复杂地形城市多尺度气流对大气污染影响的研究进展

复杂地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地带。复杂地形下的大气污染传输、扩散机制是一个复杂的问题。本文依据城市地形地貌将复杂地形归类为河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形。结合国内外对这五类地形下城市污染物传输扩散及污染形成机制的研究成果,介绍了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的特点及其对污染传输扩散的影响,期望能够为其它复杂地形城市污染形成机制研究和大气污染防治提供一些借鉴。     

复杂地形城市冬季大气污染的数值模拟研究

采用中尺度大气动力模式与大气扩散模式相结合的方法，针对复杂地形条件下兰州市冬季无明显冷空气入侵天气过程时段（1994年12月2－3日）的大气污染状况，进行污染物（二氧化硫和烟尘）浓度分布的数值模拟研究，分析了模拟的风场的气温层结随时间的变化以及污染物浓度的分布及其变化，进一步分析了模拟的风场和气温层结与污染物浓度分布的关系。结果表明，该模式系统对兰州市大气边界层结构及污染物浓度的分布有较好的模拟能力，并证明了该模式系统可适用于兰州市大气质量预测预报研究。     

区域复杂地形大气污染扩散的模拟研究

围绕复杂地形区域尺度大气污染物的扩散问题,以贵州西部山区"西电东送"大型火电厂六枝电厂所在区域为例,采用局部嵌套的高分辨率复杂地形大气扩散模式系统,模拟了该区域大气边界层气象场和污染物散布的浓度场,给出二级空气质量标准下各级保证率的小时平均和日均浓度分布,进而得出其年均浓度分布,分析其时空分布及变化特征,研究了山区复杂地形上大气污染物的扩散特性和散布规律。     

地形和天气形势对临汾市大气污染的影响

为了研究临汾市大气污染的输送特征,利用生态环境部发布的2016—2017年临汾市逐小时空气质量指数（air quality index,AQI）、美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）提供的水平分辨率为1°×1°的逐6 h再分析资料和全球资料同化系统（global data assimilation system,GDAS）数据,基于HYSPLIT4(hybrid single-particle lagrangian integrated trajectory)模式,采用气流后向轨迹聚类分析法研究地形及天气形势对临汾市24次污染过程的影响,结果表明：（1）24次污染过程的海平面环流形势主要有以下6种类型：蒙古高压底前部型、低压前部型、华北高压后部型、河套倒槽前部型、均压场和低压带型。（2）模拟后推24 h和60 h的聚类轨迹分别可以代表地形条件和天气形势对临汾市大气污染的影响。（3）模拟后推24 h的聚类轨迹显示,气流可沿吕梁山背风坡下沉输送污染物,向南开口的倒“凹”字型地形配合近地面西南风可造成临汾...     

小地形对于气流的影响

本文总结了小地形对于气流的影响。文中着重地指出和讨论了过去背风波理论中的矛盾。作者认为这些矛盾是由于山的大小选择和上界边界条件的选择而引起的。当山的宽度的一半l≈(L_S/2π)时(L_S=u/(g/θ αθ/αz)(1/2)),和当大气中有一个固定的盖或不连续面存在时,背风波出现。 在第一种情况下,山的强迫振动与大气中的自由振动共鸣;在第二种情况下,只具有某些滤长的振动可以存在,这波长就是背风波的波长。这样的讨论背风波的物理意义就清楚了。     

沿海复杂地形区域之大气污染分析与预测

以深圳大鹏半岛为代表(大鹏炼油厂是该区域主要污染源),探讨了山地、海陆综合影响下之大气污染分析预测方法,提出了适用于南方沿海丘陵地段的大气环境预测模式,其主要内容包括两部分:(1)地形调整风场模式及风场特征;(2)复杂地形扩散模式。分析表明所得出的结果是比较合理的。     

复杂地形对对流混合层的影响

用发展后的混合层模式研究下垫面（地形和地面热力）的不均匀性对混合层结构的影响。数值实验表明,在保持了混合层模式简便和实用等特点的同时,发展后的混合层模式能够很好地反映复杂地形对混合层厚度和风速的影响。     

山谷地形对盛行气流影响的数值模拟

本文考虑的地形为理想的南北向长谷。建立了地形坐标下的二维非静力模式，详细研究了谷地中的风速和风向随盛行气流和谷轴的交角β、谷地的宽度、谷地的深度、谷地的相对深度以及温度层结的变化规律。模式计算的结果与三峡实际观测的统计结果相当一致。     

纬向气流对地形Rossby波的影响

本文在半地转近似下,采用相平面方法讨论了纬向基本气流对线性和非线性地形Rossby波的稳定性及解的性质的影响。结果指出:线性和非线性稳定性判据形式一样,纬向气流及其切变对稳定性有明显影响;在非线性近似下,可形成孤立波槽和孤立波脊。     

黄河上海地区地形对大气流场的影响

本利用黄河上游流域１３个气象台站的地面资料及相关站的高空风资料,分析了流域地形对大气流场的影响,得到以下主要结果;（１）流域内地形对气流具有引导作用,近地面气流受局地地形影响较大。（２）夏季５００ｈＰａ高空风状况在有降水和无降水情况下呈现较大差异。（３）地面年平均风速在流域内有三个高值区,均位于地热,较为开阔的山间平地中。（４）地面年平均风速随海拔高度的升高呈现增大的特点。     

深圳海岸复杂地形气流与湍流特征的数值模拟

利用三维非静力能量闭合（Ｅ－ε）的边界层模式，以深圳海岸复杂地形进行了实际模拟。结果给出了该地区海陆风情形下气流和湍流孤变化特征。在海风发展盛期，气流方向由大面积的水域和内陆的位置决定，不规则海岸线对局地气流影响不大，夜间陆风时，不规则海岸线对局地气流影响较大，湍流能量高值颁在陆地上空的不稳定层内，水面上湍能很小。模拟结果与实测结果上比较吻合。     

复杂地形边界层风场的三维局地尺度数值模拟

设计了一个基于有限元方法的中γ尺度复杂地形条件下的三维非静力边界层风场数值模式,利用该模式对河南省登封市阳城工业区周围的实际三维地形进行了数值模拟,并将模拟结果与河南省气象科学研究所的实测资料进行了对比。结果表明,模式对峡谷地形的加速作用、山体的抬升与绕流均有较好的模拟,但是对背风坡涡旋的模拟不太理想。与实测资料的对比显示,在一定的条件下,模式可以得到较好的模拟结果。     

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

地形对于气流运动影响的数值研究

建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。结果表明：地形的阻挡效应受地形高度、大气层结及地形非对称性等因子的影响。数值试验与理论分析都证明地形越高、层结越稳定时阻挡作用越强；同样条件下，迎风坡坡度大的地形容易对气流形成阻挡。此外，分析了地形高度、大气层结、地形非对称性以及基本入流大小对背风波谷及下坡风强度影响的规律，并通过一次实际观测对数值模拟结果进行了检验。     

复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发应用了WRF(Weather Research and Forecasting,天气研究和预报)模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来.通过个例分析,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响.主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,增温幅度为0.1～0.3 K/h,使低空(25～300 m)大气层冷却,降温幅度为0.08～0.15 K/h,风速在150 m以下减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,1 h内升温约0.5 K,增温最大值在混合层顶500～600 m高度.受增温影响,垂直风场和水平风场随之调整,风速在450 m以下增大约0.1 m/s左右,而在450 m以上风速减小0.1 m/s左右.     

几种特殊地形对气流运动影响的解析研究

在地形相关函数与地形高度函数近似相等的假设下,利用一种解析方法得到多种典型地形影响下的大气中尺度运动的定常解析解以及对应的气流运动情况。结果表明,在地形上风方的水平方向不呈现波动形态;低(浅)的地形不会在大气中形成急流和转子。对各种有一定高(深)度的地形,当Froude数Fr 1/π时,大气波动仅出现在地形附近,低层流线接近地形,向上则波动有所减弱;当1/πFr1/(2π)时,该波动不仅出现在地形附近,还出现在地形的下风方,波长与地形的水平尺度无关,仅取决于背景场,且向上波动仍有所减弱;当Fr1/(2π)时,在地形下风方的大气中层,会形成一支急流,再往下风方,该急流又分为两支,一支位于大气高层,一支位于大气低层,并又会在大气中层再度汇合;在该急流的一侧或两侧,会出现转子;在奇异值Fr=(nπ)-1上出现间断,扰动会出现一个急剧增强的现象。     

Monte-Carlo 法模拟复杂地形对扩散的影响

不考虑边界层中层结作用，引入Kao得到的复杂地形中的平均流场分布和近十年来PBL实验和理论研究导出的新的湍流统计量参数化关系，本文用Monte-Carlo模式模拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明:地形的影响主要是迎风坡抬升和背风坡下沉；陡峭地形和平缓地形的影响不完全相同；在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能够形成空腔区，空腔区内出现闭合的浓度中心，且地形越陡峭，闭合浓度中心的范围越大；大地形对扩散的影响可以掩盖其下风方小地形的影响。     

基于CFD降尺度的复杂地形风场数值模拟研究

在计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式Fluent的基础之上修改传统的RANS湍流参数化方案,选用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的湍流方案,并引入温度层结的浮力模型,得到修改后的Fluent模式。使用中尺度预报模式WRF和WRF耦合修改前后的Fluent模式模拟江西鄱阳湖地区内吉山测风站处2010年12月至2011年3月4个月的风速、风向和2011年3月6日吉山站附近地形流场以及气温场的变化过程。结合观测资料的对比发现,WRF模式在耦合Fluent后,对吉山单站点风速风向的模拟效果得到改善。WRF耦合Fluent的模拟方法在Fluent修改后(算例2),相比修改前(算例1)可以更精确地模拟吉山站各高度处的风速风向。4个月70 m高度平均风速WRF、算例1和算例2的平均误差分别为3. 963,2. 727和2. 224 m·s-1。算例2与观测的70 m高度风向玫瑰图匹配程度总体上比算例1更高。算例2还可以模拟出白天不稳定状态下的热浮力效应和空间分布不均匀且较大的湍动能,能模拟出夜间大气边界层的逆温现象,而算例1则不能。以上结果均表明在对Fluent模式修改后,WRF耦合Fluent的模拟方法对吉山站附近风场的模拟效果得到改善。     

地形对热带大气超长尺度Rossby波动的影响

应用赤道β平面近似，建立一个简单的正压大气半地转浅水线性模式，在连续方程中引入地形的作用，讨论地形对热带大气超长尺度Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。结果分析表明，起伏不平的于形动力抬升作用导致热带大气超长尺度Ｒｏｓｓｂｙ波动不稳定并且影响波动的特性。     

复杂地形对计算地表太阳短波辐射的影响

首先利用数字高程数据(DEM)、大气辐射传输模式6S以及野外观测资料计算了复杂地形(青藏高原)上地表入射太阳辐射,然后计算不考虑地形产生的地表辐射的计算误差,对误差进行归一化后得到相对辐射误差.结果显示,相对辐射误差的标准差(即相对地表辐射计算误差绝对值的统计平均值) Se随太阳天顶角的增加呈指数增长,随高度标准差的增加几乎呈线性增长,随数字高程数据的分辨率(或卫星资料的分辨率)降低而降低.利用分步拟合方法拟合了Se随太阳天顶角、高度标准差和数字高程分辨率的变化.利用拟合方程可以计算任意地形条件下,不同分辨率的卫星(或数字高程)资料在不同太阳天顶角情况下,不考虑地形复杂性产生的平均地表入射太阳辐射的计算误差,结果表明,使用中分辨率的卫星(如MODIS)资料计算地表太阳净辐射时,需要考虑地形复杂性.