城市街区污染散布的数值模拟与风洞实验的比较分析

将专门设计的一项中性层结条件下风洞的污染物浓度测量实验 ,与已建城市小区尺度模式在相同条件下的污染扩散模拟结果进行了比较分析 .分析了该模式流场模拟的有效性 .结果表明 :总体上 ,数值模拟与风洞实验结果符合较好 ;进一步分析发现 ,数值模拟结果中建筑物背风侧空腔区湍涡的中心比风洞实验结果略高 ,空腔区的范围比风洞实验所示范围大 ,建筑物迎风侧位移区比风洞实验所示小 .

多尺度城市边界层数值模式系统

人为活动影响天气气候变化是当前大气科学研究的热点问题.随着城市发展,人为活动的加剧,城市非均匀下垫面大气边界层的数值研究面临更多的挑战.研究工作着眼于引入更完善的城市大气边界层物理过程,进一步发展完善南京大学的多尺度数值模式系统,以提高模式系统的模拟性能.主要研究内容包括:1)城市尺度模式中人为热及建筑物拖曳参数参数化方案的完善;2)基于参数化方案完善以及精细地理信息、地表特征参数支持下提高了城市尺度数值模式的分辨率;3)完成不同尺度边界层模式单向向下嵌套及各边界层模式与空气质量模式的单向嵌套;等等,从而建立物理机制更合理,计算过程更完善的多尺度城市边界层数值模拟系统,为天气气候研究,城市环境保护,城市发展规划以及国家安全防御等工作服务.

城市交通隧道汽车废气排放环境影响的实验研究

利用风洞物理模拟手段，对处于城市街区的交通隧道风井塔和峒口排放污气的环境影响作了实验研究，并基于射流理论和现场实测，建立峒口污染物散布的预测模式，该模式用于模型区环境影响评价．研究表明，（１）隧道峒口污气排放有可能造成短时局地比较严重的污染影响，废气浓度可能超标，但影响范围不大，并且与周围建筑物、环境、气温和车辆运行状况等密切相关．（２）建筑物的空气动力学效应对污染物扩散有明显影响．（３）物理模拟手段具有其独到的优越性，模式计算与风洞测量结果可以互相检验比较．

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明:①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。

人为热对城市边界层结构影响研究

为研究不同人为热源引入方案对城市边界层结构模拟性能的影响，以杭州地区为例，在区域边界层模式（RBLM）中引入一种新人为热源处理方案，即对城市中的人为热排放分层考虑，将低层的人为热源加入地表能量平衡方程，将高层人为热源分布与建筑物高度和密度联系起来，加入热量方程中，同时考虑了人为热源强度的日变化。数值试验结果表明，这是一种比较合理的处理方案。人为热源引入方案对城市边界层结构的影响表现在：气温、湍流动能增加，并通过湍流交换输送到较高层大气；大气不稳定度增加，混合层高度最高抬升了400m；城市地区上升速度增加，热岛环流加强；白天人为热源一般为太阳辐射的10%～20%，对地气交换的影响较小。夜间没有了太阳辐射能量，对地气交换的影响比日间更明显；冬季低层湍流活动加强，湍能约增加40％，大气层结稳定度降低。

城市交通废气与低层大气臭氧形成和分布的数值模拟

建立了一个三维的边界层光化学模式 ,气象过程的模拟舍弃了静力近似的假定 ,模式由细网格、高分辨率并取湍流能量 (E- ε)闭合的气象模式 ,提供较为细致的气流场和湍流场。文章中以汽车尾气和植物排放为光化学反应前体物的源 ,模拟了不同季节南京市的光化学过程以及臭氧随时间和空间的分布。结果表明 ,夏季南京市的地面臭氧浓度远远高于冬季 ,臭氧分布有所不同。并且在不少地方出现较高的 O3 浓度值 ,超过国家二级标准 。

精细城市边界层模式的建立及应用研究

本文建立了一个精细城市边界层模式,它是针对小型城市模拟应用特点,并在原有较粗网格区域边界层模式及模拟应用的基础上建立的.与原有模式相比,新建模式(1)加入水汽过程,(2)引入了热力粗糙度,(3)考虑了城市人为热源对城市地表能量平衡的贡献及其对城市热岛的影响,(4)考虑了城狭ψ饔市冠层建筑物的动力拖.运用建立的模式分别以北京东南部12 km×18 km范围的一块市区和一个卫星城镇(即亦庄,范围10.5 km×6.7 km)进行了实际模拟试验.通过模拟所获的城市地区地面气温、风速和比湿结果与当地自动气象站观测资料进行比对,结果表明:模式能较好地表征气象条件的日变化规律,模拟结果与实测数据间的相对平均偏差(FB):地面气温为0.02,风速为0.13,空气比湿为0.09.模拟研究了小型城市气象环境的诊断与分析.还分析研究了城乡地区之间气象环境和地面能量平衡的不同特性.取得了良好效果.

城市低层大气臭氧生成的模拟研究

利用一个城市边界层臭氧模式 ,以南京市为对象 ,研究了臭氧在城市低层大气中的形成机制和规律 ,得出了南京市 18个交通点的日臭氧浓度最大值的分布图。结果表明 ,南京市白天有相当长的时间是处于臭氧超标的状态 ,不少交通点的日最大臭氧浓度值是标准的 2— 3倍。文章还模拟了 PAN,OH自由基和HCHO这三种重要物种的日变化规律。同时 ,本文选择南京市东郊的紫金山风景区 ,初次探讨了植物排放有机物对臭氧生成的贡献。从模式的模拟研究可得 ,与人为因素相比 ,植物排放对臭氧生成的作用也是不可忽视的 。

局地废气排放污染影响的实验模拟

本文给出了一项在南京大学 NJU 环境风洞中实施的实验模拟研究。试验模拟一座位于城市街区的排放塔的废气排放,通过流场测量,放烟显示和示踪气体扩散试验,分析气流分布与污染物浓度分布,得出对局地环境影响的一些结论。文中还以模拟扩散试验资料为实验基础,建立修正的扩散模式,探讨污染物浓度预测的可靠途径。研究结果表明,风洞流体模拟手段是有成效且实用的。

大涡模拟与大气边界层研究——30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式。对流层大涡模拟。大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.

海岸地区边界层风及其输送扩散特性的观测研究

本文介绍了渤海湾秦皇岛地区实施的一次测试研究。以观测事实的分析为基础,着重对海岸环境的风特性、局地环流现象、内边界层和PBL结构及各种特征参数作了研究,得出一些规律性结果。发现局地海风自08:00开始发展,逐渐增厚向上发展并可维持到18:00开始减弱并转换。平均海风厚度层达300—500m,平均风速2.8m/s。热内边界层高度有实验关系 h_θ(x)=69.2((ΔT·R·x)/(?))^(-1/2)。文中还给出湍流特征量U_*,T_*,R_i,L和扩散系数K_z的计算结果。这些基本观测结果和参数为进一步的实际应用,提供必要模式参数和实验依据。

复杂下垫面模拟域大气边界层非局地闭合模拟研究

在非局地闭合大气边界层模拟研究基础上，选取黑河实验研究资料（ＨＥＩＦＥ），利用二维模式对绿洲和沙漠交界地区的内边界层结构进行了模拟研究，模式考虑了两种下垫面条件下动力、热力特性的不同，并加入了湿度及水汽通量的预报。模拟结果表明：二维非局地闭合模式能得到合理的ＴＩＢＬ结构的基本特征，包括平均场、湍流场等，并能模拟给出一些由下垫面特性形成的大气现象，如沙漠地区逆湿现象的生消过程、绿洲的冷岛效应、绿洲与沙漠因热力差异而形成的局部环流形势等细致结构，符合沙漠站白天观测事实的典型特征。

一个大型水电站泻洪水雾输送与扩散的风洞模拟实验研究

根据大气环境物理模拟技术的原理和方法 ,在南京大学NJU大气环境风洞中 ,实施了一项风洞模型实验 ,模拟对象是一个地处河谷山地的水电站坝址 ,旨在研究建坝前后的气流分布和变化以及水电站大坝泻洪水雾的输送与扩散范围 .实验结果表明 :拟建水电站大坝会对坝址区流场有一定影响 ,但相当有限 ,垂直影响层高度约在 1.5倍坝高 ;水平范围则在 1km范围 .而摄录的示踪水雾图象显示水雾散布的影响范围则主要限于离站址 0 .5km范围内 .这些结果与已经进行的数值模拟的结果一致 .这样 ,一方面用现代先进的数码摄像和照相技术显示了水电站大坝泻洪水雾输送扩散的模拟图象 ,另一方面通过气流测量的结果也为数值模式的进一步完善提供了实验依据 .

海岸地区空气污染物输送与扩散的数值模拟

本文建立了求解三维扩散方程的数值模式,以经过处理地形影响经连续方程调整模式计算得到的三维风场和实测铅直湍流扩散系数作为输入,模拟了沿海城市秦皇岛地区海陆风演变过程中空气污染物(SO_2)浓度的时空分布(x-y和y-z两个剖面)。模式的数值求解,在水平方向采用伪谱方法,铅直方向采用上游格式和六点格式,对三维扩散方程运用分步求解的数值方法,用计算所得的地面SO_2浓度分布和实测值比较,一致性相当好。显示在早晨和傍晚出现极大值,午后出现极小值。计算所得的日平均浓度与实测结果相比,也相当吻合。分析表明,本文所建模式行之有效,且数值计算稳定性表现良好。

边界层大气环境与空气污染问题的风洞流体模拟实验

在大气环境风洞中,采用人工形成边界层的方法,建立一定厚度的模拟边界层,测试确定边界层特征量,如粗糙度长z。风廓线指数n等。实验揭示了形成大气边界层的物理机制。用烟云照相法对模拟形成的高架点源排放烟流的抬升高度相大气扩散参数作了实验测定,并采用波动烟流法进行数据处理。讨论了排烟速度Vs和环境风速u对烟气动力抬升的影响;此外还对阶跃下垫面条件和障碍物后旋涡区中的扩散进行了分析。

一种考虑风切变的区域多源实用烟团轨迹模式

本文建立并论述了一种区域多源实用烟团轨迹模式。模式在作者先前工作的基础上,加进了对两个重要方面问题的处理,即:(1)运用质量连续风场调整的客观分析方法,得出三维风场并供作轨迹计算和扩散计算联接输入;(2)考虑风存在垂直切变的处理方案,使得模型更接近实际。对52×56km^2模拟域,含50个高架点源,非定常气象条件下的空气污染物输送与扩散作了计算,模式输出逐时网格风场和地面SO_2浓度分布以及日平均SO_2地面浓度分布与实测结果合理地一致。模式效能表明能够适应区域空气污染管理的需要。

大气污染的总量控制与新区开发的环境规划

一、对浦东新区环保规划的建议根据制定规划的指导思想,对于浦东新区的经济开发与大气环境规划与保护问题,提出如下建议。 (一)建议将浦东新区,或者至少对新区中的大部分地区,确定为“特殊区域”。基本达到城市一类功能区的大气环境目标要求。如若全面提高或大部分地区提高有困难,至少应对中期、远期或部分功能区或部分污染因子的环境目标,区别考虑。这是因为: 1.能体现纲要所提的三个面向的宏伟目标; 2.可以做到“三同步”和“三统一”;

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 .

城市小区气象与污染扩散数值模式建立的研究

建立了一个城市小区尺度模式 .该模式为三维非静力高分辨 ,取k ε湍流闭合方案 .除考虑空气动力学作用外 ,引入了作为城市特征的街区建筑物布局及其高度、朝向和对短波辐射的遮蔽以及不同地表利用类型等特征影响 ,用强迫 恢复法计算地面温度 ,同时加入了污染物平流扩散方程 .模式经专门布置的实测资料验证并用其模拟了北京一个小区中的气象条件和污染物扩散特征 .结果表明 :模式能够较合理地反映由于建筑物遮蔽造成的温度差异以及不同下垫面上的温度变化 ;能够较好地模拟实际气象条件下的气象要素场特征和不同建筑物布局和土地利用类型的气象要素场特征 ,风场与观测比较一致 ;NOx 浓度的模拟基本上反映了小区整体污染物浓度的变化趋势和特征 ,与观测值有一定的可比性 ;模式对不同城市小区可有良好的模拟能力 .

珠江三角洲地区城市群发展对局地大气污染物扩散的影响

为探讨城市群发展对局地气象环境和污染物输送的影响,以珠江三角洲不同时期的下垫面为例,选取有利于和不利于污染扩散的较典型的气象条件,采用数值模拟手段,模拟并分析比较该地区城市群的形成与发展对城市气象环境、污染物分布、城市间污染物输送的影响.结果表明,重污染气象条件下出现长时间逆温现象,凌晨3 :0 0到6:0 0间逆温最强,强度约为2 1℃·hm- 1 ,逆温层厚度达3 0 0m .城市群的发展使得城市夜间的逆温强度增强,逆温持续时间增长;城市群的发展使得城市地区风速减小,重污染气象条件下广州小风区面积约增加2 8% ,佛山约增加45 2 % ,轻污染气象条件下增加较小;重污染气象条件时广州和佛山二氧化硫浓度一般大于45 μg·m- 3,城市群的发展使污染物扩散范围变小,对本地贡献率增大,对其它地区的贡献率减小;地区间氮氧化物和二氧化硫的输送基本量级为10 0 t·d- 1 到数10 1 t·d- 1 ,城市群的发展使污染物不易向外输送,在重污染气象条件时广州二氧化硫输出量由5 1 3 7t·d- 1 减小为42 81t·d- 1 .