京津冀地区局地大气环流耦合效应与区域可持续发展的战略思考

本文针对京津冀地区局地大气环流耦合效应和大气环境可持续发展问题,应用中尺度非静力模式MM5.V3,采用三层双向嵌套技术,模拟了京津冀地区山谷风、海陆风和城市热岛环流的耦合效应及其形成的该区域的复杂的大气环流特征。模拟结果表明:在弱天气系统控制下,该地区大气边界层中可同时存在海陆风、山谷风和城市热岛环流及其明显的耦合效应;海陆风环流极盛时可深入陆地200公里左右,山谷风环流的影响最大可覆盖北京区域内的平原地区,而城市热岛环流则发生在城市中心几十公里的范围内,并对前两个环流起明显的削弱作用;三环流均存在日变化特征,海陆风、山谷风环流的相位相差约6个小时左右;三环流的耦合结果使一年内京津冀地区边界层环流形势大致可分成春夏型与秋冬型,在一天内又可分为凌晨至上午的平原风和下午至深夜的山地风;三环流的耦合在该地区西北部山地与平原的交接地带形成一条大致沿地形等高线走向的风场辐合带。这条水平风辐合带几乎常年存在,其下端一直向西南方向延伸直到和另一条平行于太行山走向的水平风辐合带汇合,从而对京津冀地区大气污染物的积聚与输运过程及大气环境质量可能产生重要影响。     

大气扩散应急预报的风场不确定性影响研究

使用WRF模式和CALMET模式, 获得一个40 km区域的细网格气象预报场, 同时利用加入地面观测资料的方法获得当地诊断风场。用随机粒子扩散模式模拟两种风场驱动下的扩散结果, 并比较和评估预报模拟的偏差或不确定性。对 4个季节的代表性月份(1, 4, 7和10月)的逐时排放情况以及4个排放高度的情景进行模拟分析。结果表明: 1) 预报模拟的烟云扩散形态(方向和宽度等)在当地大多数时段内(约占全年的80%)与诊断分析的实际扩散结果一致, 且季节变化不大, 其余时段为扩散形态有中度偏差和有明显差异的情况,二者各占10%左右; 2) 地面轴线浓度的不确定性随下风距离及污染排放高度而变化, 20~100 m各高度的排放结果大致在2~4 km的下风距离出现最大偏差, 但100 m的高源排放在约2 km以内的范围也有很大的预报不确定性; 3) 两种情况造成当地扩散预报结果的明显偏差, 一是气象场预报的局地风场发生重要转变的时间不一致, 使预报风场与实际风场处于转变前后的不同步状态, 从而使污染扩散预报结果出现重大偏差, 二是WRF模式对地面风速的预报系统性地偏大(50%左右), 造成预报模拟浓度结果系统性地偏小。     

珠江三角洲区域大气扩散和输送特征诊断分析

为了深入研究珠江三角洲区域大气扩散和输送特征, 利用2006年珠江三角洲地区460个地面自动气象站的全年逐时气象数据和探空资料, 对自动气象站资料进行质量控制并整理, 使用Calmet模式诊断出逐时气象场。利用逐时风场和72小时轨迹, 对该地区的扩散类型进行分类(系统大风型、弱背景影响型和局地环流型), 并依此对该地区的流动状况进行分析。还根据季节和分类结果对扩散路径进行简单的分类, 并依此研究珠江三角洲地区的大气输送路径以及影响范围。分析结果表明: 珠江三角洲地区大气输送特征具有明显的季风性以及海陆风特征; 该地区春季和冬季的大气输送和扩散能力较好, 夏季次之, 秋季最差; 大气输送轨迹随季节变化明显, 并且在不同的扩散类型之间有显著的差异。     

京津地区夏季大气局地环流背景研究

用非静力平衡的中尺度模式ARPS 5.0IHOP5,模拟京津地区夏季边界层大气的背景 流场,同时用风场诊断模式和实际观测资料获取该地区2004年夏季1个月（8月）的逐时低 层大气流场,作为模拟结果的比对。通过对模拟流场的分析,得出以下结论：京津地区夏季 受昼夜循环的山谷风、海陆风影响明显,山谷风的最大影响范围可以覆盖区域内的平原地区 ,海陆风的影响可以伸展入陆地100km左右。在这两个环流的影响下,区域内主导风 向出现更替,下午至上半夜主导风向为偏南风,下半夜至上午为偏北风。凌晨风向更替过程中可以 在山前出现一条汇聚带。     

沿海城市风场时空特征分析 ——以福建省晋江市为例

为分析沿海城市风场的时空变化规律,本文以福建省晋江市为例,在当地气象观测资料的气候统计基础上,通过风矢量分解、统计与数值模拟、海陆风日等方法,从静风、主导风与海陆风三个方面研究了晋江城市风场的基本规律,初步了解沿海城市风场的基本特征。结果如下：沿海城市受海陆地形等因素影响导致当地平均风速较高,静风天较少,风能资源丰富;我国沿海城市大多处在季风气候区域,不同季节主导风向差异明显,符合季风气候特征;沿海城市风场受海陆风等局地风场影响较大,某点出现海陆风的频率与其到海岸线距离大体呈负相关规律,海风与陆风风向在海陆风日内转换差异显著,海陆风各项特征均具有季节性差异。本文可为沿海城市风场时空特征研究提供基础理论方法,并且为沿海地区的天气预报与监测、污染扩散与传输、农业种植区划、风资源利用等方面提供十分重要的理论依据。     

复杂地形大气污染物传输和扩散的高分辨率模拟

使用一套耦合的模式系统模拟了浙江三门海岸复杂地形示踪试验的扩散过程。模式由风场诊断模式Calmet和拉格朗日随机游走扩散模式RPPM组成,Calmet提供高分辨率风场,RPPM计算地面浓度用以和实际观测值比较。在每次实验中,示踪物浓度在取样点处测得,所有的取样点分布在几条弧线上以便捕捉到烟流主体。由两种方法得到的地面浓度比较表明,这套模式系统较好地模拟了烟流的轨迹和地表浓度分布。     

保定‒雄安地区近地面大气流动与轨迹输送特征

基于2016—2017年22个地面气象站点的观测资料和NECP-fnl数据, 使用CALMET风场诊断模式, 计算保定?雄安地区两个年份的逐时风场和每日输送轨迹。根据风场与流动轨迹特性, 从大气扩散输送的角度, 将当地大气流动划分为系统大风型、局地环流型与弱系统影响型 3 类。统计分析结果表明: 大气流动3个类型的大致比例为10%, 50%和40%; 系统大风型流动的占比较低, 且春夏季较多, 秋冬季较少; 局地环流型流动以秋冬季较多, 春夏季较少; 弱系统影响型的出现频率在全年变化不大, 但在秋冬季出现频率稍低; 大气流动受西北部山地影响, 山地-平原风可控制山前约100 km的范围, 覆盖保定市和雄安新区大部; 山地-平原风的转换可在山前区域形成部分时段的小风状况; 该地区大气输送的主要路径是西南-东北方向, 对应大尺度背景流动情况; 西北-东南方向的横向输送距离较短, 对应山地-平原风地形环流的影响; 在系统大风和弱系统影响下, 冬春季会出现部分直接向东南方向的输送轨迹。     

CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究

利用在湖南省丘陵河谷地区开展的高时空分辨率大气扩散综合实验资料,研究美国国家环保局(USEPA)推荐的导则模式CALPUFF(California Puff Model)在复杂地形条件下近场应用的适用性。采用不同时间分辨率的诊断风场和不同扩散参数计算方案,模拟不同气象条件下的近场地面浓度分布。通过与示踪实验实测采样浓度对比分析,得到:采用实测湍流廓线资料计算扩散参数能够较好地模拟近场浓度分布;将实测湍流速度标准差与稳定度参数的拟合关系替代CALPUFF默认的湍流参数化方案,能够改进默认相似性理论方案的模拟结果;风速较大、风向稳定时,模拟结果对风场的时间分辨率和扩散参数计算方案的敏感性较弱;风速较小、风向多变时,需采用逐10 min风场模拟地面浓度场分布,且实测湍流方案模拟结果相较于相似性理论方案模拟值偏大,并更接近实测值。总之,采用逐时风场和实测湍流方案,或逐10 min风场和修正后的相似性理论方案的CALPUFF模式能较好地模拟研究区域复杂地形的近场峰值浓度。     

CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究

利用在湖南省丘陵河谷地区开展的高时空分辨率大气扩散综合实验资料, 研究美国国家环保局(USEPA)推荐的导则模式CALPUFF (California Puff Model)在复杂地形条件下近场应用的适用性。采用不同时间分辨率的诊断风场和不同扩散参数计算方案, 模拟不同气象条件下的近场地面浓度分布。通过与示踪实验实测采样浓度对比分析, 得到: 采用实测湍流廓线资料计算扩散参数能够较好地模拟近场浓度分布; 将实测湍流速度标准差与稳定度参数的拟合关系替代CALPUFF默认的湍流参数化方案, 能够改进默认相似性理论方案的模拟结果; 风速较大、风向稳定时, 模拟结果对风场的时间分辨率和扩散参数计算方案的敏感性较弱; 风速较小、风向多变时, 需采用逐10 min风场模拟地面浓度场分布, 且实测湍流方案模拟结果相较于相似性理论方案模拟值偏大, 并更接近实测值。总之, 采用逐时风场和实测湍流方案, 或逐10 min风场和修正后的相似性理论方案的CALPUFF模式能较好地模拟研究区域复杂地形的近场峰值浓度。     

内陆核电厂冷却塔对大气扩散影响的CFD模拟

 风场的时空变化和大气湍流特征是影响局地大气污染物迁移、扩散的重要因子。本文以某内陆核电厂址为背景,针对内陆核电厂址气象及地形条件的复杂性,选用三维计算流体动力学(CFD)模型Fluidyn-PANACHE,模拟气载放射性颗粒¹³⁷Cs、气溶胶¹³¹I和常规气态污染物CO在大气中的三维风场及浓度场分布情况。该方法可合理模拟内陆核电厂大型冷却塔等建筑物周围的湍流和绕流,弥补了标准高斯模型精细化程度不足的缺陷。此外,该方法也突破了常规CFD模型很难在一次计算中进行多风向模拟的局限性。计算获得的正常工况下年均大气扩散因子能反映出该厂址大气扩散的季节性差异,即秋季的平均大气扩散因子最大,因此,可考虑将换料大修等非运行工况安排在秋季进行,以降低污染强度。研究获得的年均大气扩散模拟结果与高斯混合排放模式推荐的厂址扩散参数较为一致,典型固定风向的模拟结果与风洞物理模拟结果符合较好,可为中国内陆核电厂址大气扩散研究和评价提供参考。     

利用三维流场预测大气污染物扩散的方法研究

利用低空探空资料和地面气象资料，模拟三维流场时空变化规律，采用烟团轨迹模型对污染物分布情况进行了模拟．模拟结果表明，利用此方法可以较好地反映出低空各层流场的变化规律，明显提高了污染物地面浓度的模拟精度，其精度达到90％以上，较采用地面气象资料的模拟误差减少70％。     

高低层风向差异对核电厂长期大气弥散因子计算的影响

 为比较风场上下不一致时计算大气弥散因子的差异,使用CAirDos 模式计算福建某沿海核电厂的长期大气弥散因子,并与CEIRA 模式的计算结果进行对比,结果显示两种模式计算出的最大长期弥散因子出现的方位相同,均对应于低层最多风向（东北东,23.2%）的下风向,而次大值出现的方位不同。其中,CAirDos 计算的长期大气弥散因子的次大值出现在低层（10 m）次多风向（北东,10.4%）的下风向;而CEIRA 模式计算的长期大气弥散因子的次大值出现在高层（80 m）主导风向（北,16.5%）的下风向。CAirDos 使用的是单层风速数据,高层风速经风廓线修正得到,风向保持不变,保证了高、低层风向的一致,而CEIRA 需要使用高层及低层两层的风速数据,当高层及低层风向不一致时,将影响长期大气弥散因子的计算结果。     

液体核磁共振中基于偶极场理论的扩散行为模拟

通过偶极场理论和密度算符公式相结合推导同核双组分核自旋体系在CRAZED脉冲序列作用下非线性演化的理论表述.采用粒子随机行走模型与偶极场理论相结合的方法,模拟自由扩散的核自旋体系在偶极场作用下非线性演化的特殊性质.模拟与理论预测的结果吻合得很好.     

北京地区大气污染物时空分布及累积效应分析

用1999年和2000年的监测资料结合随机游走大气扩散模式分析北京地区PM₁₀和SO₂浓度的时空变化、城区污染排放对整个区域的作用和影响、以及污染物在区域内的累积效应。结果表明：(1) 北京地区污染物浓度具有以城区为中心的空间分布特点和季、日变化规律。(2) 城区和清洁对照点的污染物浓度平均日变化具有显著差异,城区基本呈双峰分布,清洁对照点定陵则基本为单峰分布。(3) 由扩散模拟的情况对定陵站的监测浓度进行条件性统计分析,结果明确反映了城区污染扩散对定陵站浓度的影响。(4) 北京冬季从城区排放的污染物在当地累积的情况明显,累积的时间周期大致为2～5d;输送扩散因子在污染物局地累积的过程中起着关键性的作用。     

台风风特性现场实测与数值模拟研究综述

台风风特性的现场实测与计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟是研究台风作用下结构风效应和城市地形风场特性的主要方法。采用综述形式,对当前台风风场特性现场实测与数值模拟研究的基本方法、主要内容、待解决问题及未来发展趋势进行了归纳及总结。现场实测台风数据为台风风特性的研究提供有力的科学根据,在数值模拟软件中对台风风场进行模拟极大方便了对台风风特性的研究。目前,台风实测数据还十分有限,台风非平稳性和地域性差异等因素导致难以用数值模拟的方式准确描述城市地形风场环境。未来,需以现场实测和数值模拟相结合的方式,总结风场特性,对城市地形风场建立适配的台风数学分析模型,得到合适的结构设计风参数选值方法。     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

东中国海环流对2008年浒苔事件的影响

以2008年浒苔暴发期间每隔5天的海表温度和风场做强迫场,利用POM模型模拟得到2008年黄海浒苔事件期间的环流场.模拟的夏季黄海近岸表层流向北流动,流速较大;山东半岛南岸表层流向东北流动,流速较小.模拟结果显示,表层流场主要受到风向的影响.在夏季,黄海近岸表层流为向北然后转为向东北流动,形成顺时针旋转的环流.而环流产...