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.     

热岛与海风相互作用对珠三角午后强降水影响的观测和模拟研究

通过地面风场加密观测及雷达回波分析表明,2011年6月21日午后海风引发对流首先出现在珠江口,之后随着海风向内陆深入并与珠三角地区热岛环流相互作用,引起对流发展强度增强,为广州市带来了一次雨强达60 mm/h的强降水过程。在对观测资料进行分析的基础上,应用具有云分辨尺度的CR-WRF模式并耦合城市冠层模式,模拟研究了珠三角城市地表对海风发展及其与城市热岛相互作用对强降水过程的影响。与观测结果相对比,尽管模拟最大降水与观测比较仍有一定差距,但模拟结果反映出了海风发展与热岛相互作用对强降水的影响过程。对比模拟试验结果表明城市地表的影响可在城市区形成更高的温度,热岛与海风相互作用可导致广州城区南部降水增多15 mm以上,接近总降雨量的30%。无城市地表影响时,模拟的海风可更早影响到城市区并到达更北位置,造成降水落区偏北。对其影响物理机制的分析表明,受城市热岛影响,边界层中可形成干暖“盖”对流稳定层,抑制不稳定能量过早释放,使对流系统一旦发展起来后表现更激烈,并在边界层形成更强的外流。强降水对流系统在边界层形成的外流与热岛入流一起共同对海风形成阻挡作用,是导致广州城区南部降水增强的重要影响因子。      

移动性热岛边界层特征的数值研究

用二维非静力完全弹性的中－γ尺度数值模式模拟了移动性热岛的大气边界层特征。试验中，热岛移速取为４ｍ·ｓ＾－１，热岛强度取△θｇ＝６０Ｋ和３０Ｋ两种。△θｇ＝６０Ｋ时，在热岛后方出现了强烈的垂直运动并形成了水平尺度为３－５ｋｍ的局地环流，最大上升速度１００ｃｍ·ｓ＾－１，出现在低层３００－４００ｍ高度；△θｇ＝３０Ｋ时，移动热岛的边界效应比前大为减弱，且不再出现闭合的局地环流。     

苏州—无锡—常州城市带热岛效应个例研究

应用WRF(weather research and forecasting)及其耦合的多层城市冠层模式BEP(building energy parameterization),对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟。此次过程盛行东南风,风向与苏州—无锡—常州城市带走向一致。模拟结果表明:苏州—无锡—常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流。夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送。热岛效应导致城市边界层高度明显上升。白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系。白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降。     

苏州-无锡-常州城市带热岛效应个例研究

应用WRF（weather research and forecasting）及其耦合的多层城市冠层模式BEP（building energy parameterization）,对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟.此次过程盛行东南风,风向与苏州-无锡-常州城市带走向一致.模拟结果表明：苏州-无锡-常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流.夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送.热岛效应导致城市边界层高度明显上升.白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系.白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降.     

北京夏季强热岛分析及数值模拟研究

应用北京地区20个常规地面气象站、2个自动气象站和中国科学院大气物理研究所325m气象铁塔的资料,对北京2003年7月热岛状况进行了统计分析,发现北京夏季夜间存在强热岛效应,夏季夜间存在强热岛效应的天数占到了1/3,强弱热岛天数合计占到了大约4/5。进一步分析7月1日强热岛特征及其气象影响因子,结果表明：夜间存在强热岛时,郊区所有测站的地面气温都要低于主城区地面气温,城市强热岛的高温中心在天安门和白家庄连线的主城区;白天日照充足的晴夜,日落后城区320m以下低层大气存在逆温和弱的风速,城区地面气温下降速率和幅度均远小于郊区,城市强热岛因此得以形成和维持。日出后至正午,北京北部郊区日照时间比城区长,郊区地面大气得到来自太阳辐射的能量多于城区,而太阳辐射的加热作用使城区低层大气逆温消失,大气稳定度减弱,并使郊区地面气温上升速率和幅度大于城区,最终导致夜间出现的强热岛减弱、消失。此外,应用MM5模式对强热岛进行了初步数值模拟研究,发现在MM5中考虑城市人为热和热储存,可以改善模式对热岛的数值模拟,表明城市人为热和热储存在夏季强热岛的形成中有重要作用。     

太湖区域三维湖陆风场数值模拟

本文考虑太湖周围实际地形，建立了一个适合太湖区域复杂地形，满足静力平衡条件的三维非定常大气边界层数值模式，计算表明:模式运行十分稳定，与实际观测资料吻合较好。     

用数值模拟与观测资料相拟合的方法构造边界层流场

该文用最优化方法修正边界层模式的外强迫项,使模式输出结果最好地拟合有限的观测资料。目标函数相对于参数的梯度用扰动法计算。利用模式资料和在兰州市的实测资料所作的数值试验表明,该方法是合理的。     

海面对流边界层垂直结构的数值模拟

冬季冷空气爆发进入暖海面时,海面边界层属与典型的对流边界层。此情况下,一般而言梯度输送理论(即一阶K闭合方法)是无能为力的。Wgnsaard(1984)提出了被动保守标量场的底直向上(bottom-up)和顶直向下(top-down)湍流交换模型。本文将它推广应用到风场相温度场,并用它模拟了冷气团入海期间海面边界层的结构。与实测资料比较,两者能吻合较好。     

利用区域边界层模式对杭州市热岛的模拟研究

利用一个三维非静力区域边界层数值模式,对杭州地区城市热岛现象进行了数值模拟。数值模拟结果表明,杭州地区存在明显的城市热岛现象。夏季城市热岛现象较强,春秋季次之,冬季较弱。利用资源卫星遥感资料反演所得的地表温度,以及与地面气象站观测资料和数值模拟结果相比较,数值模拟结果和实测结果吻合得较好。在此基础上,模拟并探讨了人为热源、风速、地面粗糙度等因素对城市热岛强度的影响。     

不同边界层方案对一次华北暴雨数值模拟的敏感性研究

以2010年8月17—19日华北地区的暴雨事件为研究对象,采用中尺度数值模式WRF,通过8个数值实验测试暴雨事件模拟结果对不同边界层方案的敏感性。结果表明,采用不同边界层方案的模拟结果存在明显差异。分辨率为12 km时,7个边界层方案实验均模拟出类似观测的四处较强降水,但模拟得到的降水强度和强降水中心位置与实况有所差异,NOPBL实验模拟的雨带收缩,降水相对其他模拟实验较少且更为集中。分辨率为4 km时,采用边界层方案的7个实验均可见小尺度降水结构,模拟出较多虚假降水中心,而在NOPBL试验中降水的小尺度结构不明显。检验表明:分辨率为12 km时,MYJ试验的TS评分、相关系数和误差分析等整体表现最优,分辨率为4 km时,Bou Lac试验整体表现最优。与NOPBL试验相比,加入MYJ边界层方案后,模拟的水汽输送增加、上升运动及涡散度绝对值增大。     

城市热岛成因及其对污染物扩散影响的数值模拟

采用大涡模拟方法,通过数值求解可压缩流体的动力学方程和欧拉型的浓度扩散方程,建立了不同的地表模型,将城市地表差异等因素作为地面热通量的边界条件引入,得到了简单区域上的温度场和流场的三维结构,证实了城乡地表差异是引起热岛现象的根本原因之一,成功再现了城市热岛现象,并研究了城市热岛效应的存在对污染物扩散的影响。     

Application of WRF/UCM in the simulation of a heat wave event and urban heat island around Guangzhou

This paper evaluated the performance of a coupled modeling system, Weather Research and Forecasting (WRF)/Urban Canopy Model (UCM), in the simulation of a heat wave event which occurred around Guangzhou during late June through early July, 2004. Results from three experiments reveal that the UCM with new land data (E-UCM) reproduces the best 2-m temperature evolution and the smallest minimum absolute average error as compared with the other two experiments, the BPA-Bulk Parameterization Approach with new land data (E-BPA) and the UCM with original U.S. Geological Survey land data (E-NOU). The E-UCM is more useful in capturing the temporal and spatial distribution of the nighttime Urban Heat Island (UHI). Differences in surface energy balance between the urban and suburban areas show that low daytime albedo causes more absorption of solar radiation by urban areas. Due to the lack of vegetation which inhibits cooling by evapotranspiration, most of the incoming energy over urban areas is partitioned into sensible heat flux and therefore heats the surface and enhances the heat wave. During nighttime, the energy in the urban area is mainly from soil heat flux. Although some energy is partitioned as outgoing long wave radiation, most of the soil heat flux is partitioned into sensible heat flux due to the small latent heat flux at night. This leads to the development of nighttime UHI and the increase of the magnitude and duration of heat waves within the municipality.     

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     

基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层百米高度处极端风速研究

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下,近海大气边界层百米高度处极端风速的合理估算成为中国海上风电开发领域的研究热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同,由于缺乏有效的技术手段,对于台风影响相对较少的中纬度海域,极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例,通过频谱分析技术,定量刻画了数值模拟风速能谱在高频波段的能量衰减和截断特征;进而利用风速能谱曲线在频率域的积分及其在高频波段的补偿,实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合,综合考虑了中国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征,建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100 m高度处50年一遇的极端风速。结果表明:受寒潮大风影响,江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s;少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s,甚至44 m/s以上的50年一遇风速;中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。研究成果不仅为该海域近海海洋工程的开发设计及安全运行提供重要的科学支撑,同时也有助于加深对中国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。      

An unsaturated soil water flow problem and its numerical simulation

1.IntroductionUnsaturatedsoilwaterflowisaflowwherewaterisnotfullofsoilhole,whichisanimportantformofflowinporousmedia.Predictionofanunsaturatedflowisprovidedwithsignificanceinmanybranchesofscienceandengineering.Theseincludeatmosphericscience,soilscien...     

不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候模拟的对比研究

用WRF v3.2.1中尺度预报模式和NCEP/NCAR再分析资料,对比研究了WRF模式中5个不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候的模拟效果。结果表明:WRF模式对各边界层参数化方案均较为敏感,采用不同的边界层参数化方案对模拟区域内的夏季降水、气温、环流等气候要素均可产生明显影响。选取MYJ方案和QNSE方案对500 h Pa夏季平均环流的模拟效果较好,YSU方案和QNSE方案对夏季平均日降水量模拟与再分析资料更吻合,YSU方案和MYNN2.5方案对中国东部2 m气温的模拟结果较好。不同边界层参数化方案模拟结果都显示出由于副热带高压偏强,使副热带高压第2次北跳后停留时间过短,导致长江中下游降水偏少,华北地区降水增多。通过比较YSU和QNSE边界层方案,发现YSU方案相比QNSE方案的降水差异,是由于850 h Pa水汽输送造成的。在中国大部分地区YSU方案的2 m温度比QNSE方案高,并且地面2 m气温和降水存在一定对应关系。因此合理选取边界层参数化方案可以提高数值模拟的准确性。     

沙漠-绿洲大气边界层结构的数值模拟

利用美国NCAR新版中尺度MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的模拟方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。结果表明：在没有西风气流背景的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是对称的。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区环流结构及温、湿场的分布,绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气冷干,沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘形成了由干到湿的强湿度梯度带围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。在有西风背景气流的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是非对称的。但是,西风背景气流的存在可以破坏绿洲系统对称的环流结构,不利于绿洲系统的稳定发展。