大气边界层中强风结构的研究

本文利用北京325米气象塔的水平风速资料,对中性和非稳定层结条件下的天气过程出现的强风进行了湍流能谱、风的阵性以及风速垂直分布的计算分析,结果表明:(1)冷锋过程含能区有二个,一个为20—130分钟,另一个为3—10分钟,峰值变化在10~°—2×10~(-1)米~2/秒~2之间。雷暴过程主要含能区在6—12分钟及2—4分钟,峰值变化在10~°—8×10~(-2)米~2/秒~2之     

坡地稳定边界层的数值研究

夜间,在坡面上形成的边界层结构和平坦地形的稳定边界层有着显著的差异,Brost和Wyngaard指出,即使在很小的地形坡度(β=0.003)条件下,地形将对大气的湍流结构以及边界层的其它参数产生明显的作用,下面将着重研究地形造成的差异。 考虑无限平坦的坡面,地面粗糙度和温度的分布沿坡面是均匀的,气象场只沿垂直于坡面的方向变化,设坡面的倾斜角为β,取x和y方向平行于坡面,Z垂直于坡面,则坡面上风和温湿的控制方程可以写成:     

用格林函数解实际地形边界下的斜压大气数值预报问题

在斜压大气天气发展的数值预报中,考虑实际地形上的运动学边界条件已有了方案和倾向计算的试验,采用的是纲格法。由于地形起伏可以很大,我们用纲格法来解时就用了一部分不规则纲格。但在有些情况下,用格林函数来解这个问题更方便些。过去也有人利用格林函数来解地形的斜压发展问题,但是,他们的地形边界条件却是放在海平面上的。对东亚,这显然不合适。我们这里就要在实际边界条件下来解这个问题。     

分块地形坐标大气环流模式动力框架及其积分结果分析

给出了分块地形坐标大气环流模式的动力框架及其积分结果, 采用该坐标可解决陡峭地形的问题. 该框架的微分和差分方程组具有总质量守恒、平流项二次守恒、科氏力作功为零、总有效能量守恒等特点, 其时间积分方案则采用改进的非线性迭代. 对该框架的9层和21层版本的积分结果作了能量检测, 同相应的IAP AGCM-Ⅱ和AGCM-III的动力框架相比, 其动能和总有效位能的变化均与之相近, 证实了该框架具有较好的稳定性, 可长期积分. 该框架较原IAP AGCM动力框架更能反映复杂大地形对大气环流的影响, 表明分块地形坐标要较原坐标为优. 最后用21层版本研究了地形对准定常行星波的影响, 结果也证实了该框架的正确合理性.     

格子玻尔兹曼方法模拟大气边界层中的阵风结构

东亚北方冬春季常会出现寒潮冷锋天气,冷锋过后有明显的下沉气流,且伴随强阵风.观测数据分析表明,阵风结构具有相干性,是春季沙尘暴能够被输送到边界层上部,从而远距离传输的重要条件.格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)是一种基于Boltzmann分子输运方程的数值流体计算技术,自从出现以来,由于其在微观水平描述运动的特点,一直被用来研究湍流等复杂运动,本文在格子玻尔兹曼方法中引入大涡模式,使其能够应用到大气边界层湍流场,模拟阵风的产生及发展,得到了具有波动和涡旋相结合的相干结构,从而解释了阵风相干结构起沙扬尘的机理.     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

大气边界层内挥发性有机物的垂直观测方法及应用进展

总结分析了大气边界层内挥发性有机物(VOCs)的主要垂直观测方法与应用进展,着重对高层建筑物、系留气球、载人飞机、无人机和激光雷达等不同平台的VOCs垂直观测技术进行介绍,并对不同VOCs垂直观测平台的优缺点和主要应用场景进行归纳总结.同时,较为系统地总结了大气边界层内VOCs垂直观测的主要应用进展,着重对VOCs垂直...     

逆压梯度湍流边界层的新涡粘模式

文献[1]提出了着重体现湍流应力各向异性的湍流新涡粘模式,并提出应用新涡粘模式预报湍流平均流动的途径:由每类剪切流比较基本流动已知的实验结果来寻找涡粘张量分量分布的规律,再去预报较复杂的剪切流动.本文对二维湍流边界层,按此途径找到了涡粘张量分量的分布规律,并准确、简便地预报了逆压梯度二维湍流边界层的平均流动,与实验符合得相当好.1方程和边界条件     

大气 海洋 地学研究中数值模拟的进展

1.引言数值模拟研究在大气和海洋科学中已比较成熟,形成了完整的理论系统,并在实际业务中得到了广泛和有效的应用。数值模拟,或称大规模科学计算,在环境问题、河湖治理、古气候古环境复原、宏观生态问题,以至在某些地质和成矿过程等的研究中,亦已显示出或预示着必将有长足的发展,在推动各有关学科的发展上作出重要贡献。我国地学的数值模拟研究开展得比较晚,但近年来取得了较大的进展,在上述各领域中都取得了成果。由于在大气和海洋学方面比较成熟,下面将仅就此作些介绍。     

小振幅大气重力波传播的数值研究

应用二维可压大气全非线性动力学模型, 模拟了小振幅中频重力波波包的非线性传播. 并与相应线性模型的模拟结果作了比较. 结果表明在等温大气中非线性效应对小振幅重力波传播的影响是可以忽略的. 而在非等温大气中, 非线性效应对于重力波波包传播的影响显著, 主要表现在非线性相互作用将显著地减小波包能量传输速度; 波振幅增长率也小于线性传播结果, 但波动量仍能保持守恒. 中层大气的观测也给出了非等温大气导致的波非线性相互作用的证据.     

理想海底地形的南海海洋经向翻转数值模拟

利用一个z坐标刚盖近似海洋环流模式, 分别在吕宋-台湾以东的闭边界和开边界两种情况下, 模拟了理想海底地形(1000 m平底)南海冬季和夏季上层环流的经向翻转(meridional overturning), 目的是为了分析黑潮入侵南海的可能影响范围及其对南海上层环流经向翻转的改变, 并比较这种影响的季节性差异. 模式采用气候平均的海面风场驱动, 热盐强迫采用基于向Levitus气候海面温度和盐度张弛的边界条件. 从模拟结果来看, 黑潮影响南海上层经向翻转的范围可达到10°N左右, 从而驱动南海上层海洋形成一个不闭合的经向翻转. 在冬季(1月份), 海水从大约400 ~ 500 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部; 在夏季(6月份), 也有类似的情形, 海水从大约150 ~ 200 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部. 该经向翻转描述了南海中、上层水的运动路径, 为研究南海风生-热盐环流动力学提供了理想化的参考依据.     

考虑大地形的准地转四层模式

环流形势的演变,对于地区气象台制作区域性天气预报,目前还是一个重要依据;特别是气压系统的发生、发展,对于预报转折性天气尤为重要。为了描述大尺度环流形势的变化,我们从x,y,ζ=ρ/p,t座标系中的涡度方程、连续方程和绝热方程可得预报方程为:     

一个基于大气自忆原理的谱模式

基在于大气自忆原理,本文引进了复记忆函数,推导出大气处在忆方程的谱形式,建立和求解大气自忆方程构成了数值预报的一种新途径。采用Ｔ ４２Ｌ９谱模式为动力核,建立了全球自忆Ｔ４２模式。     

新一代火星大气模式GoPlanet-Mars V1的研制

火星探测是当前国家高科技竞争力的标志,世界航天强国均研制火星大气模式,为登陆探测提供气象环境保障.本文描述了我国新一代火星大气模式(global open planetary atmospheric model for Mars,缩写GoPlanet-Mars,简称GoMars)的研制,其中的动力框架完全自主研发,具有二阶精度、能保证质量守恒. GoMars引进并耦合了美国宇航局艾姆斯研究中心的火星物理过程,具备模拟沙尘、水和CO₂的能力.基于我国“祝融号”、美国“维京1号、2号”的实测数据以及国际火星大气全球数据集评估了GoMars,结果表明:GoMars能成功再现3个探测器记录的火星大气独特的地表气压“两峰两谷”特征;在全球地表温度、纬向急流、极区CO₂冰和沙尘方面, GoMars也具备良好的模拟性能,可为我国火星探测计划实施提供新的气象环境保障手段.     

大气中红外辐射传输的参数化模式

一、引言 在利用大气环流模式进行长期数值天气预报和气候模拟的研究中,需要很好地考虑辐射在大气中传输的问题。目前,已经有很多精确的方法可以计算现实的模式大气中的辐射传输,但它们都需要大量的计算机时间,因而,应用这些方法到大气环流模式中是不现实的。这就需要建立简化的辐射传输计算方案,它们要有足够的精度,但只需很少的机时。Stephens对这     

气候模式中的海洋大气耦合积分方案

一个复杂的气候模式,一般应包括大气、海洋、冰雪圈等组成部分。其中大气与海洋这两种流体间的耦合是气候模拟中的一个重要问题。通常对一个单位模式时间(如月、年),大气模式运行所需的计算时间比海洋模式要大得多,约为10~2倍。另一方面,海洋模式达到气候平衡     

2阶湍流闭合边界层模式及其在暴雨模拟中的应用

基于Mellor/Yamada的湍流2阶闭合方案, 编写了2阶湍流闭合方法的边界层模式(文中称之为MY-4) , 并与中尺度模式MM5耦合, 对1998年6月8~9日发生在华南地区的一次暴雨过程进行了数值模拟研究. 结果表明, 模式成功地模拟出了这次暴雨过程的降水大小和分布, 更加重要的是: (1) 与MM5中原有的边界层方案相比, MY-4模式准确地模拟了主要的天气系统如低涡和低空急流, 从而改善了模拟的降水分布, 并抑制了一个中心超过160 mm的虚假降水区的出现; (2) 通过与香港风廓线仪观测得到的垂直风廓线进行比较可见, MY-4能够再现大气边界层中较短时间尺度内的风速脉动, 这是MM5中的其他边界层模式所不能做到的. 并对MY-4和1.5阶闭合方法的边界层模式的模拟结果进行了详细的比较, 在模式开始积分的1~2 h之内, 不同边界层方案模拟得到的湍流对大气边界层内风场的贡献不同, 在非线性模式系统的作用下, 是影响模式模拟结果的重要原因.     

数值天气预报能量方程预报模式

大型天气变化的一个物理特性,就是它在一个基本上是准平衡的场上发生的。在中、高纬度,这种平衡则是气压梯度力与柯氏力相平衡的地转关系。根据地转平衡假定建立的准地转数值预报模式,一方面抓住了大     

二相渗流数值模拟的一类有限元格式及其理论分析

本文研究油、水两相渗流驱动问题,同时考虑了重力、毛管力的影响。我们提出一类新的有限元格式,并重点讨论了收敛性理论和误差估计。问题的数学模型是下述非线性偏微分方程组的初边值问题     

基于数值模式的细颗粒物来源解析

传统的颗粒物来源解析是通过受体采样和化学组分分析开展,该方法主要适用于有限的采样点位和时段.为了提高颗粒物来源解析结果的时空分辨率,发展了以数值模式和受体模型相结合的颗粒物来源解析技术.基于南京大学自主研发的区域大气环境模式(RegAEMS)和基于正定矩阵因子分解法的受体模型(PMF),以2014年南京青年奥林匹克运动会(简称青奥会)为例,开展了细颗粒物的来源解析研究.结果表明,RegAEMS可以较好地模拟南京市PM_(2.5)浓度及其主要化学组分,与同期基于手工采样分析的结果基本相当.进一步利用PMF模型计算不同类型排放源的贡献,发现南京青奥会期间(2014年7~9月)PM_(2.5)的来源依次是二次有机气溶胶(25.9%)、燃煤(16.5%)、硫酸盐(14.5%)、硝酸盐(12.6%)、机动车尾气(12.0%)、扬尘(11.7%)和工业生产(6.9%).比较发现,本方法解析出来的PM_(2.5)主要排放源贡献与基于离线采样分析的源解析结果基本一致.此外,基于数值模式和受体模型的源解析结果还反映出了青奥会中期电厂燃煤和工业生产的排放对颗粒物的贡献要明显低于青奥会前期和后期,表明青奥会期间对工业生产和电厂燃煤的污染控制措施起到了有效作用.本研究所发展的将数值模型和受体模型相结合的颗粒物来源解析方法还可以实现对未来重污染天气下的颗粒物来源贡献分析,从而为大气重污染应急管控提供科学依据.