大气环境数值模拟研究新进展

近五年来,中国科学院大气物理研究所(简称大气所)在大气环境数值模拟方面取得了丰硕的成果,通过自主发展和引进,建立了完备的多尺度、多成分的大气环境数值模式,包括全球大气化学输送模式、区域和城市空气质量预报模式。大气所利用这些模式研究各种空间尺度上污染物浓度时空分布以及污染物的输送和演变,研究了多种污染过程的成因和污染变化规律,在污染物输送、低对流层臭氧高污染、区域及城市污染等方面取得了很多成果,并对区域或城市空气质量进行业务化实时预报。大气所还拓展了我国大气环境模拟研究的新领域:大气化学资料同化、污染模式集合预报、污染源反演新方法。初步建立了空气质量模式的资料同化系统(分别基于最优插值技术和集合卡曼滤波技术)和多模式集合预报体系,提高了模式预报水平;在污染源反演新方法方面进行了初步的探索。结合我国目前仍然面临着的大气环境问题,对今后大气环境数值模式的发展方向进行了展望。     

植冠层湍流的数值模拟

根据流体力学的基本原理，建立了能量单方程植冠层湍流模式。并用小麦和玉米两种作物的实例资料对模式进行了验证。     

北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究

采用北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图得到的地表状况计算陆气之间的能量平衡过程,模拟了北京海淀地区大气边界层的风、温场结构以及污染物浓度分布,进而模拟了由于汽车尾气的排放而转化成的气溶胶的浓度分布.模拟表明城郊之间存在热岛效应,边界层风场受到热岛的热力作用以及地形的动力作用影响.污染物及气溶胶浓度也存在城乡差别,最大浓度出现在城区的下风方向.     

鄂尔多斯市城区发展对局地大气环境影响的数值模拟

选取鄂尔多斯市东胜区为代表区域。基于该区域1961—2006年定时地面气象观测资料和2002—2006年08时、20时各标准层探空以及2001—2006年主要污染源源强、1961—2006年社会经济数据、2002年卫星遥感反演资料、2003—2020年城市总体规划资料等,利用区域边界层模式模拟方法,分析鄂尔多斯市城市化进程对局地大气环境的影响。结果表明：东胜区发展后（2020年）气温低于现状（2002年）,使城区中心气温与周边地区气温差异变小,对城区大气环境的改善较为有利。东胜城区扩展后,在污染严重的冬季,气流辐合区域减少,辐散能力增强,对减轻城区污染和改善大气环境有利。城区拓展后由于下垫面等布局发生变化,气流场变化较大,但从污染物的扩散能力来看,按规划发展后城区污染轻于现状。     

不同城市冠层参数化方案对重庆高密度建筑物环境的数值模拟研究

目前,耦合在WRF模式中的城市冠层方案包括单层冠层方案（UCM）,多层冠层方案（BEP）以及考虑室内外大气能量交换的多层冠层方案（BEP+BEM）。不同方案计算过程及参数设置不尽相同,这些方案能否适应高密度建筑物复杂下垫面的城市气象环境的模拟?建筑物形态参数对于城市气象因子模拟的敏感性如何?为回答上述问题,选取建筑物高密度城市——重庆为研究对象,以2006年重庆高温伏旱天气为背景,采用高分辨率（333 m×333 m）的地理信息系统数据替换WRF模式中默认的美国地质调查局（USGS）静态数据,对WRF中的3种城市冠层方案进行了模拟评估,并进行建筑物形态参数变化对气象因子影响的敏感试验。结果表明：（1）BEP+BEM、BEP、UCM方案模拟值与城区内10个站点2 m高气温观测值的均方差和平均误差分别为1.3、1.4、2.1和-0.5、-0.8、-1.4℃,单层冠层方案相对较差,BEP+BEM方案最好。模拟值普遍略低于观测值。位于密集建筑物周边的2 m高气温模拟值与自动站观测吻合相对较好,而中国国家基本站的观测值与模拟值相比,观测值偏低,靠近水体的模拟结果相对较差;（2）建筑物高度及密度参数的变化对城市近地层气温产生明显的影响,当建筑物高度增高时,由于短波遮蔽作用的影响,白天气温降低最大达到0.4℃,而夜间由于辐射截陷作用增强,气温明显升高,最大可达0.7℃。建筑物间距缩小,导致白天近地面气温降低,夜晚则升高,且夜间变化幅度更大;（3）当调整建筑物高度及密度参数分别为：高度20%（15 m）+60%（20 m）+20%（25 m）,间距20 m时,城区内观测站点2 m高气温观测值与模拟值的均方根误差从1.3℃减小到0.6℃,提高了模式的模拟性能。     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

鄂尔多斯市城区发展对局地大气环境影响的数值模拟

选取鄂尔多斯市东胜区为代表区域。基于该区域1961-2006年定时地面气象观测资料,2002-2006年08时、20时各标准层探空以及2001-2006年主要污染源源强、1961-2006年社会经济数据、2002年卫星遥感反演资料、2003-2020年城市总体规划资料等,利用区域边界层模式模拟方法,分析鄂尔多斯市城市化进程对局地大气环境的影响。结果表明:东胜区发展后(2020年)气温低于现状(2002),使城区中心气温与周边地区气温差异变小,对城区大气环境的改善较为有利。东胜城区扩展后,在污染严重的冬季,气流辐合区域减少,辐散能力增强,对减轻城区污染和改善大气环境有利。城区拓展后由于下垫面等布局发生变化, 气流场变化较大,但从污染物的扩散能力来看,按规划发展后城区污染轻于现状。     

2008年北京奥运会开幕式化学危害预测数值模拟

针对2008年北京奥运会安保,建立了一个复杂的系统,包括两个气象预报模式MM5和RAMS6.0以及一个复杂地形上有毒云团的扩散模式CDM。开发了MM5和RAMS6.0接口模块,发展了基于RAMS6.0气象场预报结果的CDM,实现了对未来36h内的精细气象场和扩散场进行模拟,气象场预报的分辨率为500～1000m,扩散场的分辨率可达到50～200m。基于T213数据,应用MM5进行了水平分辨率为3km的气象场初步预报,将该预报结果转化为RAMS6.0识别的数据格式,应用RAMS6.0对气象场进行分辨率为500～1000m的精细预报,得出北京奥运会期间的风场与湍流量的预报结果。基于该气象场,根据想定,应用CDM对北京奥运会国家体育场"鸟巢"附近发生化学事件时进行了模拟研究,得出危害范围、危害等级、危害开始时间、危害持续时间等时空分布,为奥运会开幕式化学危害应急提供技术支持。     

城市边界层大气环境领域问题的研究方法和模式系统

城市边界层大气环境领域的问题逐渐成为近些年的研究热点，本文概略介绍城市大气环境问题的研究方法和给出了一些应用广泛的模式系统的要点。     

大气边界层中沙粒悬移运动的数值模拟

将双时间法和k-ε湍流闭合模型应用于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了沙地、沙丘流场.在此基础上,应用梯度输送理论求解平流扩散方程,模拟了平坦沙地、单个沙丘和连续沙丘周围沙粒的悬移.结果表明:1)来流的风速度足够大,使得地面摩擦速度大于起沙的临界速度,这是沙粒发生悬移的必要条件.但是光有足够的风速还是不够的,要使卷入空中的沙粒能在较大的高度范围内扩散,流场中必须存在一定强度的抬升气流.比较剧烈的地形起伏容易造成流动的不稳定;2)只有流场中存在抬升气流,才会使沙粒扩散到较高的高度;3)平坦地形时气流偏折主要是压力梯度的作用;而在沙丘起伏的表面,气流偏折受沙丘地形的影响很大.     

城市中水体布局对大气环境的影响

城市下垫面状况在很大程度上决定城市大气物理环境的特征。在城市区域增加湿地等自然地表有利于城市的减温增湿,促使局地流场发生变化,改善局地微气象条件以及大气物理环境。城市规划大气物理环境多尺度数值模拟系统为城市规划大气物理环境定量评估提供了有效的模拟工具。利用该系统中的城市尺度模式模拟了水体布局为集中型和分散型,水体面积占有率分别为4%、8%、12%和16%条件下,城市大气温度、湿度、风速、城市大气扩散条件的变化及其对城市大气环境的影响,利用北京市城市水体气象观测数据,分析了水体周边和商业区、交通区温、湿度的差异,并对模式模拟结果进行了验证,揭示了城市水体布局对城市大气物理环境影响的可能机制。模拟和观测结果显示,城市水体布局会对城市微气象环境产生一定影响。无论分散型或集中型布局,城市水体面积的增加,都在一定程度上使城市气温降低、湿度增加、平均风速增大。比较而言,分散型水体布局对城市区域微气象环境的影响更为显著。     

大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.     

关于大气“记忆”的大气环流模式模拟研究

通过２种大气环流模式（ＧＣＭ）的数值模拟,研究了大气对于赤道东太平洋海温（ＳＳＴ）异常外强迫的“记忆”问题。结果表明,大气对外强迫的“记忆”比传统意义的“记忆”要长得多,这是因为外强迫通过影响大气内部动力过程而激发产生了低频振荡（即大气低频遥响应）,使得外强迫的影响可持续相当长的时间,大气对外强迫的“记忆”也就变得相当长。     

台风外围下沉区大气波导成因的数值模拟

受台风鹿莎影响,处在其西侧外围下沉区域的南京地区于2002年8月31日出现了一次大气波导过程,利用大气中尺度模式WRF对其成因进行了详细的数值模拟研究。WRF数值模拟较好地再现了此次波导的演变过程,即波导在31日傍晚开始形成,次日凌晨达到最强,日出后迅速减弱消失。基于数值模拟高时空分辨率的输出结果,对波导成因进行细致分析,结果表明:湿度突变层和逆温层的同时存在导致了波导的发生,前者是其形成的关键因素,而后者的作用主要体现在增强其强度;台风前期流场从海上带来大量的水汽,台风后期流场将北方高空干空气输送到受高压下沉运动控制的南京地区,造成近地层出现下湿上干的剧烈湿度梯度;下沉运动强度并不足以直接导致南京地区的逆温层,但其控制下的晴朗天气非常有利于夜间地面长波辐射冷却而形成逆温。     

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响.最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验.     

Numerical Study of Winter Urban Boundary Layer Structure over Beijing Area

1. Introduction The urban canopy layer (UCL) (Roth, 2000) is defined as a layer in the vertical structure of urban boundary layer (UBL) ranging from the surface to the top of buildings. The urban infrastructures within UCL, such as buildings with different heights, the het- erogeneity of urban land cover and the anthropogenic activity, all directly influence the thermal and dynam- ical structures of atmosphere and net radiation budget at the surface, meanwhile, affect the structure of ur- …     

气象卫星与城市气象环境模拟研究

利用徐敏等人建立的具有广泛用途的区域边界层模式 (NJU RBLM) ,对北京城市区域的气象环境特征做了比较细致的模拟研究 ;然后 ,再利用NOAA AVHRR气象卫星遥感资料 ,采用修正的Ulivieri分裂窗方法反演得到北京城市区域地表温度场 ,将其结果与同样区域范围的数值模拟结果进行对比分析 ,以此进一步检验数值模式的模拟效果和卫星观测资料处理方案的可行性。分析表明 :采用NJU RBLM模拟得到的地面热力场分布及其变化总体趋势与晴空条件下的卫星反演结果基本一致 ,卫星反演的地表热力场分布和强度要较模式模拟的结果更为细致 ;两者都能较好地反映夜间的城市热岛效应和春夏秋季白天的弱冷岛现象 ,夜间的城市高温区以及由山区向城市平原地区风速渐小的辐合过渡带高温区都比较明显 ,午后城市地区温度略低于周边东南地区。     

北京一次下击暴流的三维数值模拟分析

应用中尺度气象数值模式WRF模拟再现了2001年8月23日北京时间14时至24日00时发生在北京密云县附近的一次典型强对流风暴天气,重点发掘并分析了密云水库附近一次茁中尺度下击暴流的形成与演变过程。研究表明：（1）WRF模拟结果显示该茁中尺度下击暴流的生命期为1 h左右,水平尺度约为20 km,其水平和垂直流场与下击暴流流场的理论结构基本一致,但辐散气流流速在近地面层未能达到下击暴流定义的18 m/s;（2）模拟的下击暴流环境场中扰动位温、各水成物的比含水量与层结不稳定性以及上升气流的联系紧密,并可推断强下沉气流主要由雨水粒子拖曳作用产生,较大的位温扰动则加强了气流上升运动,迫使暖湿气块更大程度抬升,进一步维持和发展下击暴流系统。