超高建筑物雷电先导-连接过程数值模拟

为了更好地分析超高建筑物雷击物理过程,基于雷电通道分形模型,对超高建筑物雷电先导-连接过程建立了空间分辨率为1 m×1 m的精细化数值模拟模型.将数值模拟结果与超高建筑物自然闪电光学观测记录进行了对比分析,发现超高建筑物闪电的上、下行先导发展特征模拟结果与真实情况较为一致.并对超高建筑物上部周围的电场强度分布情况进行了...     

风与观测环境

统计德州、陵县(与德州相距约30 km)观测站2006—2012年逐年16方位风向出现次数、平均风速、最大风速、年最多风向及出现频率发现:2006—2008年期间,德州与陵县在16方位风记录变化趋势相近,年最多风向接近或相同。德州站自2009年开始,NE—NWN方因受建筑物影响,NE、NNE、N、NNW 4个方向年出现次数明显减少、平均风速,最大风速均呈减小趋势,以N最明显,减少77%;同时其相对方向风记录受到不同程度的影响,S出现次数减少最明显;由于空气具有钝体绕流现象,造成E、NW出现回数明显增加,以E最明显;从而导致该站年最多风向发生变化,由原来的S(或SSW)转为E。2009—2012年与2006—2008年比较:N年均出现回数减少79次,平均风速减少0.9 m/s;NNE年均出现回数减少57次,平均风速减少0.8 m/s;NE年均出现回数减少40次,平均风速减少0.9 m/s;NNW年均出现回数减少29次,平均风速减少0.1 m/s。     

小环境变化对地面风观测的影响

风为气象观测的四大要素之一。随着经济建设的不断发展,以前受环境影响较小的风的测点周围,不断形成新的障碍物。这在一定程度上导致风向改变,风速失实,风的历史资料出现不连续性波动。 现以松滋站小环境变化对地面风速的影响为例,对此问题作简要分析。为便于比较,只取有EL型风速仪观测的1974～1997年的24年资料。     

城市小区建筑物和屋顶绿化对小区气象环境影响的数值模拟研究

为了研究城市小区建筑物和屋顶绿化对小区气象环境影响,利用USDSM(城市小区气象与污染扩散数值模式)对杭州市一临钱塘江小区进行敏感性试验。结果表明:(1)小区建筑物的拖曳、阻尼和摩擦作用造成敏感小区内10 m高度平均水平风速减小0.56 m·s-1;对风速的影响范围:迎风向为500 m,背风向为500~600 m,侧风向为200 m,影响高度达到建筑物群平均高度的两倍以上。(2)小区建筑物存在导致低层污染扩散能力减弱,平均污染物浓度达到初始浓度0.01的时间延迟7.6 min。(3)100%的屋顶绿化面积可造成敏感小区平均地表温度下降0.56℃;5 m高度平均气温下降0.70℃;小区平均建筑物高度处气温下降0.94℃。敏感小区内10 m高度平均水平风速增加0.14 m·s-1;小区建筑物下游水平风速显著减小,影响范围达到了600~800 m。     

探测环境变化对密云气象站地面风观测的影响

文章利用密云站、上甸子站1994-2013年的地面风观测资料,以上甸子站作为参考站,对比分析了密云站第二阶段与第一阶段风观测值的差异。结果表明:第二阶段风速平均值较第一阶段减小了0.5 m·s~(-1);2013年年平均风速受台站周围环境影响最大;观测场周围障碍物对不同季节、月平均风速影响程度为:春季最大,夏季最小;3月最大,8月最小;观测场周围环境对西南偏西风风速影响最大,对1~2 m·s~(-1)风速频率影响最大。第二阶段静风频率增加了5.5%;各季静风频率均有增加,冬季最大,春季最小,秋季大于夏季。     

不同城市冠层参数化方案对重庆高密度建筑物环境的数值模拟研究

目前,耦合在WRF模式中的城市冠层方案包括单层冠层方案（UCM）,多层冠层方案（BEP）以及考虑室内外大气能量交换的多层冠层方案（BEP+BEM）。不同方案计算过程及参数设置不尽相同,这些方案能否适应高密度建筑物复杂下垫面的城市气象环境的模拟?建筑物形态参数对于城市气象因子模拟的敏感性如何?为回答上述问题,选取建筑物高密度城市——重庆为研究对象,以2006年重庆高温伏旱天气为背景,采用高分辨率（333 m×333 m）的地理信息系统数据替换WRF模式中默认的美国地质调查局（USGS）静态数据,对WRF中的3种城市冠层方案进行了模拟评估,并进行建筑物形态参数变化对气象因子影响的敏感试验。结果表明：（1）BEP+BEM、BEP、UCM方案模拟值与城区内10个站点2 m高气温观测值的均方差和平均误差分别为1.3、1.4、2.1和-0.5、-0.8、-1.4℃,单层冠层方案相对较差,BEP+BEM方案最好。模拟值普遍略低于观测值。位于密集建筑物周边的2 m高气温模拟值与自动站观测吻合相对较好,而中国国家基本站的观测值与模拟值相比,观测值偏低,靠近水体的模拟结果相对较差;（2）建筑物高度及密度参数的变化对城市近地层气温产生明显的影响,当建筑物高度增高时,由于短波遮蔽作用的影响,白天气温降低最大达到0.4℃,而夜间由于辐射截陷作用增强,气温明显升高,最大可达0.7℃。建筑物间距缩小,导致白天近地面气温降低,夜晚则升高,且夜间变化幅度更大;（3）当调整建筑物高度及密度参数分别为：高度20%（15 m）+60%（20 m）+20%（25 m）,间距20 m时,城区内观测站点2 m高气温观测值与模拟值的均方根误差从1.3℃减小到0.6℃,提高了模式的模拟性能。     

建筑群对城市冠层动力、热力效应的数值试验研究

利用中尺度模式MM5,分别耦合传统的边界层参数化方案和城市冠层参数化方案,模拟了2001年冬季北京冠层大气的动力、热力特征,并和观测资料进行了对比分析.分析结果表明,城市冠层参数化方案更能细致描述建筑群对城市冠层大气的动力、热力作用.由于建筑群的动力、热力作用,使北京城区的温度升高,风速减小,湍流动能增强,形成了明显的增温区、阻风区和湍能增强区,中心均位于城区高大建筑群附近,并向郊区递减.     

建筑物对大气污染物扩散影响的大涡模拟

利用一个大涡模式对一个方形建筑物周围的气流场进行了模拟,并与相应的风洞实验结果进行比较,对比结果表明大涡模拟方法可以精细地反映建筑物周围的流场特征.在此基础上,将拉格朗日随机游动扩散模式与大涡模式相结合,对在受建筑物影响的气流场中的大气污染物扩散进行模拟,模拟结果表明该方法可以很好地模拟出在建筑物影响下的气流变形所引起的各种污染物散布情况.建筑物周围的气流结构特性使得建筑物顶部污染源位置的细小变化可能造成建筑物周围污染物分布形势的很大不同,特别是对建筑物背风侧的空腔区内地面污染物浓度有着很大的影响.当排放     

CFD 在建筑物对气象台站测风影响分析中的应用

受城市化、探测环境变化等人为因素影响,部分气象站风速序列存在不均一性,在使用这类气象站的风速资料时必须进行订正。本文以东山气象站为例,应用测站受建筑物影响前后各5 a的风速资料及探测环境历史沿革资料,利用计算流体力学方法（CFD）研究建筑物对气象站测风数据的影响。结果表明：建筑物与测风杆的相对位置不同,建筑物对测风的影响程度亦不同,测站北面建筑物是影响该站偏北风风速观测的主要因素;研究不同风速下建筑的影响,可得模拟结果与输入风速间呈线性关系,并由此建立风速订正关系式,订正后基本消除了建筑物对N方位风速的影响;订正受建筑物影响较小的NNE方位风速需考虑其他障碍物的影响。本文通过试验,验证了CFD方法可用于定量评估建筑物对测风的影响,从而重建受建筑物影响台站的风速序列。     

台风环境风垂直切变的计算

环境风垂直切变小大对台风强度变化有显著影响。通过查阅文献和会议交流发现,由于算法上的细微区别,导致同一个台风在计算环境风垂直切变时结果有所不同,有时差异较大。本研究针对这一问题,以南海快速增强台风为例,利用中国气象局整编的热带气旋年鉴、NCEP FNL、个例数值模拟资料等,计算并对比分析了南海台风在快速增强阶段不同环境风垂直切变计算方案和数据对计算结果的影响,并对业务应用时应该注意的问题展开讨论。     

北京商务中心风环境风洞实验研究

北京商务中心区(Central Business District,CBD)规划于故宫东部约5 km地带,涵盖面积约4 km2,最高建筑物超过300 m.采用风洞刷蚀技术结合朝阳气象站常规资料对CBD行人风环境进行研究,结果表明:(1)在冬春季西北大风时,CBD高大建筑物附近出现局地8级以上大风的概率为0.114%,相当于每年发生5.0次,超过了每年小于1.0次的可接收评估准则,将会影响行人舒适度和安全;偏南风符合行人舒适度评估准则,不会造成明显风环境问题.(2)夏季白天偏南风盛行,在CBD东西两侧建筑物密集区域出现小风(风速低于1.5 m s-1)的概率高达22%,可能造成较严重的局地空气污染.     

近地面风场变化对太湖蓝藻暴发影响的数值研究

蓝藻水华是在特定的气象和水文条件下,已成为优势种群的蓝藻群体在水体中发生水平、垂直位置的改变而形成.选取2007年6月24日和9月8日发生的2次蓝藻暴发个例,利用WRFV2模式进行较高分辨率数值模拟,研究了在蓝藻成为优势群体之后的上浮积聚阶段近地面风向风速对蓝藻水华面积变化和活动范围的影响.通过数值模拟结果与EOS/MODIS卫星遥感监测到的蓝藻信息的对比分析发现,蓝藻的活动对湖区近地面风场变化的反应相当迅速,蓝藻大面积暴发过程往往对应着有利的风向风速变化:如风速小、系统性东北风、辐散环流等.研究表明通过对太湖地区各气象要素的高分辨率数值模拟,可以预测蓝藻的暴发和演变情况,为太湖蓝藻暴发的预测预警提供气象依据.     

2005—2020年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究

精细化捕捉风速大小及其变化细节过程,是顺利开展风区大风监控预报预警气象服务的关键理论支撑。本文基于百里风区气象观测站的风速数据,对质量控制后的2分钟平均风速、大风日数、日最大风速、日极大风速资料进行计算,给出百里风区2005—2020年精细化逐时风速特征。结果表明：（1）随时间分辨率的提高,24次与4次定时观测值差异明显增大,且偏差随风力等级增高而增大;（2）百里风区风速变化规律与大气环流紧密相关,地形起到加强放大作用。在太阳辐射及地形地貌影响下,百里风区年平均风速8.3 m·s-1,年平均大风日数200.6天,地面风速持续较高;（3）一年中春夏季平均风速最大,且较大风速持续时间长;（4）一日中平均风速高峰时段与大风易发时段不完全重合,平均风速最大值出现在夜间4时前后,大风高发时段峰值集中在17—20时。     

近海面风场对黄东海域海平面特征影响的分析与模拟

基于1993—2012年TOPEX/Poseidon(T/P)卫星海平面异常SLA(Sea Level Anomaly)数据和FSCR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析风场资料,分析黄东海域近20 a海平面的时空分布特征,尤其是不同时间尺度风场影响的变化特征,进而通过区域海洋模式对海面高度短期变化的可能机制进行探讨。结果表明:1)黄东海域海平面多年平均状态为南高北低,近海面季节性风场在岸线分布和海水热膨胀特征下,造成海面冬春季偏低,夏秋季偏高。近20 a黄东海域平均风速逐步减弱,平均海面上升速率为2.9 mm/a。2)风场的短期活动主要为灾害性大风,统计显示冬夏寒潮大风和台风大风均呈频数减少、强度增强的趋势。运用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)模拟分析台风和寒潮作用下黄东海域海平面的变化,发现台风强风可形成辐散式海流气旋式涡旋,对应海面为下凹负值中心;北路寒潮大风可形成海流反气旋式涡旋,对应海面为上凸正值中心。两类涡旋的强海流部分增强了海面倾斜度。3)强海流部分动能和动量迅速向海水深部下传,无论在深度和强度上,寒潮造成的海流涡旋动能和动量下传比台风涡旋更迅速,更强。这与寒潮降温引起的海洋层结不稳定对流作用有关。     

迁站和仪器更换对阿拉山口风速资料的影响分析

风是一个对测点环境变化较为敏感的气象要素,测站迁站、环境变化、仪器更换等因素均会导致风速序列的非均一性,从而使一地风资料缺乏真实性和可信度。阿拉山口是我国一个著名风门,并且阿拉山口站经历过多次迁站和仪器更换,因此对阿拉山口风资料的均一性检验很有必要,本文利用M-K突变检验法、标准差以及方差显著差异分析等方法对阿拉山口风速序列进行均一性检验,得出：阿拉山口站54 a平均风速序列在2004年发生突变,突变后风速大幅减小。2001年的迁站没有造成风速突变,且经过检验新、旧站风速资料可以合并统计;2004年更换自动测风仪所测风速比人工站大,与2004年后风速突然减小相反;阿拉山口站与周边对比站风速变化曲线在2004年后是反相的,分析可知风速突变的原因不是由仪器更换、气候变化直接导致,经调查分析与2004-2005年阿拉山口地区在气象站上风方大面积种植防风林带有关。     

中国建筑气候分区和采暖气候条件变化研究

利用1951-1980年和1981-2010年两个气候期的月平均气温数据,对中国大陆地区建筑气候分区进行对比,讨论建筑气候分区的变化;并基于近气候期的建筑气候分区以逐日气温为基础,讨论了1951-2018年不同分区采暖气候条件变化特征。结果表明：与1951-1980年相比,1981-2010年严寒地区范围有所缩减,南界北移;寒冷区、夏热冬冷区、夏热冬暖区北进,温和区西扩,夏热冬暖区范围增大。中国大陆采暖度日数、采暖日数、采暖日均强度分布一致,东部随纬向增加,西部随海拔增加;采暖度日数严寒地区最大,寒冷地区其次,夏热冬暖地区最小;1951-2018年,中国大陆各建筑分区的采暖度日数都呈显著减少趋势,减少速率严寒地区最大,温和地区最小;夏热冬冷地区距平百分率的波动最大,严寒地区波动最小。1998-2012年,全国各建筑气候分区采暖度日数和采暖日均强度在此期间均表现为增加,其中夏热冬暖地区增加趋势通过了0.05显著性检验。     

南京市不同功能分区风场特征的大涡模拟研究

本文选取南京市新街口商业区和白下路居民区作为典型研究区域,利用大涡模式(Parallelized Large Eddy Simulation Model,PALM)模拟不同入流风速和风向对流场的影响。结果表明,不同入流风速条件下归一化风廓线基本一致,风廓线总体上主要受到功能区自身建筑物形态的影响,在中性层结下城市冠层内平均风速随高度的变化接近于指数分布。而本文计算得到的指数风廓线衰减系数的范围为0.55~0.81,高于目前城市冠层模式中的默认值,说明目前的城市冠层模式对建筑物密集区域的风速衰减可能存在低估。风速衰减系数主要受迎风面面积的影响,随迎风面积指数的增加而增大。迎风面积指数随入流风向发生改变,在本文研究的商业区和居民区中,行人高度风速随入流风向的改变最大下降幅度可分别达8%和10%。行人高度风速一般在与入流风向平行的街道和开阔的空地上较大,在建筑物密集分布的区域风速较低,由于强烈的狭管效应部分区域的风速可以超过入流风速。不同城市结构中入流风向的影响也不同,在十字路口、对称和非对称街谷以及多排建筑物中局地风场随入流风向存在各种变化。     

基于三台测风激光雷达的大气湍流和三维风场研究

为了获取大气湍流和空间三维风场结构,利用3台同型号的测风激光雷达开展协同观测试验。(1)利用虚拟铁塔协同观测技术开展大气湍流探测,与香河102 m铁塔安装的三维超声风速仪观测结果做对比,32 m处高频(10 Hz)风速的相关系数高达0.92,平均误差为0.77 m/s,均方根误差为0.41 m/s;大气湍流强度(TKE)的相关系数高达0.99,平均误差为-0.02 m²/s²,均方根误差为0.08 m²/s²,并且协同观测的高频风速与三维超声风速仪的观测结果具有相同的频谱结构。(2)利用扫描协同观测技术开展三维风场探测,与铁塔上的常规测风设备相比,其90 m高度处的水平风速和风向的相关系数分别为0.92和0.93,平均误差为-0.41 m/s和0°,均方根误差为0.73 m/s和34°。相比于单台测风激光雷达,基于3台测风激光雷达协同观测技术具有一定的优势:不需要风场水平均匀的假设、探测精度更高等。但其对观测环境的要求较高:观测路径上不能有遮挡、观测必须协同等。在科研业务应用中,需要根据实际的观测需...     

人造台风模型中三维风场的改进及敏感性模拟研究

对MM5的人造台风风场方案进行了分析,并引入台风移速、移向、摩擦等客观因素构造非对称切向风场,尝试选择合理的径向风方案,并考虑风场垂直结构,改进出三维非对称台风风场模型.通过对"云娜"台风模式初始场的对比发现,径向风及高空反气旋环流的引入突出了台风的基本特征,与观测事实相接近.最后进行敏感性数值模拟,通过比较台风路径及移速、海平面气压、最大风速等模拟要素,结果表明:改进后的台风模型通过订正初始场,对台风路径及强度预报效果的提高也有正效应.