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.     

地形大气边界层的有限元数值模式

大气边界层内的湍流运动是非常复杂的,人们广泛开展数值研究,使用得最多的是差分法.然而,差分法在处理不规则的边界条件时遇到了极大的困难.为了克服这一困难,作者利用有限元方法,从二维定常不可压湍流     

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.     

大尺度锋面降水的边界层结构分析

长期以来,降水预报是个困难的问题,主要原因之一,可能是对降水中尺度触发机制还没有充分揭露。本文利用北京大气物理研究所325米气象塔和声雷达的探测资料以及常规气象资料分析北京地区1980年8月27日凌晨2时30分至4时30分间两场强降水的触发过程。风、温资料取样时间步长为20秒,垂直速度资料取样时间步长为5秒,相对湿度资料取样时间步长为10秒,声雷达在这次过程中进行了联合观测。     

磁云边界层中的等离子体结构

分析1995年2月至2003年6月间由WIND飞船观测到的50个磁云边界层(BL_s)中的等离子体结构发现: (1) 磁云边界层是一种非压力平衡结构, 它的总压力P_T,L(热压力P_th,L加磁压力P_M,L)通常低于边界层前面太阳风的总压力P_T,S和其后磁云中的总压力P_T,C, 边界层中增高的热压力P_th,L常常不能补偿其磁压力P_M,L的下降; (2) 磁云边界层中的电子与质子温度比(T_e/T_p)_L通常低于边界层前面背景太阳风的(T_e/T_p)_S和其后磁云中的(T_e/T_p)_C, 这常与质子的加热比电子明显相联系; (3) 在这些边界层中观测到等离子体反向流动的约占80%, 其中在3个方向(±V_x, ±V_y, ±V_z)观测到反向流动的约占20%. 磁云边界层中的这些基本结构与边界层中可能的磁重联过程相联系. 这些结果表明磁云边界层具有不同于邻近太阳风和磁云的等离子体结构, 它是磁云和太阳风之间存在重要的动力学相互作用的一种重要表现.     

大气中惯性重力波的非线性结构

近年来,大气中各种波的非线性发展问题的研究受到了普遍的关注.因为大气中非线性过程的研究对于解释观测到的大气中的稳态的槽脊结构、大气阻塞等现象具有现实意义.     

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...     

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:     

城市边界层理化结构与大气污染形成机制研究进展

自2013年《大气污染防治行动计划》实施以来,我国空气质量持续改善,但京津冀地区细颗粒物浓度仍远高于国家标准,秋冬季重污染天气仍时有发生.近些年,我国科学家在大气污染的立体探测、成因机制和来源解析、气溶胶和边界层相互作用等研究领域取得重要进展,进一步支撑了我国大气污染的科学防治和重污染天气的有效应对,然而我国当前大气污染仍面临诸多科学难题.本文简要概述了我国近些年在大气污染垂直探测方面的一些研究进展,特别是依托于北京325 m气象塔建设的城市边界层理化结构探测平台,详细论述了北京地区不同季节大气气溶胶化学组分的垂直分布特征及其与边界层物理要素的相互作用,同时基于2014年亚太经合组织峰会(APEC)和2015年纪念抗日战争胜利70周年阅兵前后的垂直观测,阐明了大气污染化学组分对区域源排放控制的响应机制.本文还针对大气细颗粒物中的二次无机组分(硝酸盐和硫酸盐)和二次有机气溶胶的生成机制以及极端霾事件的生消机制的最新研究进展进行了评述,并在最后对大气污染监测、二次无机气溶胶生成机制和有机气溶胶的分子组成和物理化学属性(相态、挥发性和氧化态等)等未来研究给出了一些建议.     

正压地转大气中Normal Mode的研究

Normal Mode(标准模)一直是研究流体稳定性的一个重要方法,故此得到了深入的研究。研究结果表明,对于无旋流体的稳定性问题,如果不顾条件一味地套用Normal Mode法,就会导致前后矛盾。Hoiland、Case等分析了Normal Mode方法出现困难的原因,指出根源在于Normal Mode对于所有可能出现的执动形式并不完备。对稳定性问题的完整提法是将其考虑成一个初值和边值问题。     

大气中细颗粒物表面多相化学反应的研究

细颗粒物在大气环境问题中起着重要的作用, 对于其表面上的多相复合反应的研究已成为当前大气环境科学研究最前沿的领域. 阐述了大气中细颗粒物的物理和化学特性, 及其与大气中痕量污染气体物质的相互作用, 探讨了细颗粒物表面多相化学反应的研究方法. 评述了大气中细颗粒物表面多相化学反应研究的若干进展, 提出了主要存在的问题及今后的研究前景.     

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。     

夏季亚洲大陆上空大气环流的结构

夏季亚洲大陆上空,尤其是中国大陆上空大气环流结构的问题过去研究得很少。1956年我国高空纪录有大量增加,因此有必要也有可能对这个问题进行较详细的研究。我们根据1951—1955年的资料,作出了7月亚洲上空850、700和500毫巴气流线图以及1956年7—8月200毫巴平均等高线图。在低层对流层大气的气流     

大气中羟基的估量有所提高

对羟从(OH)与甲基氯仿(CH_3CCl_3)反应速率的新的测量值表明,对某些氟氯烃(CFC,常用作冰箱制冷剂)替代物所导致的臭氧消耗和地球变暖趋势的估计应重新修正。羟基是低层大气中的一个主要的氧化剂,它通过与许多碳氢化合物反应来清洁对流层。但羟基在大气中的含量难于直接测定,所以大气化学家们通过往大气中通入已知量的合成物甲基氯仿,令其与     

恒星大气磁流静平衡结构

在太阳大气可见层中观测到的长寿命结构绝大多数与磁场的某些空间不均匀性有关,故寻找磁流静平衡方程分析解或数值解,以解释宁静日珥、日冕环和宁静区磁场的研究一向受到重视。然而,太阳与恒星大气中磁流静平衡场的结构是复杂的。目前已找到的解尚不能对它     

巯基棉吸附分离大气中汞的状态研究

金、银等贵金属捕集大气中汞的方法颇多,往往受屏蔽效应及钝化现象的影响。国外普遍采用选择性收集管分离,分析汞的状态,手续繁琐,不易掌握使用。关于应用经酸化的巯基棉收集与解吸大气中无机汞与有机汞的条件,至今未见文献报道。     

大气中3—5年周期的观测研究

近几年来许多研究工作表明,热带副热带地区大气存在着3—5年的准周期变化。这种振荡与南方涛动密切有关,有人称作SO周期。 本文采用Murakami设计的时间带通滤波器,对北半球每个格点的500hPa高度距平(从1951.1—1986.1共432个连续月)时间序列进行滤波计算,得到一套滤波后的只含3—5年周期的500hPa高度距平场。     

从大气中提取淡水

水的缺乏是制约地球上许多地区社会文明发展的主要因素之一。现代化城市居民昼夜的个人生活用水为100~400升,而在地球上许多地方则仅为20~30升。尽管水的年消费量持续地增长,从1940年到1990年增长到4倍,地球上几乎有10亿人口不能保障安全的饮用水。河流、湖泊、自流井、海水淡化设备等是现代基本的水源。海水淡化所获得的水量为9．6公里勺年,在大气中以水蒸气形式存在的水量有14000公里’（而在所有河流河道中水量总共仅为1200公里’）。水从陆地和海洋表面的年蒸发量为577000公里’,每年同样多的水以雨、雪等降落回到地面或洋面,河流…