北京夏季O3日变化及通量研究

2002年夏季，以北京325m气象塔为观测平台，进行了大气污染物臭氧(O3)及其前体物氮氧化物(NOx)和气象要素加强期的同步观测，并对观测资料做了详尽分析。结果表明：边界层内存在明显的臭氧浓度垂直差异；低层(120m)O3浓度呈明显的日变化，且昼夜振幅较大；夜间高层(280m)O3的化学消耗较弱，可维持较高的浓度；稳定度(Ri)在低层以中性态居多，振幅较小，而在高层以不稳定态居多，振幅较大。两层O3湍流输送通量都呈单峰变化。白天，在O3前体物和局地光化学反应共同作用下，120m左右处的O3污染最大。     

北京冬季二氧化硫污染和气象条件的关系

利用2000年1月25日～2月3日北京地区冬季二氧化硫体积分数的梯度监测资料,结合北京325m气象塔的同期气象资料,分析了观测期间北京地区二氧化硫的体积分数变化趋势及垂直分布情况,讨论了大气二氧化硫体积分数变化和气象条件的关系及二氧化硫的来源问题.研究表明:二氧化硫的体积分数变化及垂直输送与风速、风向、大气稳定度密切相关.风速越小,大气越稳定,近地层大气的二氧化硫污染就越严重;当北京冬季吹SSW、SW、WSW和W风时有较高的二氧化硫.     

处理时间序列提高计算湍流通量的精度

讨论了非线性趋势对时间序列的自相关函数、积分时间尺度等的影响,并估算了其最终对湍流通量的影响,指出有效地去除野点、噪音和非线性趋势以及非线性趋势对时间序列的自相关函数、积分时间尺度等的影响,可以减少其对湍流通量产生较大的虚假贡献.     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。     

内蒙古奈曼流动沙丘下垫面湍流输送特征初步研究

分析了2000年7月21日～8月10日在内蒙古奈曼流动沙丘下垫面取得的近地面层湍流及辐射观测资料,讨论了无量纲湍流方差与稳定度参数z/L的关系,发现无量纲速度分量方差及无量纲温度、湿度脉动方差在不稳定层结下,均满足莫宁-奥布霍夫相似理论;同时还讨论近地面层能量的收支.发现流动沙丘下垫面感热通量与地表热通量最大值分别为170 W m-2及100 W m-2;潜热通量通常小于50 W m-2;流动沙丘净辐射最大值为400 W m-2左右.(Hs+Hl),与(Rn-G)的比值在晴天白天平均值为0.78左右,流动沙丘下垫面近地面层能量不平衡现象存在,其原因有待进一步研究.     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

精细PBL模式及其诊断应用

在已建立的一种三维非静力细网格Ｅ－ε湍能闭合的动力学框架基础上,作了一些改进的技术处理和试验,包括：（１）利用ＧＩＳ提供的地形资料,较精确地计算太阳辐射,进而诊断地面温度;（２）引进位势流概念,处理稳定层结条件下初始内插风场的风向变化;（３）引入动力学调整项Ｇ（αｏｂｓ－α）。在此基础上,就地理信息系统（ＧＩＳ）提供的一个 ６０ｋｍ×４８ｋｍ区域作了边界层结构和湍流特征的数值模拟试验,并与实测作了比较,讨论了精细ＰＢＬ模式的模拟效果,结果表明,新建的ＰＢＬ模式能较好地模拟表征出复杂下垫面地域的陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场的动力和热力学作用。     

An Application of the RAMS/FLUENT System on the Multi-Scale Numerical Simulation of the Urban Surface Layer A Preliminary Study

The Regional Atmospheric Modeling System （RAMS） and the computational fluid dynamics （CFD） codes known as FLUENT are combinatorially applied in a multi-scale numerical simulation of the urban surface layer （USL）. RAMS and FLUENT are combined as a multi-scale numerical modeling system, in which the RAMS simulated data are delivered to the computational model for FLUENT simulation in an offline way. Numerical simulations are performed to present and preliminarily validate the capability of the multi-scale modeling system, and the results show that the modeling system can reasonably provide information on the meteorological elements in an urban area from the urban scale to the city-block scale, especially the details of the turbulent flows within the USL.     

建筑物分布对市区流场及污染物扩散影响的数值模拟

本文运用已建精细城市PBL模式，用拖曳力法考虑城市建筑物的影响，并以北京前三门地段板房为例，通过8个数值试验具体研究了建筑物对气象场的影响。结果表明：前三门地段板房的有无对风速、湍能和NOx浓度的影响较明显。有板房比没有板房时30m处水平总风速减少0．03～0．10m／s，湍能增大O．02～0．14m^2／s^2。板房对水平总风速的影响大于0．01m／s的范围为：迎风向和背风向约400～500m，侧风向约100～200m；垂直方向的影响高度约为150m。在30m高度附近影响最大。对湍流动能的影响范围与风速的类似。对NOx浓度的影响以地面为最大，其影响程度及影响范围和板房与污染源的相对位置以及板房与周围建筑物的距离有关。总之，在高分辨的边界层模式中，用拖曳力法考虑城市建筑物的影响是可行和必要的。     

北京城市通量足迹及源区分布特征分析

城市下垫面具有不同于其他下垫面的特殊复杂性,通量的源汇分布十分不均,导致直接测量以及定量的描述城市中水汽、二氧化碳等通量变得非常困难。涡动观测系统在城市通量观测中得到广泛应用,但由于涡动协方差观测系统传感器都架设在一定的高度上,其测量结果只反映特定点下垫面或某部分下垫面的物理过程,不能说明观测结果是否具有下垫面属性的代表性,无法反映观测通量的空间变异性。足迹函数(Footprint)的产生就是为了解决这一问题,其又称源权重函数,是描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间关系的函数。本文采用北京325 m气象塔近1年7层涡动协方差观测数据、超声数据,分析了不同风向、不同稳定度、不同高度下足迹函数所表达的通量贡献区域范围的变化规律。结果表明,在大气稳定条件下时,通量贡献区范围的大小与主风向无显著差异,而不稳定条件下计算结果与主风向无关。在不同高度下所有稳定条件下通量贡献区范围要大于不稳定条件,中性条件则介于两者之间。8 m、16 m高度上的观测结果不能完全代表城市下垫面通量贡献区,47 m以上能够代表城市下垫面通量贡献区,280 m则已经包含了郊区和城区的权重平均。同一大气稳定度条件下,高度越高通量贡献区范围越大,90%通量贡献区范围与观测高度成线性关系,这种线性关系可以预测没有观测高度或者更高处的通量贡献区范围。