城市大气边界层的综合观测研究——实验介绍与近地层微气象特征分析

介绍了南京大学大气科学系依托国家自然科学基金重点项目<城市边界层三维结构研究>在南京进行的两次城市边界层综合观测实验(时间分别在2005年夏季与2006年冬季),对实验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些城市近地层微气象学的基本特征,并对结果进行了讨论.主要结果为:市区气温明显高于郊区,体现出城市热岛效应的存在,且市区与郊区的气温差异随高度的增加而减小;2006年冬季观测期间,市区的风速比郊区约小1 m/s,反映出城市建筑物对气流的摩擦、阻尼和拖曳等作用,这些作用使得平均风速在城市上空衰减,并使一部分气流平均动能转化为湍流动能;市区白天的感热通量与郊区相当,但潜热通量远小于郊区,因此市区的鲍恩比远大于郊区.市区下垫面储热项在地表能量分配中占有较大份额,成为城市热岛效应的主要成因;夏季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高34%;冬季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高23%.这种夏季大于冬季、市区大于郊区的现象表明,由于冬/夏热力学性质和城/郊下垫面动力学性质的不同而引起湍流活动的差异;为了定量地衡量气流平均场转化为湍流场的效率,表述动量输送的强弱,我们引入了一个新的变量:归一化摩擦速度.对冬/夏两季和城/郊两地的比较发现,归一化摩擦速度具有很好的相似性和一致性,它表现为一个不随季节和时间变化的常数;通过比较水平湍流方差σ2u+σ2v与垂直湍流方差σ2w的方法,来更直观地研究湍流能量在水平和垂直两个方向上的分配特征.在2006年冬季观测期间,市区的σ2w/(σ2u+σ2v)平均值为0.16,郊区为0.14,市区湍流能量在垂直方向所占份额略高于郊区.     

城市不同下垫面湍流通量的观测和分析

利用榆中县2011年10月2-15日外场实验的湍流观测资料,结合天气背景,对比分析了城市同一区域内不同下垫面的动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的差异特征.结果表明:草地下垫面和混凝土下垫面之间动量通量的差异较小;混凝土下垫面的感热通量整体大于草地下垫面,且在日间差异较大,差异的最大值达109.29 W/m2;草地下垫面的潜热通量在日间明显大于混凝土下垫面,差异的最大值达153.8 W/m2,夜间两下垫面潜热通量差异较小;CO2通量在排放源附近较大.     

滇中地区夏季城市热岛效应的数值模拟研究

为了探究滇中地区不同城市化程度和湖泊下垫面对城市热岛效应的影响,利用中尺度气象模式WRF(the weather research and forecasting model)对昆明等城市的夏季城市热岛效应进行模拟研究。结果显示,夏季夜间,昆明等城市的热岛现象具有明显的下游效应,城市的扩张使得城市热岛下游效应的影响范围扩大,但热岛的强度不会明显地增强。城市的存在会增加地表的粗糙度,使得夜间的近地面风速减小。在白天,湖泊和城市下垫面主要通过改变局地的热力差异影响近地面的风速,城市的存在会加强湖泊与陆地间的热力差异,促进湖陆风环流,进而加大近地面的风速。城市的存在还会减少下垫面对低层水汽的供应,但城市面积的增加对低层水汽的影响相对较小。清晨,城市地区表现为湿岛(湿度较周边地区略大),这与城市地区的近地面辐合流场有关;而在其他时段,城市地区多为干岛(湿度比周边地区低),且干岛现象也存在下游效应。     

长江口九段沙盐沼湿地生态系统通量贡献区分析

通量贡献区分析是基于涡度协方差法进行生态系统碳、水、热通量交换研究的必要环节.根据研究区涡度通量塔上连续观测的2018年全年通量数据,基于FSAM (Flux Source Area Model)对长江口九段沙盐沼湿地芦苇生态系统在不同季节、风向及大气层结状态下的通量贡献区进行分析.结果表明:(1)不同季节通量贡献区各不相同,在大气稳定状态下,通量贡献区的大小关系为秋季夏季春季冬季;在大气不稳定状态下,通量贡献区季节变化不明显;通量贡献区范围有明显的昼夜变化特征,夜间通量贡献区最远点距离大于白天.(2)非主风向上迎风向通量贡献区的范围大于主风向上迎风向通量贡献区的范围.(3)各风向上,大气稳定状态下通量贡献区及其峰值所在位置距观测点的距离均大于大气不稳定状态下其对应的距离.     

基于MODIS地表温度的京津冀地区城市热岛时空差异研究

利用2000, 2005 和2010年土地利用数据识别城市和郊区, 基于2000-2010年 1, 4, 7, 10月MODIS地温产品探究京津冀地区城市热岛效应的时空差异, 讨论城区土地利用对城市热岛效应的影响。结果表明,京津冀地区城市热岛效应的昼夜、季节特征突出。白天热岛与夜间热岛差异较大, 夜间92.8%以上的城镇表现为热岛, 且季节差异小。夏季白天热岛最强, 冬季白天85%的城市呈现冷岛效应。白天水体减弱城市热岛强度, 夜间相反。春、夏季草地增加白天城市热岛强度, 冬季白天为减弱作用, 夜间四季均为增强作用。农田和林地在春、夏、秋季白天减弱城市热岛强度, 冬季白天为增强作用, 夜间四季均为减弱作用。     

夏季风影响过渡区的动力学粗糙度的特征分析

利用北方协同观测试验中夏季风影响过渡区榆中站、定西站和兴隆山站观测资料,分别代表草地、农田、混合型下垫面,采用通量廓线方法计算了各下垫面的粗糙度,分析了下垫面动力学粗糙度随风向、风速、摩擦速度和热力稳定度的变化特征及其与风速、热力稳定度的参数化关系.结果表明,动力学粗糙度随风向有明显的变化,因风向区间通量的不同而不同;动力学粗糙度与风速整体呈负相关,且在不同站点存在显著差异,在草地和混合型下垫面的相关性较好,而在农田下垫面相关性较差.动力学粗糙度与摩擦速度的关系相对较为复杂,在小摩擦速度区间随摩擦速度递增而递增,在大摩擦速度区间随摩擦速度的递增而递减.大气稳定时,粗糙度随热力稳定度呈显著负相关,大气活跃时,粗糙度随热力稳定度呈正相关.     

土地利用变化对城市气象环境影响的数值研究

采用南京大学的三维非静力区域边界层模式,选取典型天气状况作为代表,对北京1980、1990、2000及2004年不同土地利用类型冬夏两季的城市边界层特征进行数值模拟,结果表明:城市土地利用状况的改变对边界层热力及动力结构产生显著的影响,这种影响在夏季个例的日间尤为明显.如,由于建筑储热能力变化,地表反照率变化,导致城市表能量平衡重新分配,1980年个例较之2004年个例,夏季城市区域平均净辐射通量增加160 W.m-2.城市植被覆盖率减小,地表湿度降低,使得潜热通量最大减小81 W.m-2,感热通量则最大增加146 W.m-2.热通量和动量通量增大,地气相互作用的加剧,夏季城市区域气温增幅最大达2.2℃.建筑物高度及密度增大,湍能增强,且影响高度增大,混合层高度增加,使水汽等物质输送加强,分布更加均匀.城市动力粗糙度增加引起的阻尼作用在风速大时较明显,北京冬季日间风速较大,风速减少最大可达2.02 m.s-1;然而冬季大气层结较为稳定,湍能发展受到抑制,湍能及通量输送的变化不如夏季个例明显;地表较为干燥、植被覆盖稀少,潜热减小及感热增加的变化幅度较小,增温变化也不如夏季个例明显.     

上海大气微细颗粒物典型样本遗传毒性的季节变化研究

为探究上海市冬、夏两季惠南和浦东2个位点PM_(2.5)不同组分的遗传毒性,利用SOS显色反应分别测试了PM_(2.5)在相同颗粒物浓度下的总颗粒物、有机提取组分和水溶性组分的遗传毒性.试验结果显示,冬、夏两季惠南总颗粒物诱发遗传毒性效应的最低浓度均为2mg·mL~(-1),浦东总颗粒物诱发遗传毒性效应的最低浓度分别为1 mg·mL~(-1)和2 mg·mL~(-1);惠南及浦东2个位点冬、夏两季的水溶性组分均在最高浓度2 mg·mL~(-1)下呈遗传毒性阳性;2个位点冬、夏两季的有机提取组分在0.000 2 mg·mL~(-1)至2 mg·mL~(-1)浓度范围内均未表现出遗传毒性效应.为进一步比较暴露于等体积的空气时,冬、夏两季惠南及浦东大气颗粒物的不同组分遗传毒性的相对强弱,比较了每立方米空气中以4-硝基喹啉氧化物(4-NQO)质量表示的不同组分的遗传毒性.结果表明,上海浦东点与惠南点的大气微细颗粒物的遗传毒性呈现季节性规律,冬季颗粒物的遗传毒性显著高于夏季,而且冬、夏两季总颗粒物及水溶性组分中具有遗传毒性的化学成分及其浓度可能存在一定的差异,结合现有研究中上海地区多个位点微细颗粒物中污染物浓度或含量冬季普遍高于夏季的研究结果,推测上海各地区的大气颗粒物遗传毒性均具有类似的季节性变化规律.有机提取组分的遗传毒性效应不明显,大气微细颗粒物的遗传毒性可能主要来自于水溶性组分.上海的郊区大气污染日益严重,相同季节浦东市区与惠南郊区的污染水平相当,遗传毒性也处于相近水平,推测相同季节上海浦东市区与惠南郊区大气颗粒物中的致遗传毒性成分具有一定的相似性.     

不同城市冠层模式对城市地表能量平衡模拟能力的检验

城市地表能量平衡过程是城市大气边界层数值模式的关键过程之一,但对目前不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少.利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式(Single Layer Urban Canopy Model,SLUCM)、局地气象参数化方案(Local-scale Urban Meteorological Parameterization Scheme,LUMPS)、城市能量和水平衡方案(Surface Urban Energy and Water Balance Scheme,SUEWS)以及公用陆面模式城市参数化方案(the Community Land Model Urban,CLMU)这四个模式的模拟结果进行对比分析.分析表明:(1)在能量平衡各项中,各模式对于净辐射的模拟颇好,其均方根误差普遍低于感热项的50%,潜热和储热项模拟较差.(2)各模式对净辐射均有低估,其中SLUCM模式模拟最佳,全年平均偏差约7.7%,其均方根误差10~20Wm-2左右;对于感热通量,SUEWS模式模拟较好,日间偏差低于7%;对于潜热通量,则是CLMU模式更佳,特别是夏秋冬三季,平均偏差约12.5%;对于储热项,SLUCM模拟较优,偏差低于10%,各季均方根误差也普遍低于其他模式的50%.(3)各模式普遍表现为:秋冬两季模拟优于春夏两季,夜间模拟比日间更佳.比较结果为数值模拟中城市冠层模式的选取与改进提供了参考依据.     

夏季太湖表面辐射和能量通量特征观测分析

利用太湖表面2012年6~8月的辐射和湍流通量观测资料,分析了太湖夏季晴天辐射平衡和能量平衡各组分的日变化特征。结果表明:12012年夏季晴天太湖表面向下、向上短波辐射和向下、向上长波辐射日平均值分别为282.6、19.5、425.8、478.6 W/m2,反照率日平均值为0.05;2夏季晴天净辐射、感热通量、潜热通量和热储项日平均值分别为210.3、3.8、121.8、5.7 W/m2;3夏季晴天感热通量白天为负最小值为-13.4 W/m2,夜间为正最大值为17.3 W/m2。潜热通量晴天白天最大值达到216.6 W/m2,是能量平衡分配的主导;与陆地下垫面不同的是,夜间潜热通量仍保持正值。热储项白天为正,夜间为负,约60%的能量以潜热的形式消耗。天气过程出现时,湖体稳定的正温层被打破,累积热储项急剧减少。     

对用混合法测固体比热容实验方法的改进

在该实验中,由于对加热方法进行了改进,从而减少了高温物体转移到低温物体的过程中,与外界冷空气直接接触的时间,使“热损失”大为减少.测量精度比改进前提高了几十倍,而且设备简单,操作方便.     

热漏对混合热阻条件下卡诺热机性能的影响

在混合热阻条件下和卡诺热机性能分析的基础上，进一步研究热漏对循环的影响，导出了有热漏时，混合热阻条件下的卡诺热机的输出功率与效率的关系．     

Selection of Heat Recovery Ventilators in Different Climate Zones of China

Considering four different climate zones in China, an investigation on the choice of heat recovery ventilator for the buildings with little moisture emissions is carried out. The annual composition of energy consumption of air intake for per unitary air ventilation flow rate is evaluated by employing the testing data of climatic parameters in eight selected cities. The analysis shows that the total heat recovery is suitable in a controlled ventilation system with air humidity controlled during heating period of all the climates. For the building without air humidity controlled in winter, the sensible heat recovery ventilators can be used in severe cold and cold regions, and total heat recovery systems are more suitable for energy saving in hot summer and cold winter and hot summer and warm winter regions.     

桑塔纳轿车散热水箱管内外传热特性的分析研究

本文对上海桑塔纳轿车用散热水箱的传热性能进行试验，依据实测数据，将管外横掠管簇的对流换热系数从传热系数中分离出来，并整理成无量纲准则式，为优化设计提供参考依据．此外，对管内外的传热特性、阻力特性进行分析，验证了目前考核散热水箱热性能指标的合理性．     

大型铸件凝固计算中的潜热处理方法

以大型铸件凝固计算为背景，对目前广泛采用的等效比热法进行了分 析；指出了其应用的范围和局限性；提出了可以减少以至消除凝固潜热热源 计算偏差，进而提高计算精度的修改的等效比热法和热源迭代法。后者更适 于对大型铸件的凝固计算。     

75kW微型燃气轮机回热器传热性能试验

研究等流量法在高温回热器试验台上的应用．用等流量法(修正的等雷诺数方法)对75kW回热器进行传热性能试验，并进行传热数据分析．从总传热系数K中分离两侧的表面传热系数h，获得了有工程应用价值的Nu-Re准则关系式．     

太阳能热水器吸热效应与结构参数的关系

研究太阳能热水器水管长度（Ｈ）、内半径（Ｒ）和水流速度（Ｖ）间的相互依赖关系．对管内水流过程中的吸热积累效应，提出最佳选择方案及其理论依据．通过计算，求得太阳能热水器在气温不变的单位时间内，吸收热辐射的总能量为一常数     

船舶柴油机余热的利用

阐述了船舶节能的重要性和经济价值，通过分析船舶余热的成份，提出了合理利用余热的途径。     

热泵技术发展趋势探讨

在概述热泵技术的分类及发展趋势的基础上,阐述了土壤热泵技术的优势.     

列管换热器设计中辐射传热问题的研究

针对用于高温气体换热的列管换热器的设计,提出在传热计算中应考虑热辐射问题．建立了关于辐射传热计算的简化处理方法,得出了辐射传热膜系数的计算公式,并就需要进一步研究的问题提出了建议．