Simulating urban flow and dispersion in Beijing by coupling a CFD model with the WRF model

The airflow and dispersion of a pollutant in a complex urban area of Beijing, China, were numerically examined by coupling a Computational Fluid Dynamics （CFD） model with a mesoscale weather model. The models used were Open Source Field Operation and Manipulation （OpenFOAM） software package and Weather Research and Forecasting （WRF） model. OpenFOAM was firstly validated against wind-tunnel experiment data. Then, the WRF model was integrated for 42 h starting from 0800 LST 08 September 2009, and the coupled model was used to compute the flow fields at 1000 LST and 1400 LST 09 September 2009. During the WRF-simulated period, a high pressure system was dominant over the Beijing area. The WRF-simulated local circulations were characterized by mountain valley winds, which matched well with observations. Results from the coupled model simulation demonstrated that the airflows around actual buildings were quite different from the ambient wind on the boundary provided by the WRF model, and the pollutant dispersion pattern was complicated under the influence of buildings. A higher concentration level of the pollutant near the surface was found in both the step-down and step-up notches, but the reason for this higher level in each configurations was different： in the former, it was caused by weaker vertical flow, while in the latter it was caused by a downward-shifted vortex. Overall, the results of this study suggest that the coupled WRF-OpenFOAM model is an important tool that can be used for studying and predicting urban flow and dispersions in densely built-up areas.     

北京市强降雨分区及重现期研究

利用北京观象台1841—2008年年降水量资料及近50年北京市20个气象站和82个雨量站资料分析了北京地区降水量的时间和空间变化规律,对北京地区的降雨进行分区研究,并结合观象台站逐分钟降雨资料应用广义偏态分布（GPD）方法分析了北京地区不同历时降雨量重现期。结果表明：近168年来,北京地区有两个多雨时段和两个少雨时段,目前北京处于20世纪90年代至今的少雨时段内。70至80年代,北京地区强降雨主要为全市区域性降雨,90年代之后北京的短历时强降雨呈现出局地性的特征,降水分布不均,强降水中心大致成东北一西南向带状分布。根据北京市降雨EOF分析,将北京市划分为4个降雨分区,分别是山后区、城市中心区、东北部山区和东南部平原区。其中城区代表站观象台站多个历时不同重现期降雨量分析结果经过与现行排水规范对比表明,重现期模拟结果可靠。     

中国地区高空气象探测气球空间漂移分析

利用中国120个探空站2004年08时所有探空气球漂移信息,结合NCEP再分析场,分析规定等压面上的时空漂移规律,重点选择100、500与925 hPa等压面,采用1、4、7、10月分别代表冬季、春季、夏季、秋季4个季节。初步分析表明;气球的漂移方向主要是受大气环流影响,不同季节中国受不同的系统影响,导致漂移的方向差异明显,夏季以西南漂移为主,冬季、春季与秋季以西北漂移为主,但是在100 hPa以上4个季节均以西南漂移为主,以冬季的漂移距离最大,漂移距离超过120km,夏季最小,约为40 km,春、秋季次之,接近70 km。漂移距离的差异东部比西部显著;沿经圈漂移以向南为主,冬、春与秋季沿经圈漂移以向南为主,春季漂移最大,超过5 km;冬、秋季节漂移距离分别超过3与2 km,夏季沿经圈漂移受大尺度环流影响,200 hPa以下向北漂移,最远漂移超过1 km,200 hPa以上转向南漂移,最远漂移达3 km;沿纬圈以向东为主,以冬季最大,达77 km,夏季最小,接近13 km,春、秋季次之,分别达49和46 km;沿纬圈漂移量要大于沿经圈漂移量,沿纬圈漂移全年平均接近60 km,沿经圈漂移量全年平均接近3.5 km,有量级上的差别;从低层到高层漂移量呈增大趋势,漂移大的范围随高度往西扩张;探空漂移的整体分布范围较大,并且比较均匀。同时还选取了个例分析低空急流条件下探空漂移,结果显示对于中小尺度天气系统不可忽略。     

网上雷达回波经纬度定位系统的设计与建立

基于气象业务的需要,开发了网上雷达回波经纬度定位系统。该系统能够依托于网上雷达图像进行回波的定位,包括回波高度,回波相对雷达站的距离、方位角,相对炮点的距离、方位角、作业时的仰角。可以为人影作业时作业时机、打炮方向及仰角提供更精确信息,减少盲目性,提高增雨(防雹)作业效率。该系统用Visual C 编程,界面友好、直观,操作方便、快捷,具有很强的实用性。     

The Impacts of Optical Properties on Radiative Forcing Due to Dust Aerosol

There are large uncertainties in the quantitative assessment of radiative effects due to atmospheric dust aerosol. The optical properties contribute much to those uncertainties. The authors perform several sensitivity experiments to estimate the impacts of optical characteristics on regional radiative forcing in this paper. The experiments involve in refractive indices, single scattering aibedo, asymmetry factor and optical depth. An updated dataset of refractive indices representing East Asian dust and the one recommended by the World Meteorology Organization （WMO） are contrastively analyzed and used. A radiative transfer code for solar and thermal infrared radiation with detailed aerosol parameterization is employed. The strongest emphasis is on the refractive indices since other optical parameters strongly depend on it, and the authors found a strong sensitivity of radiative forcing on refractive indices. Studies show stronger scattering, weaker absorption and forward scattering of the East Asian dust particles at solar wavelengths, which leads to higher negative forcing, lower positive forcing and bigger net forcing at the top of the atmosphere （TOA） than that of the WMO dust model. It is also found that the TOA forcings resulting from these two dust models have opposite signs in certain regions, which implies the importance of accurate measurements of optical properties in the quantitative estimation of radiative forcing.     

城市中水体的微气候效应研究

应用观测资料分析和数值模拟的方法来研究城市中水体的微气候效应, 结果表明, 城市中的水体对其周边的小气候有着明显的调节作用。城市中商业区温度最高、湿度最小; 交通区次之; 水体附近温度最低、湿度最大, 平均湿度比商业区高出约10%。水体区的月平均温度日较差比其他功能区明显大。水体区的月平均温度比其他功能区低0.37～1.15℃。水体对环境的影响主要发生在上风岸2 km以内和下风岸9 km以内, 以2.5 km以内最为明显。水体的面积和布局是影响小气候效应的重要因素。水体面积越大对环境影响越大, 单块的小于0.25 km2的水体对环境的影响不明显, 但是多块、密集分布的小面积水体会对环境的降温增湿效果更显著。在本文个例中, 与其他湖泊邻近的面积为1.25 km2的水体, 可以使2.5 km之内温差达到0.2～1.0℃, 水汽比湿增加0.1～0.7 g/kg。相对孤立的面积为2 km2的水体, 可以使1.0 km范围内降温幅度0.6℃, 水汽比湿增加0.1～0.4 g/kg。水体可以使地面风速增加, 一般能使风速增加0.1～0.2 m/s。     

城市化对北京地区气候的影响

利用北京地区20个气象站36年(1970—2005年)的逐日雨量、平均风速和冬季08时平均温度资料,对北京城市化进程中城市气候变化趋势进行了分析。结果表明,(1)36年来热岛效应呈现强度逐渐增强、面积逐渐增大、由单一向多个热岛中心演变的趋势,2000—2005年热岛强度最大达2.11℃,城区冬季的平均增温率为0.298℃/10a。(2)城市化发展使得北京地区降水量呈现不均匀分布态势。20世纪70年代城市西部降水较多,东南部降水少;80年代整个城区处于少雨区;90年代城市西部、南部降水少,东北部是大雨量区。2000年以后降水较少区域自城区逐渐朝东南方向扩展。(3)不断增高、密度不断加大的建筑物对气流的阻滞作用使得城区平均风速呈减少趋势,城区的平均风速70年代是2.49 m.s-1,80年代是2.32 m.s-1,90年代是2.16 m.s-1,2000—2005年是2.28 m.s-1,平均风速递减率为0.05 m.s-1.(10a)-1。(4)人口密度的对数与气温呈线性相关,相关系数为0.65;城区面积与温度呈线性相关,相关系数为0.6387。     

黄河上游河曲地区对流云催化增雨的数值模拟研究

应用中国科学院大气物理研究所开发的三维对流云模式,对青藏高原河曲地区强对流云的催化增雨效果及催化云的动力特征、微物理机制进行了模拟研究.模拟结果显示:黄河上游河曲地区的对流云具备一定的催化潜力.如果催化时机、部位选择适当,降水总量增加有望达到30%～50%,催化所产生的动力效果比较显著.催化剂的加入使得云中凝华潜热释放量增加,上升气流加强,云顶升高,云水平尺度也有所加大,地面降水区域扩大,降水时间延长.由于云中冰晶大量生成,导致过冷云水、雨水减少,暖雨过程迅速减弱,云中霰和冻滴量增多,其融化过程加强引起的降水增加远远超过了暖雨量的减少,总的增雨效果比较显著.敏感性实验表明,催化高度对增雨效果的影响最为显著,高于某一催化高度,有可能产生增雨防雹的好效果;低于某一催化高度,则会在防雹的同时使地面降水减少.对流云早期催化的增雨效果较好.一定范围内催化剂量的变化对增雨量影响不大,小剂量催化也有可能达到较好的增雨效果.     

兰州市新区规划气候条件评估分析

利用1978-2007年兰州市永登县气象站观测资料及周围部分区域观测站资料,对兰州新区各项气象要素进行了分析,并采用RAMS模式,模拟了兰州地区在不同气象扩散条件(有利于扩散、一般扩散条件及不利于扩散)天气背景情况下的污染情况.结果表明,兰州污染最严重的地区在西固区,兰州西部的红古区和北部的中川、皋兰是污染较轻的地区,而位于南部的榆中则易受污染物的影响.利用HYSPLIYT模型,对各代表点采用相同的污染源,分析了由于气象条件不同造成的各代表点污染扩散的差异,在轻重两种典型的污染天气背景条件下确定了各代表点在24 h内的大气扩散能力与污染气团传输路线,发现兰州北部的大气扩散能力好于南部,西部好于东部,因此兰州老城区不宜规划污染企业;而位于兰州新区永登县秦川镇附近区域较位于皋兰县西岔镇附近区域更适于规划重工业企业.     

对LASG-REM模式的改进及云雨数值试验

改进中尺度动力预报模式中较为简单的云雨过程处理方案,用预报方程对大尺度(即网格尺度)的水汽、云水和雨水作显式求解,对次网格尺度的积云对流进行参数化处理,并以1998年7月21日00时(UTC)的欧亚探空资料和地面资料为初始场,对武汉地区的暴雨过程进行数值试验。结果表明,改进后的LASG—REM模式对降水有很好的模拟能力,能够模拟出空中云水、雨水的分布特征。