巨凝结核对冰雹云降水结构影响的数值模拟研究

利用RAMS数值模式,研究了巨凝结核数浓度改变对半干旱地区春季冰雹云降水特征的影响,研究显示巨核浓度改变对冰雹云中微物理过程及地面降水都有重要影响.累积带对冰雹生成有重要贡献.巨核数浓度增加时,冰雹云中冰雹混合比含量及其云中水平覆盖面积增加;云中过冷雨水和大云滴生成的过冷云水增加,冻结作用增强;地面降雨量增加但降雹量减少;总的地面累积降水量增加但累积冰相降水量减小.对降水的作用在污染云中要比清洁云中明显.地面流场分布随着巨核数浓度的改变而不同.在不同背景气溶胶下,春季冰雹云的判别指标不同于夏季冰雹云.     

人为热源对城市边界层结构影响的数值模拟研究

用南京大学多尺度模式系统在不同区域进行了多种人为热源引入方案的研究,结果表明：考虑时空变化的人为热源按比例分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程是将人为热源引入模式的最优方案.人为热通量密度变化的敏感性试验结果发现：人为热源的存在对城市热岛的生成有重要作用.计算结果表明,南京现有的人为热源排放量对该地区的城市热岛贡献率约为29.6％,若人为热通量密度在现有量值的基础上增大1倍,则其热岛贡献率可达42.9％;此外,人为热的排放对清晨城市边界层逆温结构有一定程度的破坏作用,能明显升高夜间近地层气温达0.5～1.0℃,并能使白天湍流活动的影响范围增大,混合层高度抬高,使夜间城市热岛环流的影响范围扩大.     

气溶胶辐射效应对城市边界层影响的数值模拟研究

近年来,伴随污染和城市化进程的加剧,气溶胶辐射效应对城市边界层的影响日益显著.文章以北京地区一次冬季污染过程为例,采用中尺度数值预报模式,在优化辐射方案中气溶胶垂直廓线的基础上验证了模式的有效性,分析了气溶胶对辐射和边界层的影响过程,最后通过敏感性试验探究了气溶胶、城市化和气象要素间的相互关系.结果表明:(1)优化后的模式可以较好地模拟北京地区温度场、湿度场、风场的分布特征.(2)气溶胶在大气中通过削减到达地面的入射短波辐射使地表温度降低,通过对辐射的吸收或后向散射作用,使高层温度升高,温度场的变化使层结稳定性增强,从而减少近地层的能量输送,使边界层高度下降.(3)随着气溶胶光学厚度的增加,乡村地区最易变为稳定层结,郊区较易变为稳定层结,城区最难变为稳定层结,且气溶胶辐射效应、城市下垫面以及二者的共同作用是影响城市边界层气象要素变化的主要原因.     

城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响

根据北京地区城市化程度将城市化进程分成两个时期: 即以1980年为分界点, 将1961~1980年划分为城市化慢速期, 1981~2000年为城市化快速期. 利用北京地区14个标准气象站40 a的降水量资料. 研究了城市化进程对北京地区降水分布的影响. 结果表明: 北京地区冬季降水分布发生了显著的、系统性的变化; 城市化缓慢期, 北京地区南部为降水相对较多地区, 北部为降水相对偏少地区; 城市化快速期, 相对降水量的分布正相反, 南部地区变为降水相对较少地区, 而北部变为降水相对偏多地区. 随着城市规模的扩大, 北京冬季“城市热岛”和“城市干岛”效应增强, 加速了云下降水物的蒸发过程, 使城区及南部地区的降水相对减少. 这可能是造成北京冬季降水分布变化的重要原因之一.     

北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明：参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.

     

典型东北冷涡个例的平流层-对流层交换过程数值模拟研究

利用中尺度模式WRF对发生于2010年6月19~23日的我国东北地区一次典型冷涡过程开展高垂直分辨率数值模拟研究.在模式结果再现此次东北冷涡基本特征的基础上,进一步用Wei公式考察该冷涡引起的平流层-对流层质量交换的时空分布特征.分析结果表明,此次冷涡过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效应表现为平流层向对流层的净输送.在冷涡形成前期,即大型槽脊发展阶段,已经存在活跃的交换.在冷涡活动的整个过程中,槽后和冷涡移动方向的后部主要表现为空气质量由平流层向对流层的输送,而在槽前和冷涡移动方向的前部主要表现为由对流层向平流层的输送.这种空间分布形态主要是由对流层顶变化项决定,但由于其引起的向上、向下交换量作用相抵消,因此它对净交换量的贡献很小,而对此次过程净交换的贡献起决定性作用的是水平运动项.冷涡活动区域平均的总交换通量随时间的变化特征表现为三段:(1)在冷涡形成前期,存在较强的平流层空气向对流层输送过程;(2)随着冷涡的形成发展,总通量表现为TST-STT-TST波动趋势;(3)冷涡发展后期,又表现为平流层空气向对流层输送.     

气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究

本文基于北京地区快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC),通过对北京2014年汛期的32次降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了气溶胶污染引起的云滴数增加对北京夏季降水精细数值预报的影响.研究结果表明:BJ-RUC系统中默认的云滴数浓度偏低,采用根据环境模式预测结果计算的云滴数浓度后(BJ-RUC-Nc算例)预报效果更接近实况;气溶胶增多可以增加或减少降水.具体表现在:(1)2014年汛期北京地区降水主要集中在东北区域(平谷、密云、顺义)、城区次之,数值模式能较好的反映出降水的整体分布和趋势;(2)BJ-RUCNc对于小雨、中雨、暴雨的预报优于BJ-RUC,更接近观测;(3)气溶胶浓度增加,当水汽供应充足(不足)时,会促进(抑制)降水性粒子形成,降水效率提高(降低),降水增加(减少).     

东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟

平流层-对流层物质交换是影响全球大气成分收支的重要过程.过去的研究认为大尺度的交换过程在平流层-对流层物质交换中最为重要,但是近些年的研究表明,中小尺度过程对平流层-对流层物质交换也有重要贡献.本文利用OMI和MLS数据、ERA-Interim再分析资料,结合中尺度WRF模式综合分析了东北地区发生在冷涡前部和冷涡后部的两次强对流天气过程.结果表明：发生在冷涡前部暖锋云系中的强对流持续时间长,对流垂直尺度小,下平流层静力稳定度高;发生在冷涡后部的孤立强对流持续时间短,水平尺度较小,且在对流层顶附近,静力稳定度小,对流可穿出热力学对流层顶.从示踪物分布情况来看,两次强对流都可将示踪物输送到对流层顶附近,但是冷涡前部对流可将示踪物从边界层输送到整个对流层,而孤立对流是把示踪物输送到对流层顶,而不与自由对流层空气发生混合.

     

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.     

随机性与电环境特征对地闪击地点影响的数值模拟

本文利用已有的随机放电参数化方案,结合四次探空资料,进行了12.5 m的高分辨率二维雷暴云数值模拟实验,得到了各种雷暴云电荷结构下的地闪个例,并就地闪击地点与空间电荷、电位分布之间的相互关系进行了分析.结果表明:(1)由空间电荷唯一确定的电位分布决定了先导的传播最大趋势,而闪电传播的随机性所带来的地闪击地点的不确定范围被限制在3 km之内,利用动态聚类法迭代得出的三个击地点位置之间的差为1 km左右.(2)负地闪的初始点与击地点的位置差主要分布在0~6 km范围内,且93%的负地闪分布在0~4 km范围内,正地闪的分布相对较广,0~3 km范围内占48%,3~6 km范围内占34%,6~10 km范围内占18%.(3)正、负地闪主要产生于离地面最近的一对电荷堆之间,其起始高度越高,初始点与击地点位置差分布越广;另外,产生于三级性雷暴云电荷结构下的正地闪,其起始于上部的主正电荷堆与中部主负电荷堆之间,由于下行正先导会绕过底部的次正电荷堆,因此其击地点与初始点的距离基本在6 km以上.     

深基坑开挖对周边环境影响范围的数值模拟研究

为研究深基坑开挖对周边环境的影响范围,以泉港地下储粮库项目工程为背景,利用三维岩土工程有限元软件PLAXIS^3D 进行数值模拟,对比了摩尔—库仑(M-C)本构模型和高级硬化本构模型(HS本构模型)对模型沉降变形的影响。同时计算了逐级开挖基坑变形影响范围以及监控点的沉降和水平合位移曲线。研究结果表明：从位移量值来看,基坑开挖引起的水平变形远大于沉降变形,水平变形与沉降变形的比值,约为4:1;基坑开挖过程中降排水引起的地表沉降变形影响范围较大,但量值较小;而土体开挖引起的变形较大,但变形影响范围有限,仅限于基坑周边一定距离;采用M-C本构模型与HS本构模型,得到的变形规律基本一致。     

青藏高原对东亚夏季风影响的数值模拟

本文基于大气环流模式CAM,对青藏高原大地形进行简单处理并积分15年,在月和候时间尺度上对比分析了东亚夏季风对高原的响应特征.模式模拟结果表明:高原的隆升加强偏北风,使热带季风爆发之前华南及长江流域的降水加强,并通过对高层大气的显著加热作用,强化了东亚地区上层大气的南北热力差异,使得东亚夏季风加强.在西南风引导下,暖湿气流北上并使长江及江淮流域梅雨期提前,雨量加大且持续时间更长,进而使太平洋副热带高压位置偏西,并改变了东部沿海地区的降雨分布,使其呈现出旱涝相间分布的状况.自7月上旬,高原的存在反而减弱了北方雨季的降雨强度,但是延长了北方降雨期.同时由于降雨释放潜热减少与偏南风加强的作用相互消减,使得337.5假相当位温线到达最北时的位置变化不大.     

含水层渗透性能变化对水位影响的数值模拟研究

应用有限差分法,对弹性孔隙介质在无水平应力作用情况下的充水过程和充水稳定后部分区域阻塞情况下水头调整过程进行了分析。研究结果显示:就含水层内某一点而言,其水头除与位置和含水层的边界条件有关外,还与它本身及其周围区域的压力传导系数有关;含水层不同程度的阻塞会引起给定点的水位变化,而且不同的阻塞范围对含水层的水头分布和给定点的水头变化有很大的影响。     

雷暴电活动对冰雹增长影响的数值模拟研究

利用三维强风暴动力-电耦合模式,数值模拟了风暴演变过程 中电活动对冰雹增长及地面降雹的影响. 结果指出,带电冰雹与云内强电场作用使地面降雹 量增加约50[HTK]髎[HTSS],雹块直径增大0.7mm,降雹时间滞后约3min. 文中还讨论了强电 场通过对水成物降落速度的调制来影响冰雹微观增长过程,即主要是影响碰并过程和冰雹融 化过程. 电活动使冰雹源、汇总量都减少,但汇总量减少更多,总体效果使冰雹总量增加, 数目减少,冰雹长得更大,更易降落到地面.     

气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文在已有的三维雷暴云起、放电模式中加入了一种经典的气溶胶活化参数化方案,结合一次长春雷暴个例,进行了雷暴云起放电数值模拟试验.研究显示气溶胶浓度改变对雷暴云微物理、起电及放电过程都有重要影响.结果表明：（1）污染型雷暴云中气溶胶浓度增加时,云滴数目增多,上升风速加强;云中冰晶与霰粒子数浓度增加但尺度减小;（2）相对于清洁型雷暴云,污染型雷暴云非感应起电过程弱,感应起电过程强,起电持续时间长;（3）污染型雷暴云中首次放电时间延迟,闪电持续发生的时间长,总闪电频次增加,正地闪频次增加明显.

     

降水过程对断层CO2气体异常排放响应的个例分析

为了从观测事实的角度揭示岩石圈的热异常对大气圈的影响,本文利用怀来后郝窑测点的断层气CO2排放观测数据和中国752站降水的逐日观测资料,分析了断层气CO2异常排放与降水事件的时空演变联系.个例分析结果表明,断层气CO2的异常排放会导致局地降水的增多.以1991年为例,伴随着断层气CO2排放的异常增加,在大范围降水负异常的背景下,CO2排放点周边区域出现显著的降水正异常（降水距平百分率大于零）区.同时,CO2异常幅度较大的时段,相应的降水正异常区的中心值也较大.此外,分析降水响应断层气CO2排放异常的时间还发现,断层气CO2异常排放对其后10天内的降水过程影响最为显著.     

相变对金星地幔对流影响的数值模拟

利用三维球壳模型通过数值模拟研究了相变对金星地幔对流的影响.模型假定地幔物质流变特性与温度和压力强相关,并包含橄榄石到尖晶石的放热相变和尖晶石到钙钛矿的吸热相变.通过对不同瑞利数、不同相变Clapeyron斜率和不同相变深度的模型的计算分析,发现:(1)吸热相变对相变面上下物质交换具有阻碍作用,增加相变Clapeyron斜率的绝对值,会减小相变面处的径向质量流和归一化径向质量流、并减少地幔热柱个数,即上下物质交换减弱、相变的阻碍作用加强、对流波长增加;(2)增大瑞利数Ra,也使对流波长增加或热柱个数减少,但对相变面上下物质交换的影响主要反映在对流强度与Ra的关系上,即Ra增加,对流强度增加,相变面处的径向质量流增大,上下物质交换量增大.而Ra增加,归一化径向质量流变化不大,即Ra对相变的阻碍作用的影响不大.这不同于二维模型中瑞利数的增加将很大程度上增加相变的阻碍作用的结论;(3)吸热相变面深度的少许增加会略微减少热柱个数,但对相变面上下物质交换的影响很小.虽然与已有研究一致,吸热相变能阻碍相变面上下物质交换,但这种阻碍作用在三维模型中并不会导致物质在界面上下大量堆积.上下物质交换量随时间变化不大,地幔对流结构相对稳定.这与二维模型中存在周期性的大量物质交换明显不同.这说明相变的作用将难以导致金星表面的大量岩浆作用,或者说相变难以导致金星灾难性的表面更新.     

裂隙参数对衰减各向异性影响的数值模拟

Propagation through stress-aligned fluid-filled cracks and other inclusions have been claimed to be the cause of azimuthal anisotropy observed in the crust and upper mantle.This paper examines the behavior of seismic waves attenuation caused by the internal structure of rock mass,and in particular,the internal geometry of the distribution of fluid-filled openings Systematic research on the effect of crack parameters,such as crack density,crack aspect ratio(the ratio of crack thickness to crack diameter),pore fluid properties(particularly pore fluid velocity),VP/VS ratio of the matrix material and seismic wave frequency on attenuation anisotropy has been conducted based on Hudson’s crack theory.The result shows that the crack density,aspect ratio,material filler,seismic wave frequency,and P-wave and shear wave velocity in the background of rock mass,and especially frequency has great effect on attenuation curves.Numerical research can help us know the effect of crack parameters and is a good supplement for laboratory modeling.However,attenuation is less well understood because of the great sensitivity of attenuation to details of the internal geometry.Some small changes in the characteristics of pore fluid viscosity,pore fluids containing gas and liquid phases and pore fluids containing clay can each alter attenuation coefficients by orders of magnitude.Some parameters controlling attenuation are therefore necessary to make reasonable estimations,and anisotropic attenuation is worth studying further.     

裂隙参数对衰减各向异性影响的数值模拟

理论、观测和实验均证实,在地壳和上地幔存在对应力变化敏感的直立裂隙,在整体上呈现方位各向异性.在Hudson裂隙理论基础上,系统全面地数值模拟了裂隙介质几何、物性和弹性波频率等参数对各向异性衰减的影响.结果显示,裂隙密度、裂隙纵横比、泊松比、裂缝填充物、弹性波频率和未破裂岩石母体纵横波速度等对各向异性衰减有着显著影响,...     

中国当代土地利用对区域气候影响的数值模拟

使用RegCM3区域气候模式，嵌套欧洲数值预报中心(ECMWF)ERA40再分析资料，分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下各15年时间长度（1987-2001）的积分试验，以研究我国土地利用状况对气候的影响。通过两个试验结果的对比，研究了我国土地利用状况对气候的影响。分析主要集中于气温、降水等的变化上，并对结果进行了统计显著性检验。结果表明，当代土地利用/植被覆盖变化加强了中国地区冬、夏季的季风环流，同时改变了地表能量平衡状况，从而对各气候要素产生重要影响。冬季，植被改变引起长江以南降水减少、气温降低，长江以北降水增加。夏季，植被改变显著影响了南方地区的气候，使得这里降水增多，黄淮、江淮气温降低，华南气温上升；同时引起中国北方降水减少，气温在西北部分植被退化地区升高。植被变化对日最低、最高气温的影响更大。总体来说，土地利用引起了年平均降水在南方增加、北方减少，年平均气温在南方显著降低。