城市湍流边界层内汽车尾气扩散规律数值模拟研究

以纳维斯托克斯方程组、大气平流扩散方程、湍流动能及湍流动能耗散率方程组为基础．采用伪不定常方法,建立了一个数值模式．利用该模式列城市湍流边界层内流场结构及汽车排放污染物扩散规律进行了研究。结果表明：街谷内会形成一个涡旋型流场．汽车排放污染物浓度在地面及建筑物背风面产生堆积,且其沿高度方向的梯度变化在背风面大．迎风而小。随着街谷两侧建筑物屋顶风速的增大,峡谷内形成的涡旋流场的强度增大,污染物扩散速率增大：当屋顶来流与街道之间的夹角逐渐增大时．涡旋中心位置由街道中心偏向于背风面及更高层且污染物扩散速度加快。     

建筑物对称性对大气输移特性影响的模拟研究

运用修正的k-ε双方程湍流模型分别对非对称性建筑物和对称性建筑物周围的流场和污染物浓度场进行模拟,计算出地面风速为3 m/s时不同建筑物周围的流场与污染物浓度场分布。结果表明:建筑物的形状对建筑物周围风场和污染物浓度场有明显的影响,不同形状建筑物尾流区形态各不相同。数值模拟结果对研究建筑物周围的传输特性有一定的指导意义,并对污染物的扩散机理进行了探讨。     

城市街谷几何结构对街谷内流场及污染物浓度场影响的数值模拟

利用数值模拟方法研究了微尺度街道峡谷范围内街谷几何结构及街道两侧建筑物高度对称性对街谷内流场及机动车排放污染物扩散规律的影响。结果表明:当街道峡谷高宽比>2.1时,街谷内的流场结构由一个完整的垂直涡旋变为上下两个反向运动的强弱不同的垂直涡旋。各类型街谷内污染物扩散水平从强到弱依次为迎风面建筑物高度大于背风面建筑物高度的街道峡谷,迎风面建筑物高度小于背风面建筑物高度的街道峡谷;平行型街道峡谷。     

三维非静力E—ε闭合模式对山体流场及浓度分布的模拟

本文采用三维非静力E-ε闭合模式,在对流层边界层方程组中,加入湍能和耗散率方程描述边界层中的湍流运动。求解孤立三维山地地形上的流场、湍流场和浓度场,并分析地形对气流的影响及对污染物浓度分布的影响。同时做了不同坡度和不同风速下的孤立三维山体的流场、湍流场和浓度场比较。数值计算结果表明,地形能改变气流运动,气流过山时将出现分支现象,山后背坡有反向回流出现,并且回流区大小随着山体坡度的增大而增大。山体对气流的阻挡作用随山体高度的增加而更明显,随风速的增加而减弱。湍能及耗散率随高度衰减较快。随着山体坡度增加,山前气流的垂直速度也增加,湍流运动更强。风速大时湍流运动越显著。污染物在山前出现辐散,迎风坡是浓度高值区,山后背风坡也是相对高值区。山坡度越大,山前迎风坡污物浓度越高。     

上海市气象场与SO2浓度数值模拟

采用地形坐标系下适合于复杂地形且满足地－气耦合的静力学三维中－β尺度气象预报模式，使用08时的实测流场经变分法初始化后得到的初始流场，模拟研究了上海地区的局地流场时空演变特征，模式较细致地考虑了湍流，长短波辐射，凝结，蒸发，地表热力平衡等因子，在此基础上，使用有限元法数值求解一阶闭合的三维区拉平流扩散方程，模拟了上海地区的SO2浓度分布，结果表明：上海的局地流场具有明显的日变化特征，受海陆温差的影响明显，日间风速较夜间风速大，风向呈顺时针旋转，在不同稳定层结情况下，高架点源排放的高空污染物对地面的污染物浓度有贡献，会千成地面污染物浓度升高。     

基于大涡模拟的小区气候态精细化风环境模拟试验

对具有复杂下垫面的小区精细化风环境进行数值模拟是当前城市气象研究的热点,而针对具有复杂地形的山地型城市（如重庆）的研究还比较匮乏。本文采用能显式分辨下垫面陡峭地形和复杂建筑物的计算流体力学（CFD）模式对重庆市渝北区龙湖社区气候态下的精细化风环境进行高分辨率的数值模拟。结果表明,下垫面能显著调节小区内风场的分布,风速大值区主要出现在九龙湖等开阔区域以及与中尺度背景入流方向一致的街道中。在夏季,小区整体风场以东南风为主,而其他3个季节则以偏东风为主。4个季节中,夏季小区内的风速最大,平均风速为0.3 m/s左右,局地能出现大于背景风的风速,可达0.8 m/s;其他3个季节的风速则较弱,区域平均的风速在0.2 m/s左右。不同的建筑物布局对局地风环境的影响也不同:单个孤立高层建筑迎风面的近地面存在明显地绕流,局地风速有所增加,而在背风面则形成尾流区,水平风速较低;在低矮分散的建筑群,建筑物的整体高度不高,区域内流场相对来说比较一致,风速较大,有利于小区的通风;在密集高层建筑群内,由于建筑物群本身的布局比较封闭,加之不同建筑物的环流场存在相互干扰及影响,使得小区近地面风速几乎为零,不利于小区通风和污染物扩散。建筑物的这些影响在城市冠层内尤为明显,高度越高这种影响越弱。     

台风“莫拉菲”登陆期间深圳排牙山周边风场结构的数值模拟研究

以计算流体力学软件FLUENT为工具,模拟台风“莫拉菲”登陆期间深圳大鹏半岛排牙山周边的风场三维结构。通过研究得到了强风条件下山地风场的概念模型,并得到以下结论:(1) FLUENT可较合理地模拟出强风条件下复杂地形的三维风场结构,描述山体对于风场和湍流场的影响;(2) 山体的动力学效应可使高大山体迎风侧和山顶之上的局地风速加大;(3) 高大山体背风侧为弱风区、风速强切变区和强湍流区。      

冷空气强风在大型城市中的精细结构和形成机制

地面强风可直接造成人员伤亡和经济损失,严重影响出行安全、工农业生产等社会秩序。强风的发生与天气系统和复杂下垫面的共同作用密切相关,在城市区域尤为明显。受数值模拟技术和计算资源的限制,对实际天气条件下大范围城区的强风现象进行建筑物分辨率的大规模数值模拟研究仍是一个挑战。本研究利用中尺度气象模式嵌套流体计算动力模式的超高分辨率局地气象预报系统,对强冷空气过程造成广州市区的一次强风事件进行数值模拟,深入探讨强风的精细结构和形成机制。结果表明,伴随着强冷空气入侵,广州市区的平均风速和风场高频扰动均明显增强,且在城市冠层顶尤为明显,呈现区域不均匀的三维结构,数值模拟与地面观测相一致。较大范围的强风速和阵风主要出现在建筑物较为低矮的老城区上空,并持续影响下游河道等开阔区域。在高层建筑密集的新城区,虽然整体风速明显减弱,但能在平行风向的街道狭管和下游区域形成局地强风。特别是,超高层建筑群引起显著的垂直环流,导致强风扰动向下传播,造成最大风速达8 m s?1的地面局地强风,阵风指数接近2。上游建筑群引起的风场扰动呈现大尺度湍流结构,能沿着平均气流传播影响数公里之远的下游地区。当风场扰动经过广州塔等单体超高层建筑时,可在其两侧绕流区再次加强,形成局地强风。局地强风和阵风还出现在垂直于风向排列的沿江高层建筑群的侧边,与建筑屏风的阻挡效应和缺口溢出有关。研究结果促进认识城市强风的时空特征和物理机制,有助于提升城市气象的精细化预报水平。     

CALPUFF在沈阳地区大气污染模拟中的应用

利用CALPUFF模拟了2006年1月5日沈阳地区大气污染物扩散。结果表明,CALPUFF能够直观、真实地模拟大气环境中污染物浓度的分布。污染物扩散的范围与风速相关,风速大时污染物扩散的范围大,风速小时污染物扩散的范围小。当污染物扩散的范围大时污染源附近的污染物浓度值小,污染物扩散范围小时污染源附近的污染物浓度大。其中,日平均浓度的分布受平均风场和地形的双重影响,实时浓度的分布主要受风场的影响。     

CALPUFF在沈阳地区大气污染模拟研究中的应用

利用CALPUFF模拟了2006年1月5日沈阳地区大气污染物扩散。结果表明,CALPUFF能够直观、真实地模拟大气环境中污染物浓度的分布。污染物扩散的范围与风速相关,风速大时污染物扩散的范围大,风速小时污染物扩散的范围小。当污染物扩散的范围大时污染源附近的污染物浓度值小,污染物扩散范围小时污染源附近的污染物浓度大。其中,日平均浓度的分布受平均风场和地形的双重影响,实时浓度的分布主要受风场的影响。     

上海市气象场与SO2浓度数值模拟

采用地形坐标系下适合于复杂地形且满足地-气耦合的静力学三维中-β尺度气象预报模式,使用08时的实测流场经变分法初始化后得到的初始流场,模拟研究了上海地区的局地流场时空演变特征。模式较细致地考虑了湍流、长短波辐射、凝结、蒸发、地表热力平衡等因子,在此基础上,使用有限元法数值求解一阶闭合的三维欧拉平流扩散方程,模拟了上海地区的SO₂浓度分布。结果表明:上海的局地流场具有明显的日变化特征,受海陆温差的影响明显,日间风速较夜间风速大,风向呈顺时针旋转;在不稳定层结情况下,高架点源排放的高空污染物对地面的污染物浓度有贡献,会造成地面污染物浓度升高。     

用K理论研究南京大厂地区污染物扩散

本文用三维K理论扩散方程对南京大厂地区污染物浓度分布特征进行了讨论。在K理论扩散方程中,输入的风速廓线、扩散系数廓线采用Businger通量廓线关系式。用塔层风资料求取了南京地区近地面特征量。用具有四阶精度的Chapeau函数方法对三维K理论扩散方程进行数值求解,计算了大厂地区SO_2年平均浓度分布,和实测值基本上吻合。本文还研究了忽略水平扩散系数、不考虑风速随高度变化,对污染物地面浓度分布的影响。结果表明:在点源的下风方1—5千米范围内,不管是较强的还是较弱的风,忽略水平扩散系数都会使计算的地面浓度估计过高;忽略风速随高度的变化,会给计算带来一定的误差。     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

2007年冬季沈阳典型大气污染源PM10排放模拟

选取沈阳市区9个典型的大气污染源冬季的PM10。排放浓度资料,利用MM5耦合CALPUFF对2007年12月至2008年2月沈阳城市区域气象场和排放PM10。浓度分布进行月平均数值模拟。结果表明：冬季沈阳地区受高压控制,北风较强,并经过增强、减弱的过程,多呈现对大气污染物扩散不利的天气形势。高空为偏西风且风速较大时,地面和高空有明显的风向和风速的切变,切变有增强和减弱的变化。2007年冬季沈阳市区域月平均大气污染最严重的是2月,污染物分布主要集中在南部、东南部地区,南部地区大气污染最为严重。PM10。浓度分布的范围与风场、地形有直接的关系。地势平坦、风速大时,污染物扩散范围大,污染物浓度小;地势不平、风速小时,污染物扩散范围小,污染物浓度大。     

海岸地区空气污染物输送与扩散的数值模拟

本文建立了求解三维扩散方程的数值模式,以经过处理地形影响经连续方程调整模式计算得到的三维风场和实测铅直湍流扩散系数作为输入,模拟了沿海城市秦皇岛地区海陆风演变过程中空气污染物(SO_2)浓度的时空分布(x-y和y-z两个剖面)。模式的数值求解,在水平方向采用伪谱方法,铅直方向采用上游格式和六点格式,对三维扩散方程运用分步求解的数值方法,用计算所得的地面SO_2浓度分布和实测值比较,一致性相当好。显示在早晨和傍晚出现极大值,午后出现极小值。计算所得的日平均浓度与实测结果相比,也相当吻合。分析表明,本文所建模式行之有效,且数值计算稳定性表现良好。     

地转动量近似下边界层中风场的调整

本文利用地转动量近似,并假设气压场为定常的圆形涡旋和初始风场不满足四力平衡(气压梯度力、科里奥利力、湍流粘性力和半地转惯性力)的条件下,求解了正压边界层中风场向气压场调整的初边值问题,得到了一些初步结论。本工作为利用四力平衡下的风速分布来诊断预报边界层风场提供了理论依据。     

凹坑地形风流结构对污染物散布的模拟研究

利用建立的三维非静力高分辨率高阶湍流闭合模式与随机游动扩散模式研究了一个深凹露天矿区污染物散布的规律,同时在风洞中进行了示踪实验。结果表明,由于凹坑内复环流结构的存在,使得坑内污染物浓度较大,且浓度最大值出现在源的上风侧。数值试验与风洞试验结果吻合较好。     

山地露天矿自然通风风流与湍流结构的数值模拟

利用建立的三维非力能量闭合的大气边界层数值模式，研究了中性层结条件下某露天矿自然通风的风流和湍流结构特征及影响因子。研究表明：坑内水平风场在坑底或采壁处受地形的影响很大，在矿采深与开口宽度比较小或者来流风速随高度的切变不大时，坑内气流为平直型，有利于通风；反之坑内则形成环流，且在环流范围内较大的湍能，不利于通风，易产生高浓度的污染物。本模式模拟的结果还与风洞模拟和高阶闭合模式模拟的结果作了检验比较     

行星边界层内扩散特征的一个数值研究

使用近年来PBL内实测平均风,湍流统计量和拉氏时间尺度随高度变化的结果,对用最简单的二阶闭合假设导出的三维定常物质连续方程作数值解,分析讨论了风速、风向和湍流统计特征量的垂直切变以及粗糙长度z_0对PBL内浓度分布的影响。本文的结果对PBL内湍流扩散本质的认识及污染模式的建立均有益处。     

北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究

利用北京325 m气象塔资料对1993年4月9日北京地区出现的一次特大强风过程的边界层结构（风、温、风切变及阵风特征）进行了分析。随着该次大风的过境，边界层内风场出现数个风速高值中心，高度位于200～300 m，时间间隔1～3 h。伴随上层风速垂直切变和阵风特性。湍流能谱的计算结果表明了大尺度涡旋对边界层湍流微结构的影响。