基于耦合湖模式的城市边界层模式研究太湖的气象与环境效应

本文发展了一个耦合的城市边界层—湖泊模式(RBLM-Chem-Lake),通过离线和在线两种方式对模式的模拟效果进行了检验。并通过敏感性实验分析了太湖冬季和夏季对周边地区气象特征和空气污染的影响。结果表明:(1)白天太湖对周边气象环境产生了明显的降温效应,而夜晚出现了明显的升温。冬季夜晚周边地区升温达到0.4~0.6℃,白天可以使得周边气温降低1~2℃。夏季夜晚使周边地区升温可达1~1.5℃,白天使得周边气温降低1~2℃。(2)太湖对周边地区气温的影响范围夏季远高于冬季,夏季影响范围可达到80 km,冬季影响范围平均为5 km。此外,太湖使得湖区平均边界层高度下降,湿度上升,使得苏州市区垂直风速减弱,这种影响同样在夏季更为明显。(3)太湖的存在总体上使湖区和周边地区PM_(2.5)和臭氧的质量浓度增加。在冬季PM_(2.5)污染个例中,太湖导致区域夜晚PM_(2.5)质量浓度下降,下降幅度达到4~5μg·m^(-3)。而在白天,太湖区域500 m高度以下PM_(2.5)质量浓度增加,幅度达到25~30μg·m^(-3),在500 m高度以上质量浓度下降约5~10μg·m^(-3)。夏季的臭氧污染日个例中,白天,在太湖的东岸以及苏州市区臭氧的质量浓度出现了明显的增加,可以达到10~12μg·m^(-3)。

海陆风环流和城市热岛环流相互作用及其对空气污染的影响

沿海城市的PM_(2.5)和臭氧除受排放源、天气条件影响以外,还往往同时受城市热岛环流和海陆风环流的双重影响.利用2015年杭州市气象和环境监测数据以及数值模式RBLM-Chem,分析研究了杭州市在陆风天气、海风天气和海陆风三种环流条件下污染物浓度特征及城市效应对其的影响.得到了以下主要结论:海风使杭州市污染物浓度增大,在观测数据中PM_(2.5)浓度和臭氧浓度分别最大增高了10.9μg·m^(-3)和12.0μg·m^(-3),在模拟结果中相比于陆风天气型,海陆风天气型的PM_(2.5)浓度和臭氧浓度分别增大13.1μg·m^(-3)和18.9μg·m^(-3);相比于海风天气型,海陆风天气型的PM_(2.5)浓度和臭氧浓度分别减小24.1μg·m^(-3)和11.6μg·m^(-3).城市效应导致杭州市边界层高度增加63.8 m,地面风速减小0.99 m·s^(-1),地面气温增高1.14℃,PM_(2.5)浓度增大2.86μg·m^(-3),臭氧浓度增大10.2μg·m^(-3).海风削弱了杭州的城市效应,城市对边界层高度、地面风速、地面气温和臭氧浓度的影响分别减小11.2 m,0.49 m·s^(-1),0.26℃和7%.

南京城市边界层微气象特征观测与分析

南京大学大气科学系分别于2005年7月17日～7月31日,2006年2月18日～3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测,同时采用流动观测方法和在6个固定观测点进行城市热岛观测,观测发现：南京市存在明显的城市热岛特征,气温由市区中心的最高值向郊区逐步减少,冬夏季节的平均热岛强度分别为1.2℃和0.83℃,晴天热岛强度大于阴天,夜间热岛强度普遍高于白天,夏季和冬季热岛强度最大可达3.6℃和2.4℃.热岛强度随高度增加而减小,在约400 m高度,城区和郊区气温没有明显差异.观测结果还表明城区湿度普遍低于郊区,冬夏季节的城市与郊区的相对湿度差分别为10.6%和7.3%.南京紫金山森林地区对附近地区的气温和湿度有明显影响;城区风速明显低于郊区,高度越低,城区与郊区风速相差越大.南京市区的平均零平面位移约为19.9 m,平均粗糙度1.1 m.

城市灰霾数值预报模式的建立与应用

建立了城市灰霾的数值预报模式,可模拟PM2.5中主要成分硫酸盐、有机碳、黑碳、硝酸盐和土壤尘等气溶胶的浓度分布,根据气溶胶浓度分布计算城市大气能见度,从而预测城市灰霾天气.利用城市灰霾的数值预报模式进行了冬、夏2个算例的模拟.结果表明:在PM2.5中,夏季硫酸盐的贡献率(26.6%)略高于冬季(24.0%),夏季和冬季有机气溶胶(OM)贡献率分别为35.4%和33.3%,黑碳贡献率分别为9.5%和7.1%;南京地区颗粒物的消光系数占总消光系数的95%以上,是能见度下降最主要的贡献者,其中,硫酸盐和有机物对能见度贡献最大,其次为黑碳、硝酸盐、粗粒子、土壤尘和NO2.

关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论

本文是该会议关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论总结,涉及大气边界层观测试验、M-O相似理论的适用范、非均匀陆面边界层参数化、非均匀下垫面能量平衡、城市边界层,以及大气边界层湍流结构与特征等方面。希望这些讨论能为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。

中国对流层二氧化硫光化学氧化过程的数值研究

利用一个三维非静力区域大气化学输送模式与中尺度气象模式MM5相连接构成一个数值模拟系统 ,模拟了中国地区对流层臭氧与其前体物的分布以及二氧化硫转化为硫酸盐的过程 ,模式包括地面源排放、大气输送和扩散、干沉积、气相化学反应和云雨过程 .结果表明 :日间 ,O3 浓度主要由NOx 和NMHC的源排放和光化学反应过程支配 ,大气辐射是光化学反应强弱的决定因子 ,其强度可使SO2 、O3 和SO4 2 -的生成浓度呈现不同的日变化和季节变化 ,结果表明高浓度的O3 对二氧化硫转化为硫酸盐的化学过程有很大的促进作用 ,然而 ,这种作用受NMHC浓度的影响很大 ,较高浓度的NMHC使O3 浓度上升 ,但同时增加了对OH等自由基的消耗 ,使SO2 的转化率降低 .

基于高分辨率数值模拟的杭州市通风廊道气象效应研究

城市通风廊道能增加城市空气流通能力,缓解城市热岛,为了定量评估城市通风廊道的气象效应,本文采用区域边界层化学模式(RBLM-Chem),利用杭州市高分辨率地表类型、城市建筑等资料,开展了杭州市通风廊道影响的模拟研究,模式水平分辨率为250 m。本文针对冬季和夏季两个典型个例进行数值模拟和敏感性试验,夏季个例时间为2013年8月12日,盛行南风,风向顺着通风廊道;冬季个例时间为2014年1月28日,盛行东风,风向垂直于通风廊道。主要结论如下:城市绿色通风廊道有增加风速、降低气温、提高湿度的作用,与没有通风廊道的情况相比,夏季风顺着廊道方向时,廊道区域风速平均增加可达1.4 m/s,廊道区域内60 m高度风速平均增加可达1 m/s。而冬季风垂直于廊道时,廊道区域风速增加较小,仅有0.5 m/s左右。通风廊道夏季降温幅度平均可达2.7°C,冬季降温幅度较小,仅有0.6°C左右。通风廊道对气象场的影响随风向向下游延伸,夏季在通风廊道下游250 m处,风速增加、气温下降、相对湿度增加最大值分别为1.5 m/s、2.9°C、3.1%,即使在通风廊道下游1500 m处,最大降温仍有1.2°C。

基于自动站资料的苏州灰霾天气分析

利用苏州2010∽2013年的逐时气象和大气成分观测资料,对苏州灰霾天气特征进行了统计分析,研究发现：苏州灰霾的小时频率为30.7%,灰霾等级以轻微灰霾为主,干霾占总灰霾的比例为85.6%.2013年12月灰霾小时频率最高,达82.3%.灰霾小时频率有明显的日变化特征,峰值出现在上午8：00时,达36.3%,14：00∽16：00时,灰霾频率最低,约为25%左右;灰霾期间,PM10、PM2.5、PM1.0和散射系数分别是非灰霾期间的1.72、2.07、1.88和2.58倍.采用不同的灰霾日标准,苏州年均灰霾日数在94∽243之间,相差极大.灰霾频率和气象条件有密切关系,灰霾频率最高的相对湿度区间为70%∽80%,重度霾最多出现在90%∽95%的相对湿度条件下;随风速增加,灰霾频率逐渐下降,在西北风向下,灰霾频率最大.大气消光以颗粒物散射消光为主,约占总消光的82%左右,黑碳的吸收消光约占13%左右.

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响。模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变。在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大。城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大。

沙尘表面非均相化学过程的气候效应的初步模拟研究

建立了一个包含地表起尘机制的尘粒表面非均相化学模式 ,并与区域气候———大气化学模式系统连接 .研究了沙尘气溶胶表面的非均相过程对大气中一些重要微量成分浓度的影响及其所产生的气候效应 .结果表明 ,非均相过程使得二氧化硫和臭氧的浓度降低 ,硫酸盐浓度增加 ,年平均硫酸盐积分浓度增加 2 6mg m2 ;在部分地区非均相过程使二氧化氮浓度降低 ,而在另外一些地区 ,则使二氧化氮浓度增加 .1 ,4 ,7,1 0月四个月硫酸盐浓度增加造成的辐射强迫最大值分别为 - 0 .2 4 ,- 1 .0 ,- 2 .0 ,- 0 .6W m2 ,全区域年平均辐射强迫为 - 0 .0 33W m2 .四个月最大降温分别可达 0 .1 6 ,0 .35 ,0 .5 ,0 .4 8K ,年平均降温 0 .0 2 1K .

水雾扩散及其对环境影响的模拟研究

利用三维能量方程闭合大气边界层模式和随机游动扩散模式组成一个大气扩散实用模拟系统 ,模式考虑了湍流夹卷、雾滴蒸发、重力沉降等物理过程 ,模拟研究了水电站泄洪产生的水雾的扩散及其对环境相对湿度的影响 .模拟结果表明 ,中性层结条件下 ,水雾扩散距离为 2 58m ,水雾最远影响距离为 1km左右 ,使环境相对温度增加 1 %— 3% .大气稳定度对水雾扩散有很大的影响 ,不稳定情况下 ,水雾扩散和影响范围较小 ,但因水雾蒸发量大 ,水雾扩散和影响涉及的垂直向范围较大 ,中性情况下次之 ,稳定情况下 ,水雾扩散和影响距离较远 ,但所及高度不大 .模拟结果与部分实测资料比较 ,符合甚好 .

中国不同排放情景下人为气溶胶的气候效应

本文利用区域气候模式RIEMS2.0(Regional Integrated Environmental Model System)和2006年以及2020年三种排放情景下的排放资料,研究了2006年气候背景下的人为气溶胶的浓度分布特征及辐射效应,估算了未来不同排放情景下人为气溶胶的主要成分硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳(含二次有机碳)的综合气候效应.结果表明:(1)2006年中国地区人为气溶胶浓度硫酸盐>有机碳>硝酸盐>黑碳,其区域柱浓度平均值分别为6.0、4.0、1.3和0.3mg/m2.(2)2006年硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳的平均辐射强迫分别为-1.32、-0.60、-0.40和0.28W/m2.硫酸盐、硝酸盐和有机碳的负辐射强迫超过黑碳的正辐射强迫,人为气溶胶总辐射强迫为-1.96W/m2.(3)人为气溶胶的辐射效应及引起的地面气温变化对排放源非常敏感,未来采取不同排放政策导致的人为气溶胶的含量及辐射效应有较大差异.在未来排放增加的情景下,各区域的气溶胶浓度、辐射强迫、气温下降幅度和降水减少幅度也相应加大.

深凹露天矿流场与污染物散布的模拟研究

利用高阶矩湍流闭合方案建立了一个三维非静力高分辨率ＰＢＬ数值模式，并用此模式模拟了中性层结条件下一个深凹露天矿区实际地形的流场结构与湍流特性，分析并揭示露天矿自然通风特性，为进一步研究露天矿污染扩散规律提供背景流场，数值模拟的一些结果与同样试验条件下的风洞试验结果吻合甚好。

细网格非静力二维高阶闭合模式对山体流场特征的模拟分析

本文采用二阶矩湍流闭合方案，分别就非静力和准静力两种条件建立ＰＢＬ数值模式，并模拟了二维山脊流场的结构，计算了二维山体对气流平均场和湍流场的影响。计算结果表明，无论是平均场还是湍流场，采用准静力假设都会造成模拟结果的较大偏差，且对平均场的影响比对湍流场的影响更为显著。两种模式计算结果的差别还随地形坡度和背景风增大而增大。

凹坑地形风流结构对污染物散布的模拟研究

利用建立的三维非静力高分辨率高阶湍流闭合模式与随机游动扩散模式研究了一个深凹露天矿区污染物散布的规律，同时在风洞中进行了示踪实验。结果表明，由于凹坑内复环流结构的存在，使得坑内污染物浓度较大，且浓度最大值出现在源的上风侧。数值试验与风洞试验结果吻合较好。

一次沙尘暴过程对大气痕量成分浓度影响的模拟研究

利用一个包含地表起尘机制的尘粒表面非均相化学模式 ,与区域气候 大气化学模式系统连接 .研究了沙尘气溶胶表面的非均相过程对城市大气中一些重要微量成分浓度的影响 .结果表明 ,非均相过程使得二氧化硫 ,氮氧化物和臭氧的浓度降低 ,硫酸盐浓度增加 .沙尘暴对这些物种浓度的影响与沙尘浓度有关 .

煤矿井下开采应急避难设置要点分析

我国煤矿井下开采发生的事故多,不但造成人员伤亡给广大家庭带来沉重的痛苦,同时也给国家造成了恶劣影响。我国经济还处于发展期,如何对煤矿开采做出有力的保障是对人民负责的重要表现。文章从多个角度探讨分析了煤矿开采的现状和事故发生的应急避难要点。

城市空气质量数值预报模式系统及其应用

介绍了一种城市空气质量数值预报模式系统 ,该系统由气象模式 (中尺度气象模式MM5及城市大气边界层模式CBLM)和大气污染物输送扩散化学模式组成 .将模式系统应用于南京市 ,试预报结果同监测结果一致 ,表明模式具有较好的模拟性能 .模式系统试运行后的检验改进工作 ,气象资料、污染源及环境参数等质量的提高 ,预报结果检验方法的确定等都是模式系统业务化时应予以充分考虑的 .

硫酸盐气溶胶直接和间接辐射气候效应的模拟研究

将大气化学模式引入到区域气候模式中 ,实现同步计算大气化学成分和气象要素 ,以中国地区 1994年 1、4、7、10月为研究对象 ,模拟了 4个月的气候变化 ,通过分析发现 :硫酸盐气溶胶的直接和间接辐射效应都使大气顶产生负的辐射强迫 ,使地面气温下降 ;间接效应的引入加剧了辐射强迫和地面降温 ,是一个不可忽视的重要过程 。

南京市重点工业源对城市空气质量影响的数值模拟

运用南京大学空气质量数值预报系统,对2005年1月6─7日南京典型天气条件形成的污染过程进行数值模拟,计算分析了重污染发生时的城市污染气象环境和影响因子,同时针对该城市重点工业源区对城市主要空气污染物浓度分布的贡献做了分析.结果表明:重污染状况发生在长时间逆温条件下,尤以6日23:00—7日04:00时逆温最强(强度可达1.25℃/hm,逆温层厚200 m),此时风速较小,同时在市区出现较强的气流辐合,在这种气象条件下,NO2,SO2和PM10的质量浓度最高.南京市相对封闭的宁镇丘陵地形以及受东郊紫金山的影响,也是造成主城区重污染的重要影响因子之一.南京市城北工业区与主城区毗邻而且污染物排放量较大,在冬季主导风向为东北风时对主城区污染物的浓度具有显著贡献.