城市规划对大气环境变化及空气质量的影响

采用北京大学三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图和"北京海淀区北部地区总体规划--用地规划图",分别模拟了北京海淀区北部规划完成后和目前情况下的气象场和大气环境,并分析了规划区的建成对本地和整个海淀区的影响.通过将观测的直径小于10 μm的粒子即PM10总量加权分配得到源强分布,计算海淀区的PM10浓度分布,在目前源强分布调查很困难的情况下不失为一种较为合理可行的方法.试验表明规划区的建成会增加当地和其下风方向的热岛强度和PM10浓度.对规划区进行较为合理的布局,如相对增加树木减少建筑物的面积将会缓和上述影响.     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

近30年北京夏季降水演变的城郊对比

利用1975～2004年北京13个站的夏季降水资料,对30年来北京城区与郊区降水的时空变化趋势进行了对比分析,得出以下主要结论： 1）无论是城区站还是郊区站,北京的夏季降水量均呈明显下降趋势,且城区站的夏季降水量总体上要小于郊区站。2）从大兴、海淀和昌平3站夏季降水量的时间变化特征来看,位于城区盛行风向下风向的昌平下降趋势最不明显,在一定程度上表征了城市化对北京夏季降水的影响。3）地形仍然是决定北京地区降水分布的主导因素,但降水高值区存在向西南城区方向延伸或移动的趋势,而城市化可能是造成这种变化的一个原因。     

北京城市化发展对大气边界层特性的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京325 m气象塔1993年～2003年夏季 (7月～9月) 的观测资料, 统计分析了各年的风速与温度廓线分布特征。统计分析结果表明, 随着城市化的发展, 相对风速有逐年减小的趋势, 并且越靠近地面, 相对风速的减小越明显, 这反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用。对风速廓线进行线性拟合得到风速随高度的垂直递增率, 发现无论是100 m以下的近地面层还是较高层, 风速的垂直递增率都随城市化发展存在逐年增大的趋势, 表明粗糙下垫面的影响已经向高层扩展。根据温度廓线计算了各年的温度垂直递减率, 发现其有增大的趋势, 这表明城市化发展对边界层热力结构同样有显著影响。本文还依据统计整理得到的近中性层结下的风速廓线资料, 利用莫宁-奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数, 结果表明, 地表粗糙度、 零平面位移随着城市化发展皆有明显增加的趋势。同时, 分析了各空气动力学参数与平均风速及无量纲风速的关系。其中, 摩擦速度和平均风速二者基本成正相关, 且摩擦速度随平均风速的增大而增大的趋势越发明显。本文研究结果对研究城市化发展对区域大气边界层结构、 气候和环境影响有参考意义, 可为城市大气边界层模式和区域气候模式提供参数化依据。     

用伴随方法求解多个工业污染源优化布局问题

发展了一种伴随方法, 引入罚函数来处理环境约束不等式, 构造优化问题的Lagrange函数, 从理论上推导了伴随方程和目标函数梯度公式. 通过求解伴随方程得到目标函数的梯度, 利用梯度信息使得目标函数下降, 用迭代的方法逼近最优解. 用二维的简化模式进行了数值试验, 结果验证了理论的正确性. 该方法收敛速度快, 效率高, 与空气质量数值模式和计算机技术的飞速发展相适应, 为工业规划和污染防治提供了有力的研究工具.     

气象卫星观测资料的分析在城市区域气象环境研究中的应用

目前 ,我国气象部门相当普遍地拥有气象卫星观测资料 ,但是 ,这些资料如何在城市气象服务以及为城市建设规划等方面的决策研究中发挥作用 ,急待进一步研究并开展工作。本文试图通过合理的反演处理 ,给出卫星观测对地面温度的测量结果 ,由此可比较细致地分析了解地面热状况及其与土地利用类型 ,地面覆盖性质等的关系。本文利用有限的 NOAA- AVHRR气象卫星遥感资料 ,采用修正的 Ulivieri分裂窗方法反演出同期的地表温度场 ,通过对北京地区的卫星观测资料进行算例分析 ,揭示出一个 2 0 0 km× 2 0 0 km范围内的地面温度分布特征。反演结果可以明显地揭示出城市热岛现象的变化规律 ,并且能较为清楚地反映出相对的高温区和低温区     

地面粗糙度分市跃变对边界层影响的数值研究

本文在定常和中性层结条件下,利用有限元方法研究了下垫面粗糙度分布有阶跃变化的边界层问题。得到平均风场、气压变化以及湍流交换系数的主要分布特征,模拟出内边界层的发展规律。并将有关结果与观测事实作了比较。     

格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用

文章的目的是对格子玻尔兹曼方法进行系统的介绍，格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method)的出现直接来源于20世纪60年代的元胞自动机(Cellular Automata)思想，而这一方法用于解决流动现象时，又可以追溯到19世纪的分子运动论，求解的是Boltzmann提出的玻尔兹曼输运方程，因此将这一方法称为格子玻尔兹曼方法，之前也被称为格子气自动机(Lattice Gas Automaton)。该方法多用于研究复杂现象，如材料晶体凝聚时的生长过程、城市土地利用的演化等方面。在20世纪70年代由Hardy、Pomeau和Pazzis建立了第一个用于研究流体运动的格子气自动机，此后，这一方法被广泛用来模拟各种流动问题，诸如二相流、孔隙介质中的渗流等，并根据这一方法开发了相应的商业软件PowerFlow。同时，格子玻尔兹曼方法由于其在微观水平描述运动的特点，成为研究湍流的一个很好的数值计算工具，特别是用其进行直接数值模拟(DNS)计算，成为继传统的差分法、有限体积法和谱方法之后的又一有力的手段。而作为大气运动的一个主要现象的大气湍流，比普通湍流更加复杂，在这里着重介绍了大气湍流的特点和应用格子玻尔兹曼方法模拟湍流的发展过程。     

不稳定边界层下地形重力内波

水槽实验及线性理论研究表明,当低层大气处于近中性或不稳定时,如果地形引起的动力扰动足够强,地形扰动可在上部稳定层结中激发出重力内波,波动反过来影响低层流场,引起动量输送。低层大气处于近中性或不稳定时,地形波同样对大气运动可产生波阻,这应引起模式工作者的重视。最后讨论了大气粘性对中性或不稳定层结下地形波的影响。     

由地基遥感资料确定大气边界层特征

中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室拥有用于边界层垂直结构探测的相控阵声雷达（PA2）、低层大气廓线仪（LAP-3000）以及无线电声雷达（RASS）。本文研究如何利用这些设备获取的遥感观测资料,确定边界层湍流热通量的垂直分布、地面热通量以及边界层高度等问题。