/s,日相对湿度≤69%,日降水量≥0.5mm。1961-2015年北京市观象台低风速日数呈增加趋势,且多为西南方向,高风速日数呈减小趋势,污染物清除能力下降,对污染物的累积起关键性作用;相对湿度较高的日数呈减小趋势,相对湿度较低的日数呈增加趋势;日降水量较大的日数呈下降趋势。三种气象条件中相对湿度条件随年代的变化有利于雾和霾的消散,而风速风向和降水量条件随年代的变化不利于雾和霾的扩散和沉降。但有研究表明,在雾和霾污染的形成消散过程中,风速条件起决定性作用,故北京地区较低风速日数的增加是导致大气污染的重要原因。此外,不利的风向条件加重了北京地区污染物的积累聚集。     

北京城镇规划对气象条件影响的定量分析

针对北京地区城镇化快速发展带来的气象环境问题,选取夏季晴天典型个例,采用数值模拟的方法,研究了2004—2020年北京城市总体规划方案中新城建设、绿地增加和水体恢复的环境效应。结果表明:规划对夏季六环内高温、小风、低湿的气象环境有所改善。其中,城镇用地增长地区,气温增幅达1~2℃,夜晚最大;风速和比湿的降幅分别在0.2~1 m·s~(-1)、0.2~1 g·kg~(-1)之间,白天降幅最大;在城镇扩张周边地区,气温的受影响范围最大,白天可达城镇增长面积的3倍,增幅在0.2~1℃;风速和比湿的降幅影响范围都在城镇增长面积的0.3~0.5倍之间,且晚上风速影响范围广,比湿白天影响幅度和范围大。以亦庄为例,基于地理信息系统的精细分析表明,城镇用地增长率与气温增幅、风速降幅和比湿降幅都成线性正相关关系。当城镇用地增长率达到15%~30%时,气象要素的变化幅度会急剧加大。因此,初步建议在城镇规划中将建设用地的增长率控制在20%以内,将用地扩张对局地气象环境造成的不良影响降到最低。     

适用于温度和气压秒级数据的质量检查方法初探

利用自动气象站秒级观测数据, 应用一种基于百分位阈值法的界限值检查算法, 对温度、气压2种秒级数据进行了界限值检查试验。结果表明: 针对试验站温度、气压秒级数据进行质量检查, 采用百分位(p=99.9%和p=0.1%)阈值法的检查效率较高, 且具有误判率较低的特点。采用6种百分位阈值法系数组合方案以及2种标准差法进行检查试验, 其中有3种方案的“标记”率低于给定的统计预期值, 误检率较低, 检查结果较好, 检查出的“标记”数据分别为33个、3个和0个, 标记率分别为0.076%、0.007%和0.000%。综合分析, 以1 min滑动窗口结合30 min时间区间系数组合方案的百分位阈值法检查效率最优, 具有“标记”数据少, 误判率低, 且计算机运算负荷小的特点。对连续30 d的温度和气压秒级数据运用该算法检查, 结果均较好。对人工构造的错误数据, 能准确检出。该质量检查算法可应用到无长年代历史观测资料的气象站、缺少临近站对比的气象站以及新建气象站使用, 对于地处偏远、条件恶劣的气象站也同样适用。     

1961—2019年河南秋季连阴雨天气气候特征分析

利用河南省103个地面气象站1961-2019年逐日资料,采用滑动平均、小波分析、EOF分解等方法分析了河南区域性秋季连阴雨降水的时空分布特征,采用自组织神经网络方法(SOM)对河南区域性秋季连阴雨环流进行客观分型。结果表明：河南区域性秋季连阴雨以7-9 d的过程居多,其次为10 d以上过程。20世纪60年代和80年代是河南区域性秋季连阴雨多发期,90年代为连阴雨少发期,70年代和21世纪10年代发生次数与近59 a年均频次基本持平,21世纪10年代河南区域性秋季连阴雨比其他年代强,20世纪90年代强度最弱。20世纪70年代区域性秋季连阴雨年平均过程降水量存在准5 a周期,21世纪00年代前半期及10年代区域性秋季连阴雨年平均过程降水量存在2-3 a周期。近59 a河南区域性秋季连阴雨平均降水量分布上,黄河以南地区比黄河以北地区降水多,山区比平原地区多,降水大值区与山区分布基本一致。河南区域性秋季连阴雨降水空间分布型上,最主要的特征是全省一致变化型,其次是南北反相型。SOM方法不仅可以区分出环流形态上的差别,还可以区分出环流型的发生时间和连阴雨期间环流的阶段性演变特征。SOM分型得到8类区域性连阴雨环流型,从天气学意义上可归结为阻塞型、低槽型和平直环流型。大部分河南区域性秋季连阴雨过程为2到3种环流型的组合,不同环流型之间存在转换关系。     

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。     

城市应急服务气象数值模拟系统的建立与应用

针对城市应急需求,建立了突发公共事件应急气象数值模拟系统。该系统主要包含两个模型：①以中尺度数值模式MM5和区域大气模拟系统RAMS 60为核心的快速污染扩散数值预报模型,该模型具有精细准确、可预测性的优点,应急人员在接到命令后15 min内可完成事发后1 h的气体扩散应急产品的制作;②以街区模式和高斯模式为核心的快速应急气象服务软件,它具有操作简洁、安装方便、产品输出快速直观的优点,能够在2～3 min内完成事发地点应急产品制作。通过一年的日常城市应急演习及奥运会、残奥会的应用证明,该服务系统较好的满足了应急指挥时效性、服务性的需求,为北京城市应急指挥人员现场处置提供即时科学依据。