城市冠层中湍流运动的统计特征

对１９９７ 年夏天和冬天北京湍流运动的各种统计特征量进行了初步的统计分析。结果表明,城市冠层中湍流运动的各种统计特征量与平坦下垫面条件下边界层湍流运动的相比, 有不同的地方也有相似的地方; 无论白天还是夜晚, 垂直方向的湍流强度和湍流脉动风速标准差均小于水平方向的, 水平方向的相应湍流特征量则总是接近相等; 城市冠层中湍流脉动强度和标准差几乎均大于平坦下垫面边界层的; 平均风速ｕ≥１ ｍ ／ｓ 时的湍流统计特征量与ｕ＜ １ ｍ ／ｓ 时的有所不同; 城市冠层的阻力系数较大, 可达００６２５,Ｐａｎｏｆｓｋｙ 等提出的公式σｗ ／ｕ＊ ＝ １３ （１－ ３ｚ／Ｌ）１／３在城市冠层中并不适用。     

大气污染预测的理论和方法研究进展

介绍中国科学院 “九五”重大科研项目 “大气污染预测的理论和方法研究”的研究意义、目标和具体的研究内容, 同时对已取得的重要研究进展和阶段性成果作简要介绍     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究Ⅰ.平均场特征

利用"中国科学探险协会2002年北极科学探险考察"期间,在斯瓦尔巴德地区政府所在地朗伊尔宾城架设的两个自动气象站记录的气象资料,分析了该地区气象要素平均值的日变化,给出了这一极端环境区夏季近地层气象要素的基本物理图像:太阳辐射、大气温度、地表温度和大气湿度等气象要素的日变化都呈单峰分布;地气温差因地而异,不同下垫面类型大气能量的源汇不同;局地环流多种多样,冰川风、海陆风、山谷风相互叠加,主导风向各地不一.     

基于Weierstrass-Mandelbrot函数的分形风速脉动仿真

实际风速脉动普遍具有自相似分形特征,而传统的谐波合成法和线性滤波法仿真的风速脉动均不具有自相似分形特征.因此,基于随机型Weierstrass-Mandelbrot函数,设计了一种能够仿真自相似风速脉动的方案.其中,表征风速脉动自相似特征的重要参数分形维度可与湍流惯性区能谱的幂指数建立联系.将该方案仿真的风速脉动与实际风速脉动一些重要的统计特征,如功率谱和概率密度函数等,进行了比较,结果表明提出的新方案能有效仿真风速脉动的中高频变化及其概率分布特征.     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。     

FLUENT在复杂地形风场精细模拟中的应用研究

尝试将计算流体力学软件FLUENT用于复杂地形风场的精细模拟研究,进行的一系列数值模拟试验表明:由于采用了中尺度模式较少采用的计算机辅助建模、非结构化网格和有限体积法等技术,FLUENT可以实现复杂地形乃至极度陡峭地形上的风场模拟,完成普通中尺度模式难以完成的任务。相比于普通中尺度模式,FLUENT可以更为精确地描述下垫面的复杂地形特征,因而能够在小尺度范围内得到分辨率更高、且更为准确的复杂地形上的近地层风场模拟结果。     

城市边界层动量和保守物通量的特征

利用2005年1-5月北京325 m气象塔47 m高度的湍流脉动资料(风速、温度、水汽和CO2),对城市边界层冠层内的湍流运动统计特征(相似关系、高阶矩、通量和谱等)进行了分析。其中,谱分析的结果表明,城市冠层内稳定度对湍流谱的影响比较小,而水平风速的影响比较大。因此,速度和温度的相似关系在夜间稳定条件下也成立。但是,由于水汽和CO2还受其他因素的影响,相似关系并不适用。更高阶矩的研究表明它们的陡峭度与偏斜度之间存在平方关系。而水汽和CO2之间也存在差异,它们的通量日变化特征明显不同,CO2通量的日变化更能体现人类活动的影响。同时,感热通量、潜热通量和CO2通量存在季节变化,尤其是潜热通量季节差异很大。     

大气边界层中沙粒悬移运动的数值模拟

将双时间法和k-ε湍流闭合模型应用于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了沙地、沙丘流场.在此基础上,应用梯度输送理论求解平流扩散方程,模拟了平坦沙地、单个沙丘和连续沙丘周围沙粒的悬移.结果表明:1)来流的风速度足够大,使得地面摩擦速度大于起沙的临界速度,这是沙粒发生悬移的必要条件.但是光有足够的风速还是不够的,要使卷入空中的沙粒能在较大的高度范围内扩散,流场中必须存在一定强度的抬升气流.比较剧烈的地形起伏容易造成流动的不稳定;2)只有流场中存在抬升气流,才会使沙粒扩散到较高的高度;3)平坦地形时气流偏折主要是压力梯度的作用;而在沙丘起伏的表面,气流偏折受沙丘地形的影响很大.     

大气边界层阵风扬尘机理

东亚春季冷锋后的强风及其伴随的系统下沉气流和叠加其上的阵风,都对当地起沙十分有利.但此系统的下沉气流却压制着沙尘,使之不能上扬到大气边界层内.经过仔细计算和分析发现,正是阵风的三维相干结构,使得积聚在风沙边界层的沙尘可以持续地克服系统的下沉气流,而不断上扬到大气边界层的中上层.再藉中上层和其上系统的上升气流,将沙尘带到对流层,扩散到更大范围和传送到远方.这是东亚春季强风起沙扬尘最常见和最有效的机理.     

地气通量中存贮和平流项计算方案的探讨

从物质收支方程出发,推导了一个包含物质存贮、水平平流输送、垂直对流输送以及传统的涡度相关项的地气通量计算方程。平流项本质上是地表非均匀性的结果,不同下垫面的感热和潜热通量也不同,将会产生中尺度环流,使得辐合辐散过程得以维持,从而将体元内的物质输送到体元以外,因此可以通过计算水汽和感热的存贮,间接求出物质的水平平流输送。量纲分析和实际的资料应用都表明,存贮和平流的通量贡献是非常小的。尤其是在均匀下垫面下,方程中的存贮和平流项的通量贡献可以忽略,因此估算地气通量时仅需考虑涡度相关项和Webb修正项即可。而在非均匀下垫面下,在1 d以上的时间尺度上,为方便计算,可以忽略存贮和平流的通量贡献;而在小时这样的时间尺度上,从物质能量收支守恒的角度考虑,估算地气通量需要包括存贮和平流的通量贡献。