湍流度随高度的变化及其对城市宏观地形的依赖

分别构建广州主建成区垂直比例尺为1﹕2 000、1﹕1 000和1﹕500的3个建筑物模型,利用大型边界层风洞,在西北和东南两风向下,基于中性流模拟分析了复杂城市地形下湍流度随高度的变化及其对宏观地形的依赖。结果表明：风廓线指数α与不同高度的湍流度之间的关系密切,利用现有模型,根据4类粗糙度边界层和不同垂直比例尺,可确定相应的湍流度随高度变化模型的主要系数,预测精度高。城市地形下最大湍流度面发育在0~0.2 h之间狭窄的范围内。用湍流度形态指数β来表征湍流度随高度的变化,无论城市屋脊还是平坦地形,随着风程区的延伸,廓线的指数α升高,湍流度形态指数β降低。表明同一高度湍流度值具有由迎风区、丘顶区向背风区增高,沿风程逐渐增大的规律,对地形部位和风程的依赖性强,与来流翻越简单地形时的特征一致。     

颠覆列车强风数值模式参数敏感性对比分析

新疆的三十里风区是著名的风口,兰新线和南疆铁路线横穿此地,时有列车被强风颠覆,对铁路运输影响很大,急需大风精细预报。数值模式中有许多参数,如何确定改进预报最显著的参数是个问题。采用MM5V3模式做模拟实验,设计3重嵌套,最小格距3km,用30″数字高程数据生成模式地形。分析表明,3km格距模式分辨率对地形有较为精确的表达。无论东西剖面还是南北剖面,3km所预报的风场更为详细,风速预报更准确;不仅可以预报出强的下坡风,亦可以预报出地形波列。对强风预报而言,模式水平分辨率是一个敏感因子。     

地表热通量对陕南强降水的影响

通过对2002年6月8～9日陕南大暴雨天气过程中地表感热和潜热通量的数值模拟表明:地表感热、潜热通量和温度的区域性分布与高原东部特殊的地形分布有关,地表热通量和温度的等值线与地形等高线大致平行,平原低洼地区和山脉所在地特征明显,从而可以说明地形热力状况在陕西强降水中发挥重要作用;地表潜热作用大于地表感热,去掉地表潜热的作用后,模式对降水的模拟结果与实况偏差较大;地表感热使山脊降水减少,使平原、山谷降水增加,这与夜间的山谷风环流密不可分。     

中小比例尺风洞模拟理论的研究与应用综述

围绕中小比例尺模型的划分、理论依据、精度范围、粗糙度增强与变形技术,综述近50年来风洞模拟中的理论研究与应用。阐述了各类主要的中小比例尺模型模拟中,基于雷诺数无关的原则,采用传统的表面粗糙度增强技术、高精度数字化地形雕刻技术以及变形比例尺技术,在污染物扩散、风资源评价、风力侵蚀与沉积、森林火风险预报等方面的应用。由于变形比例尺理论的薄弱,研究结果存在许多争议。中小比例尺风洞模拟涉及空间流场的时空概括与转换,未来应加强该领域的深入研究。     

北京城市通风廊道研究I: 环境效应模拟

采用耦合城市冠层模式UCM的中尺度气象模式WRF,利用北京市高分辨率地表类型、城市建筑及通风廊道规划方案等资料,针对2019年冬季和夏季各开展了为期 1个月的百米尺度高分辨率敏感性模拟试验,并应用自动气象站网观测数据进行了验证。模拟试验结果表明：引入通风廊道后气象要素差异不仅限于廊道区,而是在整个研究区域都有体现。模拟的地面风速明显增大,热岛强度减弱,风的平流效应导致热岛范围发生偏移。引入廊道后北京城区月平均气温下降了0.14~0.17℃,平均风速及相对湿度分别增加了0.32~0.36 m/s和2.02%~3.37%。表明通风廊道对于改善城市密集区的风热环境,提高气候舒适性是有效的,背景风速越大,通风廊道的缓解效应越明显。气象要素差异的日变化分布显示,通风廊道对白天气象要素的影响要大于夜间。进一步分析显示,通风廊道对局地气象要素的影响主要来自于风速增大的平流效应及下垫面湍流通量改善两方面的贡献。     

植被覆盖地表空气动力学粗糙度与零平面位移高度的模拟分析

 空气动力学粗糙度、零平面位移高度是植被覆盖地表的两个重要的空气动力学特征参数,利用数值计算的方法,运用Matlab软件编程,对内蒙古四子王旗草地地表的空气动学粗糙度、零平面位移高度进行模拟计算、绘图及分析。得到了在8种植被密度和6种植被高度情况下摩阻速度、空气动学粗糙度、零平面位移高度与风速的关系,并与野外实验数据进行对比分析,发现模拟值可以很好的反映空气动力学参数的性质。进而分别得到了包括植被密度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式和包括植被高度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式,这有助于进一步研究该地区草地风沙运动机理,以及床面与近地层气流相互作用的力学性质。     

京津冀地区无人机航路气象因子高分辨率模拟分析

京津冀地区低空环境复杂多变,低空飞行安全受到雷暴、风切变、能见度、温度和湿度等气象因子的影响,准确地模拟和预报无人机低空航路上的气象要素是一个难题。基于中尺度天气预报模式(WRF)及其先进的三维变分同化系统(3D-Var),论文以2016年华北“7·20”特大暴雨作为研究案例,对京津冀地区无人机低空航路上的温度场、湿度场和风场进行资料同化与数值模拟,对比地面观测资料和数值模拟结果,分析其结构及特征,以期为京津冀地区无人机航路飞行安全保障提供参考。结果表明：WRF模式能够较好地模拟出该地区近地面温度、湿度和风速的日变化趋势。平原站点(天津和密云)模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)和偏差(Bias)较小,风速在山区的模拟值偏大,平原地区的模拟效果优于北部和西部山区。强降水发生时,平原地区和山区的温度相差15 ℃左右,相对湿度达95%以上,边界层高度低于500 m,强烈的温差、较高的湿度和较低的边界层都会影响无人机的飞行安全。900 hPa高空,沿117°E经线在河北省廊坊—衡水一线出现超过10 m·s^-1的风速值,形成强劲的东北风,区域北部(39°N~40.5°N)出现了明显的上升气流,1000 m高度处垂直风速也超过2 m·s^-1。强烈的上升气流极不利于无人机的飞行,会对无人机飞行姿态和飞行高度产生重大影响,造成安全隐患。     

Mechanical and numerical models for sea ice dynamics on small-meso scale

On small-meso scale,the sea ice dynamic characteristics are quite different from that on large scale.To model the sea ice dynamics on small-meso scale,a new elastic-viscous-plastic(EVP) constitutive model and a hybrid Lagrangian-Eulerian (HLE) numerical method are developed based on continuum theory.While a modified discrete element model(DEM) is introduced to model the ice cover at discrete state.With the EVP constitutive model,the numerical simulation for ice ridging in an idealized rectangular basin is carried out and the results are comparable with the analytical solution of jam theory.Adopting the HLE numerical model,the sea ice dynamic process is simulated in a vortex wind field.The furthering application of DEM is discussed in details for modeling the discrete distribution of sea ice.With this study ,the mechanical and numerical models for sea ice dynamics can be improved with high precision and computational efficiency.     

复杂地形条件下风速插值研究——以吉林省为例

以ARCGIS为平台,利用吉林省1∶25万DEM数据,土地利用数据和气象台站资料,在Kriging插值的基础上,综合考虑下垫面、海拔高度、坡度、坡向和坡位等地形要素对风速的影响,对吉林省的冬季风风速分布进行模拟。研究结果表明,基于地形因子的风速校正有效提高了风速插值的精度,可以作为风速插值方法的有效补充,实现复杂地形条件下风速的精确模拟。     

复杂地形对城市空气污染影响的数值试验研究

以辽宁为例,通过改变其中部地区的地形高度,利用新一代空气质量模式系统Model-3对2006年11月24日的一次污染过程中气象场和污染物浓度场的分布进行了敏感性试验。结果表明,地形的存在会导致风的辐合,风速降低,逆温增强,这些都构成了不利于污染物输送及扩散的因素,容易造成污染物的堆积和滞留,从而使污染物浓度较高     

月面形貌仿真设计及在嫦娥三号任务中的应用

月面形貌仿真可以为嫦娥三号着陆前地形建立及视觉导航仿真测试提供逼真的三维月面环境。利用分形随机算法并结合月面撞击坑与石块的数学分布模型,在实现月面数字地形的基础上利用纹理映射和纹理融合的方法为月面地形添加纹理,完成了月面逼真三维环境的构建。结合导航相机的外方位元素和光照条件,实现了对该仿真月面环境的模拟环拍,支撑了嫦娥三号发射前月球车导航相机数据获取、地形建立、通行代价图计算、月球车路径规划等遥操作任务过程仿真测试。测试结果表明,仿真月面三维地形具有良好的视觉效果,满足了巡视器导航相机测试验证对精细月面地形和纹理的需求,为导航相机测试验证提供了有效的月面形貌仿真数据。     

2001年4月8日强沙尘暴天气的数值模拟研究

利用MM5中尺度气象模式对2001年4月7~9日发生在新疆南部、青海北部、甘肃大部、陕西北部、宁夏和内蒙古的大范围大风、强沙尘暴、寒潮和降雪天气过程进行模拟研究。结果表明:MM5中尺度模式能够模拟出这次天气过程的系统变化,小网格尺度的模拟结果较大网格更能够反映出系统的特征;在地形、地貌相对稳定的情况下,特殊的天气环流形势造成的强而持久的大风和激烈的中尺度垂直对流是这次天气过程的主要原因;从空中槽脊形式的配合、发展趋势,地貌、地形特征,地面大风,降温、降压等特征综合分析,提前24 h就能预示出这次大范围的大风、寒潮和沙尘天气的出现。这次过程的特殊之处是:整个模拟过程中模拟区域内在200 hPa以上有弱的层结不稳定状态出现,对流层中、低层层结稳定;沙尘暴发生区域的主要上升气流出现在上午。     

Simulation of equatorial wind field patterns with TAPM during the 1997 haze episode in Peninsular Malaysia

The large‐scale forest fires that occurred during the major El Niño event in 1997 can be counted among the worst environmental disasters in Southeast Asia. This study investigates atmospheric mesoscale features over Sumatra and the Klang Valley in Peninsular Malaysia during the resultant haze episode of September 1997 utilizing a limited area mesoscale three‐dimensional meteorological and dispersion model, The Air Pollution Model (TAPM). Mesoscale features that would not be highlighted by global numerical prediction models, such as the daily land and sea breeze conditions at the selected air pollution stations located near the west coast of Peninsular Malaysia, were predicted with an Index of Agreement of 0.3, which implied a moderate conformity between the predicted and observed values. Tracer analysis of air particles at a selected location in the Straits of Malacca verified the existence of the landward and shoreward movement of the air during the simulation of the low‐level wind field. Air pollutants from the burning areas of neighbouring Sumatra just across the straits were transported towards the Klang valley during the daytime and seawards during the nighttime, highlighting the recirculation features of aged and newer air particles over the seven days (13–18 September) of the model simulation. The presence of the central Main Range east of the Klang valley to a certain extent limited further eastward movement of the air particles. Near calm conditions at low levels were simulated from midnight to midday on 14 September, where the movement of the polluted air particles from the uncontrolled burning in Sumatra was confined within the Straits of Malacca. Turbulence within the planetary boundary layer in terms of the total kinetic energy was found to be weak from 14 to 15 September, congruent with the weak strength of low level winds that reduced the ability of the air to transport the pollutants during the period of severe smoke haze. Statistical evaluation showed that parameters such as the systematic RMSE (root mean square error) and unsystematic RMSE for the zonal wind component were slightly higher than for the meridional one, indicating higher errors between the observed and simulated zonal values. Otherwise, the equatorial meteorological parameters such as wind speed and temperature were successfully simulated by the model with comparatively high correlation coefficients, lower RMSEs and moderately high indices of agreement with observed values.     

金字塔沙丘流场的三维数值模拟

对位于敦煌莫高窟顶部鸣沙山东麓的金字塔沙丘流场形态进行数值模拟,分析了多风向条件下沙丘的压力场和速度场变化规律。使用地面立体摄影技术获取沙丘的控制点坐标,建立了与实地沙丘等比例的三维模型,以解决二维建模不能表达3组主风向差异的问题。使用计算流体动力学（CFD）方法,采用非结构网格划分技术以适应沙丘的高度不规则地形,通过剪切压力传输模型（SST）分析计算并与以往风洞试验和数值模拟结果进行对比。模型很好地预测了沙丘底部停滞区、坡上加速区、背风坡回流区以及沙丘表面压力和风速分布等流场信息,反映了多风向条件下沙丘形态与气流的交互作用。流场中速度场的分布与压力分布直接相关。     

基于MM5模拟试验的新疆风能资源统计订正初探

 应用MM5模式以及1°×1°的NCEP再分析资料,对新疆风能资源“代表年”进行了3 km×3 km分辨率的模拟试验,同时将10 m高度的模拟值与气象站10 m高度的实测值进行了对比。结果表明：(1)模式能较真实反映年、月平均风速大小的空间分布特征,但存在一定的系统性偏差,且偏差的大小具有明显的月际变化特征与地域性变化特征。平均来说,夏半年的偏差幅度小于冬半年,大风区的偏差幅度明显小于非大风区,达坂城-小草湖风区、哈密东南部风区、三塘湖-淖毛湖风区的模拟偏差最小。(2)对各风区逐小时平均风速模拟值进行线性回归订正,虽能有效减小有些风区模拟与实测值间的风速偏差,但对有效风速小时数的订正效果极其有限,订正后的偏差仍具有随机性。（3）以月为单位,通过对逐小时平均风速模拟值立方的回归订正可有效减小年平均风功率密度的模拟误差,同时模式中逐小时的空气密度可直接以观测点的月平均空气密度取而代之。该试验不仅对近期新疆已经完成的风能资源详查与综合评价中有关中尺度模式参数化方案的最优组合选择和水平分辨率的调整具有现实意义,而且也为如何提高风电功率短期预报的精准性提供了研究素材。     

提孜那甫河流域地表太阳辐射估算及其影响因素分析

地表太阳辐射是地球表层主要能量来源,对地表能量平衡、能量交换以及生态水文过程等具有决定性意义。山区地形复杂,其地表太阳辐射时空差异较大且较难估算。采用适用于山区的地表太阳辐射模型对西北昆仑山提孜那甫河流域地表太阳辐射时空分布进行了估算,分析了该流域季节太阳辐射空间分布规律并探讨了地形和云2个重要因素对太阳辐射空间分布的影响。结果表明:（1） 地形因子中周围地形阻挡即地形开阔度（Sky view factor,SVF）与年总太阳辐射的关系最为显著,太阳辐射随SVF增加而增加。（2） 年总太阳辐射随着高程增加首先减少,再而随之增加。探究SVF随高程的变化,发现其与太阳辐射随高程的变化趋势较为一致,因此在山区复杂地形下地表太阳辐射估算中仅利用高程对其校正存在明显不足,需综合考虑地形效应。（3） 研究计算了季节云出现频率空间分布与太阳辐射空间分布的相关系数,结果表明夏季太阳辐射受云影响较其他季节显著。定量分析了地形因子以及云对地表太阳辐射空间分布影响的贡献率,周围地形阻挡SVF对地表太阳辐射空间分布的影响最大,高程和云次之。因此综合考虑地形和云对太阳辐射的影响在山区太阳辐射模拟中是非常必要的,研究可为山区地表太阳辐射模拟提供理论依据,并为山区生态水文过程研究提供方法支撑。     

复杂地形地表风场诊断模式的改进及在湖北省的应用

本文结合湖北省梅雨期环流和地形的实际情况,对Mass-Dempsey一层中尺度模式作了改进,通过若干实例的数值试验和对比分析,说明改进后的模式对该地地表流场有较强的诊断能力,也可以为当地降水预报提供参考依据。     

蒙古高原风蚀颗粒物空间过程数值模拟及预报

基于WRF-IWEMS耦合模型对2016年3月1~9日发生在蒙古高原的强沙尘天气过程进行数值模拟,着重模拟了尘源、粉尘传播路径以及粉尘扩散过程中浓度变化和影响范围,并采用卫星影像、站点监测数据与模型结果进行对比分析。结果表明：此次风沙天气过程的尘源分布在新疆哈密地区、阿拉善高原、中蒙边境戈壁地区以及浑善达克沙地部分地区,粉尘自源区分别沿河西走廊、贺兰山区、张家口等地扩散至华北和京津地区。蒙古高原土壤风蚀可使华北地区来自自然源的大气颗粒物PM₁₀、PM_2.5浓度分别达到1 000 μg·m^-3、200 μg·m^-3以上,还可使华北地区大气颗粒物浓度高于200 μg·m^-3的天气持续48 h以上。     

绿化对冬季山谷城市边界层结构影响的数值模拟研究

利用RAMS模式模拟了兰州南北两山绿化对冬季兰州城市边界层结构的影响。结果表明:两山绿化改变了近地面的温度场和风场,从日平均温度来看,绿化在兰州冬季表现为明显的增温效应;从风场来看,白天14:00南山的谷风环流增强,北山变化不明显;晚上02:00北山的山风环流明显增强,南山则出现相反的情况;绿化改变了地表能量平衡,绿化后由于地表反照率的减小,使得到达地面净辐射增加,增加的净辐射其中一部分以感热的形式来加热大气;绿化后地气之间的湍流交换增强,增加了大气不稳定度,减弱了白天城市上空的悬浮逆温;本文还讨论了不同绿化布局对白天悬浮逆温的影响。     

Traction image method for irregular free surface boundaries in finite difference seismic wave simulation

In this study, we propose a new numerical method, named as Traction Image method, to accurately and efficiently implement the traction-free boundary conditions in finite difference simulation in the presence of surface topography. In this algorithm, the computational domain is discretized by boundary-conforming grids, in which the irregular surface is transformed into a 'flat' surface in computational space. Thus, the artefact of staircase approximation to arbitrarily irregular surface can be avoided. Such boundary-conforming gridding is equivalent to a curvilinear coordinate system, in which the first-order partial differential velocity-stress equations are numerically updated by an optimized high-order non-staggered finite difference scheme, that is, DRP/opt MacCormack scheme. To satisfy the free surface boundary conditions, we extend the Stress Image method for planar surface to Traction Image method for arbitrarily irregular surface by antisymmetrically setting the values of normal traction on the grid points above the free surface. This Traction Image method can be efficiently implemented. To validate this new method, we perform numerical tests to several complex models by comparing our results with those computed by other independent accurate methods. Although some of the testing examples have extremely sloped topography, all tested results show an excellent agreement between our results and those from the reference solutions, confirming the validity of our method for modelling seismic waves in the heterogeneous media with arbitrary shape topography. Numerical tests also demonstrate the efficiency of this method. We find about 10 grid points per shortest wavelength is enough to maintain the global accuracy of the simulation. Although the current study is for 2-D P-SV problem, it can be easily extended to 3-D problem.