地形对近地层风场日变化影响的数值模拟

利用修改的Mass模式和辽宁地区的地形资料，模拟了地形加热作用对辽宁地区近地层风场日变化的影响。结果表明，渤海和黄海北部海域对辽宁地区近地层风场的影响起着非常重要的作用。由于海陆加热的不同，加热冷却速度的不同以及山地地形等可产生不同的流场日变化。     

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。     

贵阳市严重大气污染的数值模拟

使用三维地形跟踪坐标系上的动力学流场模式和平流扩散方程浓度场模式、模拟了造成贵阳市冬季严重二氧化硫污染的局地环流特征以及相庆的ＳＯ２浓度分布，结果表明冬季稳定冷高压系统控制下的晴朗小风天气是造贵阳市严重大气污染的主要天气条件，其基本特点是地面小风，边界层下部较强的逆温层和城市盆地周围山坡的夜间冷泄流。     

复杂地形与建筑物共存情况下的风场模拟研究

下垫面的复杂性一直是数值模拟所面对的主要难题之一,尤其当复杂地形和建筑物同时存在时,问题变得极其困难,几乎已有的任何单一模式都难以很好模拟出复杂地形上建筑物周边的风场精细结构。为解决这一问题,提出利用中尺度模式RAMS与CFD模式FLUENT耦合的方法,利用RAMS的模拟结果驱动FLUENT进行复杂地形上建筑物周边风环境的精细模拟。数值模拟试验以“鹦鹉”台风登陆期间的香港国际机场为研究对象,模拟了强风条件下机场周边的风场精细结构。将模拟结果与南北两侧跑道边的6个自动站观测数据进行对比,发现风速与风向都较为一致,并较好地描述了由于建筑物所导致的机场南侧着陆航道上的横向风切变,解释了台风期间南侧跑道两架飞机着陆困难的原因。      

复杂地形条件下三维多源浓度场模拟

目前，国内外使用的大气扩散模式很多，主要的是高斯模式及对它的各种订正形式。高斯模式的前提条件是污染物浓度符合正态分布，是适用于开阔平坦地形上的中小尺度模式：由于高新模式的局限性，对于复杂地形和复杂流场情况下的天气扩散问题，更多地采用烟团模式或K模式，     

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。     

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。     

大中地形对近地面层流场影响的数值模拟

本文对Mass,C.F.等的一层边界层原始方程诊断模式进行了适当修改,用于诊断大、中尺度地形对近地面风场的动力影响。结果表明:(1)它可用来诊断地形对地面气流的动力影响,具有计算量小和一定的模拟能力;(2)1月地面在高原东北侧陕甘宁地区形成反气旋环流中心和从高原北部35°N经高原东部边缘到高原东南角附近地面形成风向辐合线,可能主要受高原的动力影响所致。(3)由于祁连山对1月西风气流的影响,在它的附近形成中尺度气候系统。这些情况与资料分析结果比较一致。     

兰州市冬季大气边界层结构特征的观测和数值模拟研究

本文利用甘肃省政府和中国科学院的科技合作项目"兰州市大气污染及对策研究"所获得的系留气球探空资料,并且结合数值模拟方法,对兰州市冬季大气边界层温度场特征进行了对比分析,结果表明:在没有特殊天气过程的典型冬季代表性时段,山谷城市兰州逆温边界层结构无论白天或夜间都存在,而且经常出现多层逆温和白天的脱地逆温情况,只有当冷空气过境时,逆温现象才减弱或消失;与观测结果相比较可以看出,数值模拟结果基本上反应了温度场的主要特征。     

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。     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

Models-3空气质量模式对兰州市污染物输送的模拟

较详细地介绍了美国环保总局的第三代空气质量模式系统Models-3的特点,并且针对兰州市冬季采暖期污染严重的特点,选取2002年12月份的个例,将兰州市最新的大气污染源资料加入模式中．对模式进行调试并检验了该模式对兰州污染的模拟性能。从模式对SO2,NO2和O3等几种大气污染物浓度的模拟结果与监测资料对比分析,表明该模式系统较好地模拟出了SO2,NO2的空间分布格局,模拟结果与监测结果比较吻合,而且模式模拟的污染物浓度场比较均匀;模式模拟的O3的日变化规律与资料分析结论基本一致,也符合O3的生成机理。因此该模式系统对于复杂地形条件下的城市污染物输送具有一定的模拟能力。     

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟 结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO₂和NO₂浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO₂和NO₂浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好.     

新源县复杂地形下的风电场风场结构特征分析

利用新源县风电场周边气象站及测风塔观测资料、ERA5-Land再分析资料和数值模拟结果,分析新源县风电场的风场结构特征。结果表明：（1）风电场周边气象站的逐小时10m风速均呈现出早、晚偏低,中午偏高的变化规律。喀拉布拉镇站和公安农场站的风向主要以东风和南风为主,肖尔布拉克沟站的风向则以南风为主。测风塔4302的风速随着高度变化不明显。测风塔4301-4306均存在南风和北风,但各风向占比有一定差异。随高度升高,测风塔南风风向呈现出东南转西南的趋势。（2）ERA5-Land资料不能很好地再现研究区域风场变化。（3）数值模拟的风场变化具有一定山谷风特征。夜间的风向以东南风为主,白天则低海拔河谷地带风吹向山顶,北部谷风逐渐主导东北风向。20时,风电场区域主要以西北风为主。     

本溪复杂地形条件下三维多源SO2浓度场模拟

用差分方法求解三维大气平流扩散多源方程,模拟了本溪地区SO2浓度的时空分布。通过1999年1月19日的模拟结果与监测值对比表明:模拟结果比较准确地反映了SO2浓度的实际变化情况;由模拟计算可知,本溪地区SO2的污染很严重,且SO2浓度的时空分布有明显的日变化。10:00以前的浓度值比较大,10:00之后浓度值逐渐减小,到18:00左右浓度值又慢慢变大。     

中尺度模式对冬季兰州市低空风场和温度场的数值模拟

利用美国NCAR新一代中尺度模式MM5V3，对山谷城市兰州冬季风场和温度场进行了数值模拟研究。模拟结果与现有理论及观测事实基本一致。表明MM5V3中尺度模式可用于研究山谷城市的大气边界层情况，模式能够较好地模拟山谷城市冬季边界层的风场和温度场特征，模拟结果分析表明，位于河谷盆地内的兰州，冬季近地面风场是山谷风环流和城市热岛环流共同作用的结果，冬季夜间地面流场辐合明显，低空盛行东风，夜间距地300m左右，风向转变为偏西风，白天风向转变高度高于夜间，大约在500m以上；冬季温度场逆温特征明显。     

Numerical Simulation of Flow over Two-Dimensional Hills Using a Second-Order Turbulence Closure Model

We study turbulent flow over two-dimensional hills. The Reynolds stresses are represented by a second-order closure model, where advection, diffusion, production and dissipation processes are all accounted for. We solve a full set of primitive non-hydrostatic dynamic equations for mean flow quantities using a finite-difference numerical method. The model predictions for the mean velocity and Reynolds stresses are compared with the measured data from a wind-tunnel experiment that simulates the atmospheric boundary layer. The agreement is good. The performance of the second-order closure model is also compared withthat of lower level turbulence models, including the eddy-viscositymodel and algebraic Reynolds stress models. It is concluded that thepresent closure is a considerable improvement over the other modelsin representing various physical effects in flow over hills. Thefeasibility of running a finite-difference numerical simulationincorporating a full second-order closure model on an IBM workstationis also demonstrated.     

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。     

兰州城区稳定能量及其与空气污染的关系

从能量学的观点出发，提出了描述地面至特定高度大气层结构稳定度的参数－稳定能量，并给出了具体计算方法。根据1988－1992年兰州气象站逐日08：00（北京时，下同）的探空资料，计算了300－1000m每隔50m共15层的稳定能量。利用同期兰州市环境监测站自动监测系统监测的兰州城区3种主要空气污染物二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物（SO2、CO、NOX）的日平均浓度资料，计算了地面气象要素、低空气象参数、低空风和稳定能量等气象因子与SO2、CO、NOX之间的相关。结果表明：（1）用稳定能量来描述低层大气的稳定性更为合理一些；（2）在诸多气象因子中，稳定能量与SO2、CO、NOX浓度之间的相关性最显著；（3）稳定能量的年变化规律与空气污染浓度的年变化规律基本一致；（4）逐月看，各层稳定能量与SO2浓度之间均为正相关，除7月份以外，大多数层次均通过了α＝0．01显著性水平的相关性检验。