城市化对2008年8月25日上海一次特大暴雨的影响

本文利用新一代中尺度数值天气模式Weather Research and Forecasting Model(v3.1.1,WRFV3)、日本气象厅20 km分析资料及自动站观测数据等模拟了2008年8月25日上海一次特大暴雨过程,并研究了城市化对这次暴雨过程的影响.研究结果表明:WRFV3模式能够较好地模拟出上海0825暴雨的主要分布特征,强降水中心以及暴雨随时间变化趋势;上海城市化使得这次暴雨过程在城市中心区域和迎风区降雨增强,城市背风区降雨减少;而城市化引起的陆面粗糙度等变化的动力作用对城市地区低层风场产生阻挡,使得城市迎风区垂直上升运动增强、水汽增多,是造成城市迎风区降雨增强的主要原因.     

城市化对昆明一次强降水过程影响的数值模拟研究

为了探究昆明地区城市化对降水的影响,利用中尺度气象模式WRF(the weather research and forecasting model)耦合单层城市冠层模块,对2012年5月24日夜间发生在昆明城区西部的一次强降水过程进行数值模拟研究。通过与卫星观测得到的降水空间分布进行对比,发现WRF模式能较好地再现此次降水过程。城市的存在会较显著地改变城市地区的潜热和低层垂直运动,使得位于城区的降水中心降水强度略有减小,而城区下风向的降水有所增加,降水增加的区域与750 hPa高度上的水汽通量辐合加强的区域相对应。城区降水中心降水量减少可能是由于城市下垫面抑制了低层大气的水汽供给。城区下风向降水增加的可能原因是该区域相对较强的垂直运动使得更多的水汽被输送到高层大气中,有利于降水的增强。在目前的城市化水平上,若昆明地区的城市进一步扩张,城区下风向地区的垂直对流运动和大气不稳定度均会增强,但城市下垫面对低层水汽供给的抑制作用也会增强,这两种作用的同时存在会使得城市下风向地区降水的变化存在不确定性。     

台风韦帕的数值模拟和诊断分析

本文采用WRF中尺度数值模式,以NCEP再分析资料作为初始场和侧边界,对0713号台风韦帕登陆过程进行数值模拟,结果表明该模式能很好的模拟处理台风路径和暴雨落区,并进行相对螺旋度分析,结果表明相对螺旋度对降雨的预报有很好的指示作用。     

基于FLUENT的氯乙烯泄漏扩散特性数值模拟研究

氯乙烯意外泄漏扩散时,很容易造成人员伤亡和环境破坏。采用Fluent仿真软件对氯乙烯气体泄漏及其外流场进行数值模拟,分析环境风速对气体泄漏扩散的影响。研究发现:在无风条件下,氯乙烯气体泄漏后堆积在近地面,扩散缓慢,泄漏云团整体呈现圆形;当环境风速为2m/s时,氯乙烯气体在环境风、重力和初速度共同影响下,近地面形成了气体云团后,气云逐渐往下风向移动。云团扩大的同时,浓度不断稀释,云团整体呈现椭圆形。     

云南2次西行台风暴雨过程数值模拟和诊断分析

利用NCEP再分析资料和中尺度数值预报模式(WRF模式),采用三重嵌套网格对2014年7月20日08:00—21日08:00与9月17日08:00—18日08:00的2次西行台风影响云南暴雨过程进行数值模拟试验,并对试验结果进行诊断对比分析.结果表明:WRF模式客观地模拟出了西行台风暴雨过程的强降水落区、强度和基本特征,但当高空无冷空气影响热带低压时暴雨中心与低压中心吻合,冷空气入侵热带低压外围时暴雨中心偏离热带低压中心.同时,较好地模拟出西行台风影响系统的移动方向和影响区域,由于没有考虑地形作用,模拟的影响系统和降水落区比实况位置稍偏西偏北和强度偏弱,但总体上高空高度场、温度场和流场分布也与实况基本一致.另外,WRF模式对相对湿度、涡度、垂直速度的模拟能很好地指示强降水发生的深厚高湿环境条件、正涡管效应和强烈深厚上升运动条件,模拟结果对强降水落区和发生时间有非常好的指示性.     

2007年夏季河套地区两次区域性大暴雨过程模拟分析

以2007年夏季发生在河套地区的两次大暴雨天气过程为对象,利用MM5中尺度数值预报模式对其发生发展过程进行数值模拟,通过与实况对比,表明模式对暴雨落区的模拟是成功,然后利用模式输出结果对暴雨形成机制在影响天气系统、水汽输送、不稳定层结和动力条件等方面进行了诊断分析。结果表明,两次大暴雨都发生中高纬十分稳定的环流形势下,在第一次暴雨过程中,西北涡和低空西南急流是其主要影响系统,低涡东侧的辐合和低层暖湿气流为暴雨的发生提供了良好的动力和水汽条件;在第二次暴雨过程中,500hPa切变线为其主要影响系统,高层强烈的抽吸作用为暴雨区提供了强劲的上升运动,弱冷空气与低层暖湿气流之间形成强烈位势不稳定为暴雨的发生发展提供有利的条件。第一次暴雨过程中一直有高通量水汽输入,水汽由来自孟加拉湾和南海的两股偏南气流合并而成;第二次暴雨过程的水汽有台风"帕布"东北侧的偏东气流输送。与第一次暴雨过程无冷空气作用不同,第二次暴雨过程中由于有弱冷空气侵入触发了不稳定能量释放,更有利于暴雨的产生和形成。低层螺旋度正值区与未来12～18h暴雨落区有较好的对应关系,暴雨区高层为螺旋度负值区,螺旋度这种高低层耦合是触发和维持暴雨的动力机制。     

利用GRAPES-UCM模式对广州典型污染天气过程的数值模拟研究

利用城市冠层加强观测资料对GRAPES-UCM模式进行了多个例的模拟分析与效果检验,表明:城市冠层效应使城市平均气温升高1.2℃,感热通量增加163%,热岛效应增强近1.3℃;城区风速减小16%,而风速的脉动增大;GRAPES-UCM模式对城市地表温度、风速、向下短波辐射、向上长波辐射、感热通量等的模拟结果与实际观测更为接近.近地面静小风、稳定的近地面层结(逆温)及风向的辐合导致污染物的局地堆积,容易造成高PM2.5浓度与低能见度的灰霾天气;与台风外围下沉气流相联系的高温有利于高臭氧事件的发生.城市冠层模式的引入对GRAPES模式在城市下垫面的模拟效果有显著的提升作用,能更好模拟出不利于污染物扩散的气象条件.     

北京“23·7”特大暴雨影响下城市交通应急响应时间动态分析：以北京市通州区为例

暴雨洪涝事件影响城市交通路网运输性能,增加城市应急通行时间.然而,现有研究主要集中于2h设计雨型下城市交通路网受损过程,对长历时特大暴雨情形则考虑不足.2023年7月,北京地区发生历史罕见的长历时特大暴雨事件,造成严重洪涝灾害.联合利用城市洪涝模型和动态交通路线规划分析,量化评估了特大暴雨事件对北京市通州区居民通过城市路网前往医院、紧急避难场所等地所需通行时间的影响.研究结果表明：(1)特大暴雨事件可使居民前往避险地点时间增加约20min;(2)短时极大雨强与前期足量积水均会显著减缓城市交通系统通行性能恢复速度,放大暴雨洪涝灾害风险.因此,在评估城市洪涝灾害风险时需综合考虑短时降雨强度超限造成的突发性失稳与长时间连续降雨致涝造成的渐进性失稳风险,并据此优化极端暴雨洪涝场景下灾害风险管控与应急资源配置.     

重庆一次特大暴雨过程的中尺度数值模拟与诊断分析

利用三重嵌套的非静力中尺度数值模式MM5对2007年7月16~17日发生在重庆的特大暴雨天气过程进行了数值模拟,并利用模拟结果进行了诊断分析.模拟结果表明:模式对降水的落区的模拟效果较好;模拟出的中-α和中-β系统的分裂演变过程与强降水出现的时段吻合.诊断分析表明:强降水与水汽辐合的大值密切相关,降水强弱与辐合强弱变化一致;随着上升运动的加强,不稳定层结在暴雨区上空形成的倒“V“型结构逐步加深,不稳定层结不断向高层发展;此次暴雨维持和发展过程中,强降水区与强上升运动及正负涡度柱有较好的对应关系,负涡度柱比正涡度柱后发展先衰减,暴雨区上空始终维持高层辐散比低层辐合强的结构.     

极端降雨下地下空间淹水对城市内涝过程的影响研究

极端降雨会引起城市内涝,造成地面严重积水,从而威胁城市地表及地下空间的生命财产安全.当前水动力模型涉及地下空间的模拟较少,地下空间设防高度对城市内涝时空分布特征的影响分析还存在不足.针对以上问题,以郑州市二七区主城区在“7·20”特大暴雨事件中的内涝过程为例,构建了考虑地下空间淹水的城市内涝模型.模拟了在地下空间不同设防高度下,城市内涝时空分布特征.研究结果显示：(1)构建的地下空间淹水模型具有一定物理机制,参数可量化,且计算简便,适用于大范围考虑地下空间淹水的城市内涝模拟;(2)不考虑地下空间淹水会使地表内涝风险被高估,高风险与超高风险面积之和将会增大10.7%;(3)当设防高度增加10cm时,城市地表的积水最大深度提高10.0%,流速增加2.3%,高风险与超高风险面积增加3.4%.这一结果表征了地下空间设防高度对城市内涝过程的影响机制与规律,为科学设置设防高度,有效防控城市地表-地下整体内涝风险提供了参考和依据.     

不同温度层结下建筑物周围流场的数值模拟研究

采用RNG k-ε湍流模型模拟不同温度层结下立方体建筑物对流场结构的影响,应用莫宁-奥拨霍夫长度描述不同温度层结下大气的运动。结果表明,数值模拟能较好地模拟受建筑物影响时气流的位移区长度、尾流区范围、空腔区高度,稳定层结下建筑物两侧与顶部分离区域相对较小,建筑物对水平方向的影响高于垂直方向,大气稳定度对湍流动能的影响非常显著,大气处于稳定层结时湍流动能略低于中性与不稳定层结,湍流动能的变化较弱。在建筑物附近,由于建筑物扰动与热稳定性的共同影响,大气湍流动能相对较大,随着下风向距离的增加,热稳定性对湍流动能的影响逐渐显现。     

一次东北暴雨过程的诊断分析

利用一个η坐标暴雨模式的预报结果，研究了1998年8月的一次东北暴雨过程。主要对湿位涡和螺旋度进行了诊断、分析。结果表明，当对流层中低层为正涡度，高层为负涡度，在垂直方向有较大上升运动时，则易导致对流性降水；暴雨落区与低层正MPV1(湿正压项)区域对应。而且，螺旋度和湿位涡与暴雨中心有同时分裂的现象，这对暴雨落区有较好的指示作用。     

兰州市榆中县城区重气示踪试验的初步分析

“城市气象/示踪试验”在中国西北甘肃省榆中县的城市区域内(3 km×3 km)构建了一个精细化的观测网,对气象场和示踪物浓度场进行了高时空分辨率的观测。利用观测资料初步分析了城区内流场及示踪物的输送扩散特征。结果表明：受不同尺度运动相互作用的影响,城区流场十分复杂;城市冠层顶风场与示踪物浓度场有较好的对应,即浓度高值区基本出现在主导风向下风方向±20?的扇形区域内且呈现出近似为正态分布的特征,同时地面和城市冠层顶示踪物的浓度分布存在明显差异。     

一次梅雨锋暴雨在不同物理过程下的模拟结果比较

本文研究对象为2005年7月江淮流域的一次梅雨锋暴雨,通过选择WRF模式中五组不同的微物理方案和积云参数化方案,进行两重网格嵌套模拟,并对模拟结果进行诊断分析。通过比较得出如下结论:Betts-Miller-Janjic方案与Ferrier(new Eta)微物理方案的组合最能模拟出降水雨带的方向、位置和雨量,其次是New-Kain-Fritsch和Ferrier(new Eta)方案的组合,而且细网格的模拟效果更好;积云参数化方案的选择比微物理方案的选择对降水模拟的影响大;当微物理方案相同时,Betts-Miller-Janjic方案比New-Kain-Fritsch方案在细网格模拟下更准确反映梅雨锋暴雨的热力结构和垂直运动的特征,对暴雨的落区有一定指示作用。     

基于一种标准城市建筑模型的行人高度风环境比较研究

对日本建筑学会（AIJ）提出的标准建筑风环境模型,分别采用风洞试验、基于雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）的数值模拟方法,开展了考虑不同中央高层建筑高度和来流风向角对周围行人高度风环境影响的详细比较研究。结果表明：RANS和LES模拟得到各测点风速比的变化趋势与风洞试验整体上一致,相对而言,LES模拟结果与风洞试验结果更接近,平均误差约为RANS的1/2;而RANS方法总体上低估了行人高度风速,无法准确反映建筑背风面的风加速状况。随着中央建筑高度的增加,周边行人高度风速逐渐增大,100 m高度的超高层建筑对局部区域风速的加速达到1.6倍;但当中央建筑高度超过150 m、继续增大至200 m时,行人高度风速不再增大。当风向角在0°～90°范围变化时,在高层建筑背风面和角区附近会产生行人高度风场加速的“文丘里效应”;其中当来流风向角为45°时,风加速情况最为显著,显示出斜风来流工况下会对高层建筑周边行人风环境带来最不利的影响。     

碎石粉质粘土滑坡致滑机理分析

为探究碎石粉质粘土滑坡的发育机理,以灰山港某碎石粉质粘土滑坡为研究对象,通过土工试验、现场监控和数值模拟相结合的方法,对不同降雨强度下滑坡的变形趋势进行了分析.研究结果表明:该滑坡土体颗粒缺失,降水入渗后容易导致细颗粒流失,土体在饱和情况下的抗剪强度远低于原位土体抗剪强度;当降雨达到暴雨强度时,坡脚孔隙水压力的迅速上升将会促使滑坡发生.     

浙江地形对台风Khanun影响的数值试验和机理分析

以2005年严重影响我国华东地区的登陆台风Khanun为研究对象,利用MM5模式对其登陆浙江过程进行了数值模拟,通过模拟结果和实况的对比表明,模式对台风路径和降水的模拟是成功的,在台风移向移速、暴雨强度和落区上与实况十分吻合,但在台风强度模拟上则较实况偏小.在控制试验比较成功的基础上,本文还设计了3个敏感性试验,分析了浙江地形对台风路径、强度和降水的影响及其机理,它们分别为地形加倍、减半和无地形试验.试验结果表明,浙江地形对台风Khanun移动路径没有显著影响,这可能与浙江地形高度较低和环境场强引导气流有关.在降水强度上,浙江地形对暴雨的增幅作用十分显著,由地形强迫产生的降水和地形走向相一致.迎风坡由于地形动力抬升作用有利于上升运动加强,使得对流发展旺盛,降雨量增加,背风坡降雨量减少,浙江中北部沿海地区由于地形强迫产生了与台风环流同位向的扰动使得台风环流明显增强,形成暴雨中心.有无地形影响下的螺旋度对比显示,暴雨增幅区与低层正螺旋度差值区和高层负螺旋度差值区相对应,螺旋度差这种高低层耦合是触发和维持台风暴雨的动力机制,有利于台风螺旋结构的维持和强降水的发生.     

降雨特征对多雨城市海绵改造小区径流控制效果的影响

为科学定量评价不同降雨特征对多雨城市海绵改造小区径流控制效果的影响,该文基于在线监测和模型模拟相结合的方法,以某多雨地区海绵城市试点区内一个典型小区为研究对象,布置代表性的监测点对其排口流量和悬浮物(suspended solid,SS)进行连续在线监测。在此基础上构建暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM),开展海绵小区改造对径流水量控制和水质净化效果评价的实证研究。利用实测在线降雨水量水质数据对模型关键参数进行率定和验证, Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.71。在实际场次降雨和典型年降雨情景下,模拟分析了海绵改造对雨水径流水量控制和水质净化的效果。结果表明,海绵改造后,小区范围内的年径流总量控制率为52.9%,年径流削减率为28.0%,污染物负荷削减率为66.3%。整体而言,共计81场降雨事件下的径流控制率均达到70%以上。同时,研究发现极端降雨事件与各降雨事件下的降雨特征均对场降雨径流控制能力有不同程度的影响。研究区2009年内平均场降雨控制率为86.5%,而当分别不考虑极端小降雨/暴雨事件时,平均场降雨控制率为79.9%和88.2%。降雨量与雨前干期对场降雨径流控制能力的影响较大,在小雨(15 mm)、中雨(10～25 mm)及大雨(25 mm)3种不同情况下,研究区的场降雨径流平均控制率分别为98.1%、 73.8%和52.9%。在雨前干期大于等于6 d的降雨事件下(共15场),场降雨径流控制率均达到90%以上。而降雨历时与平均雨强对场降雨径流控制率的影响并不显著。     

不同边界条件对城市内涝的影响——以通州区两河建设区为例

以北京市通州区为例,对不同重现期的降雨与不同频率的河道洪水进行组合,分析不同洪涝组合对内涝积水深度的影响.采用城市洪涝模拟技术设置不同尺寸的网格进行计算,通过对比不同网格模拟计算的结果,给出最适宜的计算网格尺寸,在此基础上,分析研究不同洪涝组合对内涝积水深度的影响.研究结果表明:分别以5、10和20m为模型计算网格的模拟计算结果相差不大,以50m为模型计算网格的模拟水深值明显偏小;与50a一遇降雨遭遇河道20a一遇洪水相比之下,50a一遇降雨遭遇河道50a一遇洪水时,内涝显著增加;同样地,当100a一遇降雨遭遇河道50a一遇洪水比100a一遇降雨遭遇河道20a一遇洪水的内涝水深显著增加,而当100a一遇降雨遭遇100a一遇洪水与100a一遇降雨遭遇50a一遇洪水时的内涝情况相比,研究区所选节点的内涝深度相差不是很大.     

壁面粗糙度对轴流压气机气动性能的影响

以某典型压气机级为研究对象,利用三维数值模拟方法系统、定量地研究了壁面粗糙度变化对轴流压气机气动性能的影响,揭示了壁面粗糙导致压气机性能退化的内在机制。结果表明:壁面粗糙度增大会降低压气机总压比和等熵效率,且粗糙度越大,性能衰退越快;当壁面粗糙度超过90μm时,压气机的总压比和等熵效率分别下降2.58%和7.15%;近壁区气流的黏性耗散,分离区气流掺混、堵塞的增强,以及激波损失是导致压气机性能退化的主要原因;壁面粗糙度增大将使压气机特性线向流量减小的方向移动,近失速点的特性参数减小得更快,压气机的稳定工况范围有所增大,但通流能力大幅降低;当壁面粗糙度超过150μm时,失速工况提前发生,压气机稳定工作范围迅速减小6.21%。