人为热源对城市边界层结构影响的数值模拟研究

用南京大学多尺度模式系统在不同区域进行了多种人为热源引入方案的研究,结果表明：考虑时空变化的人为热源按比例分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程是将人为热源引入模式的最优方案.人为热通量密度变化的敏感性试验结果发现：人为热源的存在对城市热岛的生成有重要作用.计算结果表明,南京现有的人为热源排放量对该地区的城市热岛贡献率约为29.6％,若人为热通量密度在现有量值的基础上增大1倍,则其热岛贡献率可达42.9％;此外,人为热的排放对清晨城市边界层逆温结构有一定程度的破坏作用,能明显升高夜间近地层气温达0.5～1.0℃,并能使白天湍流活动的影响范围增大,混合层高度抬高,使夜间城市热岛环流的影响范围扩大.     

气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文在已有的三维雷暴云起、放电模式中加入了一种经典的气溶胶活化参数化方案,结合一次长春雷暴个例,进行了雷暴云起放电数值模拟试验.研究显示气溶胶浓度改变对雷暴云微物理、起电及放电过程都有重要影响.结果表明：（1）污染型雷暴云中气溶胶浓度增加时,云滴数目增多,上升风速加强;云中冰晶与霰粒子数浓度增加但尺度减小;（2）相对于清洁型雷暴云,污染型雷暴云非感应起电过程弱,感应起电过程强,起电持续时间长;（3）污染型雷暴云中首次放电时间延迟,闪电持续发生的时间长,总闪电频次增加,正地闪频次增加明显.

     

青藏高原地区气溶胶的时空分布特征及其辐射强迫和气候效应的数值模拟

利用美国的SAGEⅡ全球月平均格点卫星资料, 对青藏高原地区的大气气溶胶状况进行了分析. 分析表明高原上空平流层大气气溶胶的光学厚度在冬季最大, 春、秋季次之, 夏季最小, 存在明显的季节振荡现象. 然后利用MM 5模拟了气溶胶的辐射强迫状况, 结果表明, 相对于设置均一的背景气溶胶而言, 青藏高原地区的辐射强迫均为正值. 高原上地面土壤温度和地面气温均有所增加, 增加的量级相当, 但增幅略小. 高原上500 hPa处的气温也有所增加, 增幅比地面气温的增幅更小, 但仍处于同一个量级.     

北京夏季晴天边界层特征及城市下垫面对海风影响的数值模拟

对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6－7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离.     

北京地区城市环境对云和降水影响的个例数值模拟研究

本文利用中尺度可分辨云模式(WRF,Weather Research and Forecasting)对2011年8月14日北京地区一次强降水过程进行了数值模拟和敏感性试验,研究了城市环境(包括城市气溶胶和城市地表)对北京地区云和降水的影响.研究结果表明:城市气溶胶污染增强和城市地表使得北京地区(城区和周边)降水量减少,对城区平均累积降水量的影响作用分别为-38.92%和-3.4%.降水系统向北京主城区移动过程中,城市气溶胶在城市环境影响降水过程中的作用逐渐减小为85.13%,城市地表的作用增加到14.87%.城市污染气溶胶增强,使得非降水性粒子增多,而降水性粒子减少,这不利于对流的发展增强,使得水汽的垂直输送减弱,导致区域降水量减小.城市地表对强对流的发展也表现为减弱作用,这使得水汽的垂直输送减小,区域降水量减小.     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

东亚地区矿物尘气溶胶直接辐射强迫的初步模拟研究

为研究东亚地区矿物尘气溶胶的直接辐射效应,在区域气候模式RegCM3中加入起尘方案、建立矿物尘气溶胶输送模式,并将其辐射过程加入区域气候模式的辐射方案.通过对2001年3月～2002年3月的模拟发现：中国西北和蒙古国年平均地表起尘率在1μg/(m2·s)以上,最大达到90μg/(m2·s)是东亚地区最主要的矿物尘气溶胶源地;东亚地区矿物尘气溶胶柱含量最大值达5g/m2,出现在塔克拉玛干沙漠和秦岭地区;气溶胶大气顶直接辐射强迫基本呈现大陆上为正、海洋上正负均有的分布特征,区域平均辐射强迫在春夏秋冬分别为1.08, 0.88, 0.37,0.40W/m2,短波辐射强迫在陆上为正、海上正负均有,长波辐射强迫均为正值;四季的地表辐射强迫分别为-5.64, -2.25, -1.37, -1.87W/m2;辐射强迫数值对矿物尘气溶胶单次散射反照率的变化较敏感.     

气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究

本文基于北京地区快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC),通过对北京2014年汛期的32次降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了气溶胶污染引起的云滴数增加对北京夏季降水精细数值预报的影响.研究结果表明:BJ-RUC系统中默认的云滴数浓度偏低,采用根据环境模式预测结果计算的云滴数浓度后(BJ-RUC-Nc算例)预报效果更接近实况;气溶胶增多可以增加或减少降水.具体表现在:(1)2014年汛期北京地区降水主要集中在东北区域(平谷、密云、顺义)、城区次之,数值模式能较好的反映出降水的整体分布和趋势;(2)BJ-RUCNc对于小雨、中雨、暴雨的预报优于BJ-RUC,更接近观测;(3)气溶胶浓度增加,当水汽供应充足(不足)时,会促进(抑制)降水性粒子形成,降水效率提高(降低),降水增加(减少).     

北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明：参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.

     

日本琵琶湖流域大气边界层的三维数值模拟

本文在地形坐标下引入一种水平导数差分近似方法,建立一个适合日本琵琶湖复杂地形、满足静力平衡条件的三维非定常大气边界层数值模式。在弱的背景风场下,模式加入了琵琶湖流域的实际地形,计算结果表明:模式运行十分稳定,且占机内存小,节省计算时间,同时模式还做了流域地形、湖泊本身存在与否等因子对边界层风场影响的数值试验。在强的背景风场下,模式加入了经过适当平滑的琵琶湖流域地形,得出了一些有益的看法。     

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

城市冠层结构热力效应对城市热岛形成及强度影响的模拟研究

本文在城市边界层预报模式中耦合了一个单层冠层模式,此模式能够体现城市冠层结构和人为热源对城市热岛的共同作用.通过传统平板模式和城市冠层模式的模拟结果与自动气象站观测资料对比发现,耦合了城市冠层模式的模拟结果与观测资料更为吻合,尤其能够较好地模拟出城市地区夜间地面的气温变化情况.对北京城市区域的模拟结果进行分析,白家庄地区冠层建筑物使得城市地区气温白天下降,夜晚上升,不考虑人为热源作用时,城市冠层使得白家庄站地面气温白天最低下降2.5℃,夜间气温最大升高为4.7℃.针对模拟区域较小的理想算例模拟结果分析表明,城市冠层模式能够很好地模拟城市地区地表能量平衡关系,体现城市冠层对长短波辐射的封截以及热量存储能力,全天平均净辐射通量由传统模式的43.38 W/m2变为84.19 W/m2,热存储通量白天最大值为278.04 W/m2,夜晚最大释放热存储通量为160.35 W/m2.冠层建筑物和人为热源对夜间城市热岛强度的贡献分别为70.65％和29.35％.城市冠层建筑物对夜间城市热岛的形成起决定性作用.     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

深基坑开挖对周边环境影响范围的数值模拟研究

为研究深基坑开挖对周边环境的影响范围,以泉港地下储粮库项目工程为背景,利用三维岩土工程有限元软件PLAXIS^3D 进行数值模拟,对比了摩尔—库仑(M-C)本构模型和高级硬化本构模型(HS本构模型)对模型沉降变形的影响。同时计算了逐级开挖基坑变形影响范围以及监控点的沉降和水平合位移曲线。研究结果表明：从位移量值来看,基坑开挖引起的水平变形远大于沉降变形,水平变形与沉降变形的比值,约为4:1;基坑开挖过程中降排水引起的地表沉降变形影响范围较大,但量值较小;而土体开挖引起的变形较大,但变形影响范围有限,仅限于基坑周边一定距离;采用M-C本构模型与HS本构模型,得到的变形规律基本一致。     

地下空洞的面波场地效应数值模拟研究

工程中存在大量的地下空洞结构,这些空洞会影响地震波的传播从而产生场地效应.通过数值模拟方法研究分析地下空洞对面波传播的影响和场地效应.结果表明:面波在传播中遇到地下空洞会发生散射和反射,产生反方向传播的反射面波和向空间传播的转换体波,使得空洞的远源侧中部和下方能量大幅增强,远源侧地表及近地表处能量有所减弱,近源侧能量稍...     

青藏高原对东亚夏季风影响的数值模拟

本文基于大气环流模式CAM,对青藏高原大地形进行简单处理并积分15年,在月和候时间尺度上对比分析了东亚夏季风对高原的响应特征.模式模拟结果表明:高原的隆升加强偏北风,使热带季风爆发之前华南及长江流域的降水加强,并通过对高层大气的显著加热作用,强化了东亚地区上层大气的南北热力差异,使得东亚夏季风加强.在西南风引导下,暖湿气流北上并使长江及江淮流域梅雨期提前,雨量加大且持续时间更长,进而使太平洋副热带高压位置偏西,并改变了东部沿海地区的降雨分布,使其呈现出旱涝相间分布的状况.自7月上旬,高原的存在反而减弱了北方雨季的降雨强度,但是延长了北方降雨期.同时由于降雨释放潜热减少与偏南风加强的作用相互消减,使得337.5假相当位温线到达最北时的位置变化不大.     

爆破地震动效应的数值模拟分析

爆破设计中,场地条件复杂时经验公式的应用受到一定限制。本文采用波动有限元分析方法,研究复杂场地条件下工程爆破时场地的地震动效应,研究爆破地震动特征及衰减规律。根据某重点工程场地岩土参数的原位测试和试验结果,用自行研制的软件包进行场地爆破地震动效应的数值模拟分析,为工程爆破设计及施工前建筑物、仪器设备的加固提供了依据。施工试爆实测结果与本文数值模拟分析给出的结果一致,说明本文方法是可行的,对其它工程也有借鉴作用。