建筑物下洗效应的模拟试验分析

按照有建筑物和无建筑物存在两种情况,针对西安市某一污染源使用CALPUFF模式进行了数值模拟试验分析。结果表明：模拟时段,无建筑物存在时近地面污染物小时质量浓度最大值为10．80mg／m^3。而有建筑物存在时近地面污染物小时质量浓度最大值为17．24mg／m^3。有下洗效应与无下洗效应污染物日均质量浓度之比：平均值为5．8,最大达104．2。可见,建筑物的下洗效应对大气污染物的扩散有着十分重要的影响,在实际的大气质量预测评价工作中应充分考虑建筑物下洗效应。     

磨细ＣＦＢＣ粉煤灰的火山灰效应比

将ＣＦＢＣ（循环流化床燃烧技术）粉煤灰按粉磨时间处理成若干个粒度分布不同的试样,然后分别以１５％、３０％及５０％的磨细ＣＦＢＣ粉煤灰取代水泥进行胶砂强度试验,再计算磨细ＣＦＢＣ粉煤灰的火山灰效应比（ＰＥＲ）,利用ＰＥＲ指标分析磨细ＣＦＢＣ粉煤灰对水泥胶砂强度的贡献．结果表明：随着养护时间的延长,磨细ＣＦＢＣ粉煤灰的ＰＥＲ值逐渐增加;随着粉磨时间的延长,磨细ＣＦＢＣ粉煤灰的ＰＥＲ值呈现出先增加后减小的趋势变化;磨细ＣＦＢＣ粉煤灰的ＰＥＲ值主要受其需水量比的影响．磨细ＣＦＢＣ粉煤灰对水泥胶砂强度的贡献随着养护时间的延长而增大,在磨细ＣＦＢＣ粉煤灰的需水量比最小的情况下,其对水泥胶砂强度的贡献最大．     

夏季金塔绿洲冷岛效应的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5对金塔绿洲2003年7月31日～8月2日的观测资料进行了模拟研究，分析了金塔绿洲的温、湿、气压、风场演变。结果表明，绿洲上白天为湿冷中心，气压场表现为低层（850hPa）高压，高层（700hPa）低压。受背景场影响，温、湿、气压中心偏离绿洲中心，风场向背景风的垂直向辐散。但绿洲上的感热和潜热场形状不受背景风场影响，不产生变形、偏离，同绿洲形状重合。     

建筑物分布对市区流场及污染物扩散影响的数值模拟

本文运用已建精细城市PBL模式，用拖曳力法考虑城市建筑物的影响，并以北京前三门地段板房为例，通过8个数值试验具体研究了建筑物对气象场的影响。结果表明：前三门地段板房的有无对风速、湍能和NOx浓度的影响较明显。有板房比没有板房时30m处水平总风速减少0．03～0．10m／s，湍能增大O．02～0．14m^2／s^2。板房对水平总风速的影响大于0．01m／s的范围为：迎风向和背风向约400～500m，侧风向约100～200m；垂直方向的影响高度约为150m。在30m高度附近影响最大。对湍流动能的影响范围与风速的类似。对NOx浓度的影响以地面为最大，其影响程度及影响范围和板房与污染源的相对位置以及板房与周围建筑物的距离有关。总之，在高分辨的边界层模式中，用拖曳力法考虑城市建筑物的影响是可行和必要的。     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

建筑物对城市通风自净能力影响的数值试验

应用城市气候数值模式，分别计算了三栋6层住宅楼和一栋20层住宅楼两类建筑形式影响下的风场，以及在此风场中街道汽车尾气的浓度分布。计算结果表明在总建筑面积基本相同的情况下，高层建筑周围环境的通风自净能力要优于多层建筑。     

建筑物上侧击雷电的三维数值模拟

基于三维近地面闪电先导发展随机模式,通过改变先导初始电位和建筑物几何特性,分析各种情况下的侧击雷电发生概率,探讨侧击雷电产生原因及影响因素。结果发现:建筑物尖端电场畸变值是影响侧击雷电产生的重要参量,当下行先导靠近建筑物且传播位置低于建筑物的高度时,建筑侧面电场畸变值达到触发阈值,侧击雷电易产生;下行先导的初始电位以及建筑物几何特性（高度和宽度）是影响侧击雷电发生概率的重要因素,当下行先导初始电位在-9~-3 MV范围内,侧击雷电发生概率呈先增加后降低的趋势,当初始电位为-4.5 MV时,侧击雷电的发生概率达到峰值;当建筑物高度在50~150 m范围内,侧击雷电发生概率随着高度增加呈先增加后减少的趋势;当建筑物高度为100 m时,侧击雷电发生概率达到峰值;当建筑物宽度在30~70 m范围内,侧击雷电发生概率随建筑物宽度呈递减趋势;当建筑物宽度为30 m时,侧击雷电的发生概率达到峰值。     

金塔绿洲小气候效应的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了夏季金塔绿洲小气候效应特征。绿洲的存在改变了沙漠地区原有的环流结构和湿度分布;绿洲边界层低,沙漠边界层较高,绿洲较低的边界层结构实际上是一个保护层,使得绿洲大气中水分保存在较低边界层中,对绿洲生态系统的发展起到了保护作用;绿洲地区感热通量小,潜热通量大;沙漠地区感热通量大,潜热通量小。通过能量和水分的非均匀分布驱动了绿洲环流,使沙漠区域产生上升气流,绿洲区域产生下沉气流。     

城市建筑物对边界层结构影响的数值试验研究

在区域边界层模式的数值模拟中引入建筑物的影响,与实际观测的对比表明,模拟结果能较好地体现建筑物对城市风场的影响,提高了模拟性能。本研究根据城市形态特征,设计不同建筑物高度和密度的敏感性试验,结果表明:建筑物一般会使城市地区风速减小,风速最大可减小1.6 m/s,易引起低层气流的辐合。湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换加强,大气层结的不稳定性增大,混合层高度增加。地表和大气之间动量交换被削弱;日间热量交换减弱,夜间热量交换增强。这些变化表明,建筑物对城市气流及边界层结构的影响十分明显,尤其在风速较大的时候。     

东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫及其气候效应的数值模拟

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM3,模拟研究3种主要人为排放气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳)对东亚区域气候的影响.计算分析近20 a来3种气溶胶的时空分布、综合辐射强迫作用及其对地面气温和降水的影响.模拟结果表明:3种气溶胶冬夏季分布有所不同,冬季气溶胶大值区主要分布在南方地区,而夏季大值区北移;气溶胶短波辐射强迫在大气层顶和地面均为负值;气溶胶的加入对东亚地区地表气温有明显影响,冬季降温中心位于四川盆地,夏季降温大值区位于华北地区.气溶胶直接气候效应使得冬季东亚大部分地区降水减少,夏季东亚地区降水与中国南方地区夏季气溶胶浓度有较好的相关关系,中国东部雨带有南移趋势.     

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲冷岛效应,模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。     

黄河源区生态环境变化对湖泊效应影响的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF,设计了陆地生态环境好转、维持现状和退化3种情境下的模拟试验,分析了夏季黄河上游鄂陵湖湖泊效应的特征和生态环境变化对该湖泊效应的影响。结果表明,夏季晴天中午至傍晚,鄂陵湖有显著的湖风环流;白天湖面感热和潜热较小,昼(夜)表现出明显的冷(暖)湖效应;湖区低层全天呈现出"湿岛"效应;受湖风作用影响,环湖陆上白天形成"湿墙"和感热高值区;随着陆地生态环境由好转到退化,湖风环流加强,环湖"湿墙"增高,湖陆边界层高度差增大,陆面感热和潜热变化显著大于湖面;陆面边界层中下部的气温和比湿主要受下垫面影响,环境退化后分别升高和减小,而在边界层顶部由于受湖风环流的作用,两者变化趋势与中下部相反。     

高矮建筑物多上行先导连接过程的数值模拟

运用改进后的三维多先导模型, 允许高矮建筑物上均可以始发上行先导, 对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明: 矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小, 高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子, 当建筑物间高度差较小时, 高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显, 下行先导通道的相对位置对矮建筑物是否优先始发上行先导存在影响; 随着建筑物间高度差的增加, 矮建筑物难以优先始发上行先导, 只在下行先导通道明显偏向矮建筑物时, 矮建筑物才可能始发上行先导, 并有一定概率与下行先导连接形成回击; 当建筑物间高度差超过某阈值后, 矮建筑物既不会始发上行先导, 更不会被击中。     

一次台风登陆过程的变分同化模拟试验

本文主要对0509号台风"麦莎"的登陆过程进行模拟试验,把云迹风资料引入三维变分同化系统,分析了同化水汽通道和红外通道的云迹风资料对初始场的影响;利用美国新一代中尺度模式WRF针对台风登陆前后过程做了48 h数值模拟试验,模拟结果表明:引入同化云迹风资料后,对模拟台风登陆前后的路径移向, 降雨分布及强度变化方面,都有一定程度的改善,进而初步探讨了"麦莎"台风陆上长期维持的机制.     

考虑植被效应的二维地气模式及其对半干旱区域气候的模拟

在土壤-植被-大气统一体内,根据能量平衡、水分平衡、大气辐射传输和热传导方程,建立了一个考虑植被作用的二维地气系统动力模式。模式描述了热量和水分随高度和纬度的变化,并针对陕北地理与气候特征,模拟了该地区的气候平均场,为半干旱地区的沙漠化研究提供了模拟方案和初步计算结果。     

水物质辐射效应对卫星观测模拟误差的影响分析

受云和降水影响的卫星资料在数值天气预报中的同化应用,对于进一步改善数值预报效果具有重要的作用,这部分工作的开展要求在快速辐射传输模式中能够较好地考虑各种水物质的辐射效应。使用美国卫星资料同化联合中心新近开发的快速辐射传输模式CRTM,通过中尺度数值模式WRF的预报输出提供其水物质输入,试验分析了快速辐射传输模式中水物质效应对卫星观测模拟计算的影响。在WRF模式预报水物质分布与天气系统配置合理并符合云物理基本特征的基础上,水物质辐射效应的考虑极大地改善了卫星观测模拟的效果。结合卫星各通道探测特性,进一步分析了各种水物质粒子对NOAA16AMSUA／B各通道卫星亮温模拟的影响和物理机理,定量统计了各类水物质对各卫星观测通道亮温计算偏差和水物质对各通道偏差贡献的权重大小。分析结果表明,快速辐射传输模式中水物质效应的考虑为数值天气预报中云雨区卫星资料的同化应用提供了必需的基础条件。     

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。     

利用RAMS模式对山谷城市兰州冬季湖泊效应的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的RAMS中尺度气象模式, 以NECP再分析资料为初、 边值条件, 在兰州城区东面设计了有湖和无湖两个试验, 做了72 h三重嵌套模拟试验, 分别模拟了两种情况下冬季兰州山谷地区的湖泊效应和大气边界层特征。模拟结果表明： （1）白天兰州山谷地区谷风在14：00强度达到最大。加入湖泊后, 14：00湖风强度增大, 湖风对谷风没有明显影响, 只对湖区及岸边附近的风场有影响。兰州山谷地区20：00以后山风开始出现, 到05：00左右北山山风的风速大于南山山风。05：00以后南山山风风速增大, 山谷以偏西风为主。加入湖泊后, 陆风也在夜间02：00左右表现的最为明显, 陆风和山风相互叠加, 导致兰州山谷东部地区西风风速增大; （2）加入湖泊后, 对周围地区气温的影响表现为夜间有增温作用, 增温作用随着离湖泊的距离渐远而减弱。在靠近湖区处夜间的近地面逆温强度减弱; （3）加入湖泊后, 对靠近湖面处空气相对湿度的影响表现为减小, 对靠近湖西岸陆地上近地面空气相对湿度的影响表现为先减小后增加, 这一点在夜间表现的最明显, 对靠近湖面处空气绝对湿度的影响表现为增加; （4）加入湖泊后, 湖区的净辐射和感热通量都减小, 湖的东西两岸的净辐射和感热通量都增大。在22：00到凌晨05：00之间, 靠近湖西岸的陆地上净辐射和感热通量也有所增大。     

南京市灰霾影响因子的数值模拟

利用改进的南京大学空气质量预报系统（NJU-CAQPS）,对2005年1月7日南京典型天气条件形成的污染过程进行了数值模拟,分析了城市人为热源、城市建筑物效应和不同类型人为热源排放对该区域主要污染物分布的贡献及对能见度造成的影响。结果表明,城区日平均能见度最低可达8km以下,一天之中有18h主城区地表能见度低于10km...