北京冬季城市人为水汽排放的定量估算研究

在北京城市气象环境的数值模拟中,人为热的设置是一个难点。人为热包括感热和潜热,人为潜热可以通过计算人为水汽排放获得。本文利用飞机观测资料对北京冬季人为水汽排放进行了定量估算。研究发现,在北京城区下风方向观测到相对周边区域更高的水汽摩尔分数,当观测到城市水汽过量信号时,水汽排放率的估计值在58～9539 kg/s,占城市大气边界层水汽总平流（背景+城市过量）的0.64%到13.12%。城市过量水汽排放的主要来源是天然气燃烧、水冷空调系统、城市交通等人为水汽的排放,中心城区和周边区域融雪率和蒸发率的差异可能也会有一定的贡献,但所占比例较小。     

百米级气象数值模拟研究进展与展望

21世纪开始,随着天气气候模式和超算机计算能力的发展,加之气象精细化预报服务需求日益增长,气象数值模拟迈入“百米级”发展阶段.本文系统回顾并归纳了近20年来百米级气象数值模式研发和模拟应用两方面的研究进展.重点关注百米级大气模式资料同化和浅积云对流、云微物理、边界层和城市陆面等物理参数化方案的研发进展,以及模式对天气系统、边界层特征、降水、雾和城市化效应的模拟研究.基于百米级模式的研发和应用现状,指出该研究领域的五个重点发展方向,包括有限域高分辨率资料同化方法、云和边界层作用反馈、百米级城市陆面模式、人工智能方法对参数化方案的改进、模式分辨率与计算资源的平衡配置,以期为系统开展百米级气象数值模拟研究与应用提供参考.     

北京秋季一次降雪前污染天气的激光雷达观测研究

以2009年11月5~8日北京地区发生的一次特殊天气形势下的重污染天气过程为例,研究分析本次污染特点和大气边界层结构特征以及此天气过程的大气温度和相对湿度结构特点。激光雷达是探测大气边界层及气溶胶的一个高效工具,利用ALS300激光雷达系统测量信号,应用Fernald方法反演大气消光系数,根据反演的气溶胶消光系数的最大突变,即最大递减率的高度来确定大气边界层的高度。利用其观测的退偏比分析大气污染物特性。利用微波辐射计数据,确定大气温度和湿度时空特征。研究结果表明:在本次污染天气下,大气具有很强的逆温结构,逆温最大可达近1 K(100 m)-1,500 m以上的大气相对湿度很低,在这种天气特征下的大气边界层高度在400 m左右,非常稳定。污染结束降雪开始前,大气逆温结构消失,大气湿度大幅度增加,接近饱和。根据lidar(light detection and ranging)退偏比的分析,本次污染天气是一次典型的烟尘类颗粒物的污染,污染具有区域性特点。PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)与AOT(Aerosol Optical Thickness)之间有明显的线性关系,相关系数达到0.72。该lidar系统能够反演出秋季降雪前本次污染天气背景下北京城区上空的大气污染特性和大气边界层高度。     

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13～26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近, 且3层高度上最大感热通量达到200～250 W·m-2。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m·s-1。同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响,320 m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明：1）夏季晴好天气情况下,北京城市下垫面能量输送以感热为主;2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。     

青岛奥帆赛场不同背景条件下的海陆风特征

对青岛奥帆赛竞赛海域不同背景条件下的海陆风进行分析,并用高分辨率数值模式进行了模拟实验。结果发现,不同背景气流,海风的发展状况有很大差异。均压场、西向气流、弱的东向气流都有利于海陆风的发展;南向气流最不利于海风的发展;北向气流虽有利于海陆风发展,但海风强度取决于背景气流强度:气流越弱,海风越强。700～1500m高空为不太强的北风时有利于海风环流的生成;因与补偿回流反向,较强的南风则会严重抑制海风环流的发展。胶州湾和崂山东侧强南风轴会迫使气流在奥帆赛场附近分支而使风速明显减小;太平山、浮山等的阻滞作用也会使该区域气流减速。有利于奥帆赛场海风发展的条件是:(1)晴天,适当的海陆温差;(2)较小的地面气压梯度;(3)700～1500m平均经向风为不太强的北风;(4)地面图上的地转风为非南向等。实践表明:以上分析结果,都对奥帆赛场风的预报有重要的参考意义。     

北京局地暴雨过程中近地层辐合线的形成与作用

由近地面层辐合线（切变线）引发的局地暴雨是北京夏季一种较为常见的天气类型。利用常规气象资料、数值预报产品难以分析预报出引发局地暴雨的中小尺度系统、进而不能正确把握降雨出现的时间、落区和量值的大小。本文利用北京S波段多普勒天气雷达（CINRAD-SA）监测资料、风廓线仪、微波辐射计等新型探测资料,以及北京加密自动站观测资...     

建筑物能量模式的改进及制冷系统人为热排放研究

针对近年来中国城市化进程不断加快,建筑物制冷系统的排热对城市气候的影响越来越大的现状,以2010年8月6 7日北京地区夏季典型晴天为例,开展了对建筑物能量模式(Building Energy M odel,BEM)和制冷系统人为热排放的研究。分析发现不同用途建筑物的用电量日变化特征不同,其与气象因子(主要是气温)之间存在一定的相关性。在此基础上,改进了BEM模式,并对制冷系统(空调)能耗和排热进行了模拟。首先,基于用电量日变化特点模拟不同用途建筑物的排热情况,表明在建筑物空调制冷系统负荷中,窗墙传热占60%以上,人员、设备产热占30%,通风设施传热占5%~6%;其次,对影响建筑物排热量较大的一些参数进行敏感性试验,建筑参数中建筑物高度对排热的影响最大,从18.3 m降低到12 m和6 m,排热量可分别减少24.3%和49.6%,紧随其后的是墙体传热系数和新风系数的影响,而空调设定参数中设定温度从25℃下降1℃,空调制冷系统排热猛增94.4%;最后,根据我国夏季各种类型空调占比情况,计算出空调排热中感热、潜热分别为12.69 W·m-2和45.87 W·m-2(约占22%和78%),为建筑物排热对城市气候影响研究奠定了基础。     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

北京城市化对夏季大气边界层结构及 降水的月平均影响

为克服针对一次或几次天气过程研究城市化对边界层结构及降水影响的局限性,尝试研究北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响,本文首先总结了2006年8月份的主要天气过程,分析了气象站观测的10 m高度风速、2 m高度气温、2 m高度比湿和24 h降水的月平均分布特征,然后利用WRF/Noah/UCM模拟系统,进行了该月30个个例的高分辨率数值模拟及检验分析,并通过多组不同城市化情景的敏感性试验对比分析了城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响.研究表明:本文所用对高分辨率数值模拟结果进行月平均的方法可以较合理地模拟出城市化对大气边界层结构及降水的影响,并再现观测到的各站风频差异.8月份,北京城市化对气温的影响高度白天约为800 m,近地面气温升高1℃以上;夜间约为200 m,对近地面气温的影响达到最大(1.4℃以上).白天,城市化使城市及下风向的一些区域风速略有减小;夜间,城市及周边区域200 m以下风速明显减小,且在100 m左右高度处风速减小最明显,减小达0.8 m/s以上.城市化白天使700 m以下比湿减小,近地面处减小达1.2g/kg以上,夜间使近地面空气比湿略有减小.城市化对城市区域平均降水量的影响随城市发展的不同阶段而不同.初步模拟分析表明, 北京城市化已使上风向区域以及城区三环以内降水量减少,海淀和昌平降水明显增加.     

城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系的研究与应用

实施城市的可持续发展应当首先从城市规划着手,城市大气环境是实现城市可持续发展的重要课题.从规划部门对不同尺度的设计方案进行分析比较、定量评估的需求出发,在高分辨地理信息数据的基础上,建立了城市规划大气环境影响多尺度数值模拟系统,提出了多尺度评估指标体系,构成了城市规划大气环境影响多尺度评估技术体系,并在城市规划编制(北京城市化发展)及奥林匹克公园两种规划方案优选工作中进行了应用.从而在城市规划实施之前对其进行不同尺度大气环境影响的定量评估,为优化城市整体规划和局部布局提供了科学依据.