建筑物下洗效应的模拟试验分

摘要：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/m³,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/m³。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。

     

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。     

膜下条播冬小麦节水效应

分析了地膜覆盖对冬小麦麦田耕层土壤水分的影响，并从试验数据和农田蒸散计算两个方面得出；地膜冬麦与露地冬小麦相比，在北疆可节水520m^3/hm^2，在南疆可节水360-1060m^3/hm^2。     

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。     

应用城市冠层模式对建筑物表面太阳辐射的分析

利用城市冠层模式对建筑物表面的太阳辐射进行模拟,并将模拟结果与部分观测作了对比,一致性较好。在此基础上重点研究由于建筑物之间的遮蔽效应和墙面间的反射作用对建筑物各墙面所接收到的太阳辐射的影响。结果表明:(1)冬季建筑物墙面之间的遮蔽效应会明显减少建筑物的太阳辐照度,而且在早晨和傍晚尤为明显,在实际对太阳能利用的过程中,应该考虑这种遮蔽效应,否则会高估壁面所获得的太阳能。墙面之间的反射会小幅增加壁面太阳辐照度10～20 W.m-2。(2)建筑物墙面间的遮蔽效应和反射辐射随建筑群的高度和密度的增加而增大,特别在冬季,高而密的城市建筑区域,由于墙面的遮蔽,会使得壁面的日照时数大大减少。(3)纬度能够影响墙面遮蔽时间和太阳辐射相对于墙面的倾斜角,冬季,纬度越高,南墙日照时数越小;夏季则反之。     

建筑物对周边气温影响的初步研究

随着城市化进程的加快,建筑物成为影响气温观测的最重要因素之一。为了定量研究建筑物对周边气温的影响,应用城市小区尺度模式,选取气象站观测的3个重要时刻(14∶00、20∶00以及02∶00,北京时间),模拟了草地下垫面上长60 m、宽20 m的孤立建筑物,在不同高度(6、18、30m)及不同初始风速(2、4、6、8、10 m·s~(-1))条件下建筑物下风方的气温变化。研究结果表明:(1)由于建筑物的存在,夏季晴天14∶00建筑物下风方最大增温可达2.4℃,夜间20∶00和02∶00建筑物下风方最大降温分别为1.0℃、2.4℃。(2)以影响幅度大于0.1℃为标准,建筑物对下风方气温影响的最大距离在14∶00为11.7倍建筑物高度;而在20∶00和02∶00分别达到36.7倍和21.7倍建筑物高度,超过气象探测环境保护条例规定标准。(3)建筑物导致下风方风速衰减,从而增加了湍流动能中机械产生项的作用,即风速衰减幅度越大,对气温变化影响作用越强;而在白天不稳定层结下,建筑物造成的太阳辐射遮蔽效应对气温变化也有一定影响,建筑物越高,反而会在一定程度上减弱增温效应。     

一次暴雨过程数值模拟与诊断分析

利用NCEP/NCAR分辨率为1°×1°再分析资料和气象台实测降水资料及TRMM 3 h降水资料,采用WRF中尺度数值模式,对2010年7月22日发生在黄河流域中游南部的一次暴雨过程进行了数值模拟及诊断分析。结果表明：WRF模式能较为成功的模拟出本次暴雨过程。此次暴雨在大尺度环流形势上,是由于西太平洋副热带高压与河套低压槽的共同影响产生的;来自印度洋、中国南海的大量水汽输送为暴雨提供了充足的水汽来源。处于200 hPa的高空急流,由于地转调整激发出了中尺度重力波,使用散度场、云水分布,能够确定中尺度重力波的存在和移动方向。在利用模拟资料分析重力波对甘肃省东部地区暴雨产生的原因时得出：高空急流中产生的中尺度重力波与低层大气对中尺度重力波的吸收作用,共同导致了该地暴雨的发生。由高空急流风向和非线性平衡方程的数值分布情况,可以提前判断中尺度重力波发生的区域和移动方向,从而能够提前对暴雨可能发生的区域和时间作出预报。     

TOGA型海-气耦合模式直接模拟的SST误差分析

本文对一个TOGA(热带太平洋和全球大气)型耦合环流模式直接耦合30 a(1980—2009年)的模拟结果进行分析,发现模拟的热带太平洋海表温度存在严重的"气候漂移"现象。通过对模式海表温度控制方程中加热和冷却项的分析,特别是对海表热通量和风应力的分析,指出了两者的误差在热带太平洋海表温度的"气候漂移"现象中扮演的角色。为了进一步证实分析的结果,通过4个敏感性试验分析热通量和风应力对热带太平洋海表温度分布的作用,特别是热通量对西太平洋暖池的形成,而风应力对东太平洋冷舌的形成均有重要的作用以及纬向风应力和经向风应力对冷舌形成的相对贡献。     

北京地区沙尘暴天气分析及数值模拟

北京地区春季是风沙天气的多发季节 ,2 0 0 0年春季冷空气活动频繁 ,我国西北、华北多次出现大范围的沙尘暴天气 ,给人民的生活生产、交通运输及国民经济都带来很大的危害 ,而且沙尘天气造成的空气污染严重影响人们的身体健康。文中主要对 2 0 0 0年 4月 6日沙尘暴过程进行了天气分析 ,并用非流体静力中尺度数值模式进行预报和模拟研究。结果表明 ,此次沙尘暴天气是高空小槽沿大槽后强西北气流东移时发展加深 ,引导一次强冷空气南下所致 ;数值模式对沙尘暴到达北京地区的时间、地面风速、风向的突变都做出了很好的预报 ;沙尘暴发生时中低空有很强的垂直上升运动和正涡度中心 ,其形成、发展和移动与沙尘暴的过境时间和移动方向基本一致。同时利用空气质点轨迹模拟与分析方法进行了沙尘暴过程空气质点轨迹分析 ,所得结果与实况及卫星监测轨迹一致     

超强台风“Saomai”的数值模拟及诊断分析

利用美国NCEP/NCAR全球预报系统的GFS资料以及中尺度非静力模式WRF,针对超强台风“Saomai”进行高分辨率数值模拟及诊断分析,模拟区域采用单层网格,分辨率为5km。研究结果表明,高分辨率数值模拟较好地再现了台风“Saomai”的发展演变过程及登陆情况。模拟的台风路径与实况较为吻合,变化趋势也基本一致;同时,模式对台风“Saomai”的环流场结构和台风登陆期间的累积降水分布特征也取得了较好的模拟效果。进一步通过850hPa涡度、相对螺旋度、水汽通量等对台风“Saomai”发展演变及登陆期间引起的暴雨开展模拟诊断,结果表明:在模拟时间段内,涡度和相对螺旋度的强中心与暴雨区中心有较好对应,水汽通量对降水趋势有较好的指示,上述诊断物理量的演变与降水的时空变化较为一致,在一定程度上具有指示意义。     

一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

利用NCAR、NCEP和FSL/NOAA等共同研制的WRF中尺度数值模式,对2009年6月3日河南地区发生的一次飑线过程进行数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明:WRF模式成功地再现了高低空环流形势演变及强对流的分布发展特征,高空冷涡后部冷空气南下,近地层较暖,形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时,该地区出现的低空增温增湿、低空急流的爆发及低层急流核向东南快传、高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空,对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等对此次强对流天气过程有较好的指示意义。     

地形影响下四川暴雨的数值模拟分析

本文以NCEP资料为初值场对2004年9月3日到5日地形作用下四川省一次暴雨过程进行数值模拟,并在模式中加入加密的观测资料(OBS)进行模拟,结合实况对这两种模拟结果进行分析表明:前者模拟出的降水强度与实况相比有较大偏差,而后者的降水与实际更为相符,这表明加密观测资料对再现暴雨强度具有重要的中尺度信息作用.对大巴山的地形敏感性试验和诊断分析表明:大巴山地形使得西南暖湿气流所带来的水汽和热量在迎风坡堆积,从而在迎风坡和山顶出现较强的降水中心;而地形降低为"平台"后,大巴山降水中心减弱消失,说明地形对降水的落区和强度有重要影响;中尺度物理量的诊断分析表明物理量场与降水有很好的对应关系,涡度、散度的高低层配置、垂直上升运动、水汽输送的方向和强度等对暴雨的落区和强度有着决定性意义;层结稳定度分析表明大巴山降水中心以非对流性降水为主.     

建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算

建筑物尖端周围大气电场畸变特征研究是大气电学的重要分支之一。假定建筑物为理想导体并与地面充分连接,通过有限差分法计算二维泊松方程,得出建筑物周围的电位空间分布。讨论建筑物尖端的高度、宽度以及相对位置对大气电场畸变的影响,结果表明:最大电场畸变系数λ_i随高度呈线性增加,且线性方程斜率随宽度增加而减小;λ_i随尖端位置沿建筑屋顶的中心线向两边呈对称递增趋势,此趋势随建筑物高度增加更为显著; λ_i随尖端宽度呈指数递减关系,且宽度对畸变系数的影响随高度增加变得尤为显著。     

太原市城市热岛的数值模拟及其成因浅析

本文根据1985年1月及1982年2月太原地区进行的两次大规模野外观测资料，运用中尺度准静力动力学模式，对太原市地形动力作用的形成的温度场进行了数值模拟，并综合分析了太原市城市热岛的成因。     

2013年6月26—29日江西暴雨过程的中尺度数值模拟分析

利用NCEP再分析资料和WRF模式,对2013年6月26—29日江西大范围暴雨过程进行了数值模拟分析。结果表明,西太平洋副热带高压脊线稳定维持在21°N附近,副高北侧强盛西南气流将水汽向江南北部地区输送是暴雨产生和稳定维持的主要原因。超低空偏南急流的建立、发展和维持是这次连续暴雨过程产生的一个重要因素,同时低空低涡南侧出现一串近似东西向排列的30～60km更小尺度的强对流系统,它们与大暴雨区相吻合;整层水汽通量密集区的南北界位置和暴雨区南北界位置基本吻合,整层水汽的大值中心的范围和大暴雨中心的范围具有明显的正相关关系;水汽通量散度最大辐合中心为暴雨的产生输送了大量的水汽,水汽辐合中心与暴雨的落区有很好的一致性;强降水落区与假相当位温最大值区相对应。     

雷达资料同化对暴雨预报影响的数值模拟研究

以CAPS研发的最新版ARPS模式为基础,利用其数据同化系统ADAS对南京多普勒雷达资料进行同化,模拟2009年6月5日江苏地区的一次暴雨过程,进行了不同的微物理方案设计以及何时同化雷达资料的敏感性实验研究。研究发现:(1)格距较小且不使用积云对流参数化的情况下,选择warm rain或Schultz微物理过程的模拟结果差别不大,且与实况较为相符,但选择ice微物理方案时,会造成1 h内的降水量突增百倍;(2)在参数一致的情况下,模拟研究时段前3、2、1 h分别同化,可以得到部分主要降水区域;但同化预报的时间越短,降水模拟的中尺度信息越明显,对降水量的控制也越好;(3)依据以上结论,在暴雨发生最初的1 h内进行每6 min一次的时间循环同化,然后积分2 h,可以得到较为精细的云内气象要素场分布,预报的结果与实况最接近。