Fitch风电场参数化方案入流风速的校正及效果检验

风电场的尾流会影响大气边界层的动量和湍流通量,进而影响局地气候和环境。包含风电场参数化的中尺度数值模式是研究风电场对气候和环境影响的有力工具。本研究将高分辨率的大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)结果作为“真值”,评估了WRF中尺度模式中的Fitch风电场参数化方案在风机区和尾流区的风速和湍流动能廓线,提出了校正网格入流风速的方法。该方法考虑网格等效推力造成的阻塞效应,并利用经典动量理论推导出的关系式对网格入流风速进行订正,使其更接近自由入流风速。结果显示,原始Fitch风电场参数化方案给出的网格入流风速和大涡模拟结果的差距明显,且受模式水平分辨率的影响较大。在不同的水平分辨率下(1000 m、 500 m和250 m),校正了网格入流风速的Fitch-new风电场参数化方案给出的网格入流风速与自由入流风速的相对误差绝对值都<1%,得到的空间平均推力和输出功率与大涡模拟结果一致。Fitch-new参数化方案改进了风电场尾流区风速亏损的模拟,尤其是对高分辨率下风机网格的风速亏损,模拟的风电场尾流区湍流动能的增加量和垂直分布虽然比原始Fitch方案有所改进,但仍存在一定问题,需进一步研究。

边界入流风场扰动对模拟城市大气扩散的影响

借助计算流体动力学(CFD)模式Fluent分析中性层结下边界入流风场(即风速和风向)扰动对地面点源释放情景下城市大气扩散过程的影响,其中边界入流条件以风速和湍流动能廓线的形式给出.研究发现CFD模式能够合理刻画实际城市中的特征流型(如涡旋,峡谷效应等),而且模拟的风速、风向和湍流动能均与观测数据吻合较好.敏感性试验结果表明,城区内的流场和湍流以及与之密切相关的污染物空间分布对边界入流风速和风向的扰动十分敏感.而这可能是造成已有研究中浓度模拟值与观测值不一致的主要原因之一.因此,在模拟城市大气扩散过程时应当考虑边界入流风场不确定性对模拟结果的影响.

兰州市榆中县城区重气示踪试验的初步分析

"城市气象/示踪试验"在中国西北甘肃省榆中县的城市区域内(3 km×3 km)构建了一个精细化的观测网,对气象场和示踪物浓度场进行了高时空分辨率的观测.利用观测资料初步分析了城区内流场及示踪物的输送扩散特征.结果表明:受不同尺度运动相互作用的影响,城区流场十分复杂;城市冠层顶风场与示踪物浓度场有较好的对应,即浓度高值区基本出现在主导风向下风方向±20的扇形区域内且呈现出近似为正态分布的特征,同时地面和城市冠层顶示踪物的浓度分布存在明显差异.

城市中湍流和能量通量的观测分析:以榆中县为例

利用"城市气象/示踪外场试验"期间(2011年10月1-14日)在兰州市榆中县城区获取的观测资料,分析了城区内的湍流统计特征和地表能量收支状况.结果表明,白天城区内大气为中等不稳定层结,而夜间则接近于中性;计算的无量纲相似关系式与其他城市的结果较为一致;反照率日变化呈现非对称U型结构,日出日落时刻反照率较大,白天较小且接近于常数0.14.白天能量输送以感热为主,感热和潜热占净辐射的比例分别为23%和2%,波文比为11.白天热储量占净辐射的比例高达75%,而夜间两者大小相当.夜间热储量的释放可以抵消甚至超过损失的长波辐射,从而促进城市热岛现象的发生.

遥感估算绿洲-沙漠下垫面地表温度及感热通量

利用古浪非均匀近地层野外观测试验资料,验证了卫星反演地表温度的局地分裂窗算法在非均匀地区的适用性,进一步给出了提高反演精度的修正方案,并利用修正的反演地表温度算法和改进的空气动力学阻抗算法反演了试验区的感热通量。结果表明,Becker算法最适用于非均匀地区。与近地层野外观测试验观测结果相比,修正后的反演算法反演的地表温度和感热通量更加合理,均方根误差分别为2.38K和23.49W.m-2。地表温度和感热通量的区域分布特征相似,都表现为在绿洲和沙漠区的变化梯度较小,而在过渡区的梯度较大。

Fluent在城区内流场及污染扩散模拟的适用性检验

基于榆中污染扩散实验翔实的观测资料,使用计算流体力学软件Fluent开展了城区内流场及污染物传输扩散的数值模拟研究,并将模拟值与外场实验观测值对比,以此检验Fluent软件的适用性。结果表明,Fluent能较好地模拟城区内流场,风场的模拟值能反应实际风场的变化趋势,风向平均绝对误差为32.18°,风速平均相对误差为35.63%;且模拟效果随风速的增大而逐步提高;城区建筑物对流场拖曳作用明显,街区分布对流场的影响较大;以SF6为示踪物,Fluent软件能模拟出与观测污染物扩散相似的形态,表明Fluent软件对污染物传输和扩散的较好模拟能力。该研究加深了对城区内流场复杂性的认识,并为了解城区内污染物传输扩散过程、做好空气污染事故灾害防治和救援以及事故后灾害评估等提供科学依据。

西北干旱区不同下垫面反照率随太阳高度角变化的参数化方案

利用古浪非均匀近地层观测试验中仪器平行对比观测试验数据,首先详细地分析了三套不同型号辐射仪器(CNR4,Kipp&Zonen;PSP,Eppley;MS102,EKO)在荒漠均匀下垫面彼此之间观测辐射的差异;然后结合基本观测试验中西沙漠、东沙漠和农田站的晴天观测资料,基于乘法和加法关系分离影响因子的方法发展了干旱区不同下垫面反照率随太阳高度角变化的参数化方案,并检验了两种分离方法的普适性;最后对所发展的参数化方案与已有参数化方案在西沙漠、东沙漠及农田下垫面进行了对比。结果表明:(1)CNR4与PSP和MS102观测辐射数据相关系数在0.96以上,彼此之间观测短波辐射差异在6%以内,长波辐射差异在2%以内,净辐射差异在10%以内;CNR4与PSP观测值较接近,差异在5%以内,而CNR4与MS102观测值相差较大,差异在10%以内。(2)乘法关系分离影响因子方法的普适性较好。(3)与已有参数化方案相比,本文所发展的参数化方案能更加合理地刻画干旱区不同下垫面反照率随太阳高度角的日变化关系。

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。

空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。

冬半年青藏高原绕流与中国降水和气温的关系

冬半年中纬度西风带在青藏高原地区产生南北两支绕流,即动力性的南支槽和北支脊,这样的绕流对其周边及下游天气气候有重要影响。本文先分别用600 hPa动力性的南支槽和北支脊各自所在的关键区域的平均涡度与多年平均涡度的差异,表示南支槽和北支脊的强度,然后直观地将南支槽和北支脊强度之差定义为高原绕流强度指数,利用相关分析和合成分析等方法,讨论高原绕流在冬半年平均(10月至次年4月)、秋季、冬季和春季的演变与中国降水和气温的关系。结果表明:高原绕流在冬半年10月至次年4月期间定常的存在,年际变化明显,冬季最强。全球变暖背景下,各时间段绕流强度的变化与中国西北、西南和华南部分地区的降水和气温的关系明显,特别是在冬季。降水关联性最好的是中国西南地区和华南地区,与西北、西南和东北地区的气温变化关系明显。探讨各时间段各层的大尺度大气环流和水汽通量散度、垂直速度等物理量的异常场,亚洲大部分地区自下而上的正压性特征显著,可以很好地解释各时间段高原绕流的异常与中国降水和气温关系。绕流的异常也可能是引发中国冬半年期间高影响天气的原因之一。

地形和水汽对“7.13”陕西暴雨影响的数值试验

应用WRF V3.5中尺度模式,对陕西省2013年7月12~13日的一次暴雨过程进行数值模拟,并设计了降低地形和减少水汽含量2个敏感性试验,探讨了地形和水汽对本次暴雨过程的影响。结果表明:(1)模式能较好地模拟出本次暴雨天气过程,反映出了主要雨带的形状,但模拟的降水量存在偏差,其可能原因是初始场不能合理反映大气实况;(2)嵌套区域d02的地形高度降低至原始高度的1/3后,107°E^109°E范围的散度垂直剖面呈辐合—辐散的双重结构,暴雨区上空中低层假相当位温梯度变大,垂直上升运动增强,进而改变了降水的强度和范围;(3)将初始场中暴雨区南面的水汽含量减少20%后,水汽通量散度极值中心值减少1/3,进而导致模拟区域的雨量减少了58%,表明偏南水汽的输送对本次暴雨雨量有显著增幅作用,暴雨过程中水汽聚集程度是判断暴雨过程雨量大小的关键因素之一。

WRF-Fluent耦合模式的构建及其对城市大气扩散的精细化模拟

为了准确刻画城市环境中的复杂建筑结构对大气运动和污染物输送及扩散过程的影响,结合中尺度模式WRF和微尺度模式Fluent构建了单向耦合的WRF-Fluent模式,并将其应用于榆中县城区高架源排放情景下大气扩散的模拟研究.基于城市气象/示踪外场试验期间获取的气象数据对WRF模式的模拟性能进行验证,发现WRF能够为Fluent提供比较准确的随时间变化的气象驱动场.在此基础上,将榆中县城区三维几何模型嵌入到WRF-Fluent中,对城区内的流场及污染烟羽的时空演变过程进行精细化模拟,并将模拟结果与实测示踪物浓度数据进行比对.结果显示,WRF-Fluent模式可以很好地描述城区内的复杂三维风场结构以及污染烟羽随时间的动态变化特征,而且模拟的地面和城市冠层顶浓度最大值基本位于观测值的0.3~3倍之内,这表明构建的WRF-Fluent模式具有较好的模拟性能,可作为一种有效的工具应用于实际城市规划和空气质量改善以及环境风险评估等方面的研究.

基于激光测风雷达的兰州冬季风场特征及其与大气污染的关系

利用激光测风雷达2017年12月1日至2018年2月28日在兰州城区获取的风场资料,分析了兰州冬季风场结构特征,并通过聚类分析得到了冬季影响兰州地区的天气形势,分析了不同天气形势下的风场特征,在此基础上分析了局地环流主导下的风场和污染物浓度日变化特征及两者之间的相关性。结果表明,兰州2017年冬季低空水平风速整体较小,平均风向以偏东风为主;风场日变化特征明显,午后至傍晚水平风速大于其他时刻,03:00(北京时,下同)-08:00250~650 m维持偏西风,650 m以上偏南风增加,其余时刻各高度均以偏东风为主。兰州地区受弱高压控制时,局地环流占主导,城区污染严重。各高度污染系数最大值对应的风向存在差异,200 m以上污染系数迅速减小,增加污染物的排放高度至200 m以上可有效减少近地面污染物浓度。

中国土地利用和植被覆盖度变化对区域气候影响的数值模拟

基于3期土地利用和植被覆盖度资料、高分辨率的驱动场、马赛克的土地利用处理方式,采用区域气候天气研究与预报模式,设计两类试验研究中国土地利用和植被覆盖度变化对区域气候的影响.结果表明:在土地利用试验中,反照率、叶面积指数、发射率和低空云量等影响地表能量及分配,导致土地利用变化对夏季潜热、感热和2 m气温等陆面物理量的影响显著.由于城市地表的不透水性导致城市潜热明显减少,感热和气温增加.土地利用变化对冬季的影响比夏季弱,主要是反照率起作用,尤其是在积雪变化较大的区域.在植被覆盖度试验中,植被覆盖度与叶面积指数一致,后者直接影响植被蒸腾作用和夏季潜热,潜热的变化与植被覆盖度的变化具有较好的空间一致性,感热和气温基本上与潜热变化相反.土地利用和植被覆盖度变化通过改变垂直层温度,影响位势高度,引起风场的异常和降水的变化.

2015—2017年中国近地面O3污染状况与影响因素分析

利用2015-2017年环保部发布的近地面臭氧(O3)和其他3种污染物[粒径小于2. 5μm的颗粒物(PM2.5)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)]小时浓度数据和美国国家气候资料中心收集的气象要素监测数据,分析了中国近地面O3污染状况,并用逐步回归方法分析了影响O3重污染区域夏季近地面O3浓度的因素。结果表明,2015-2017年我国O3日最大8 h滑动平均浓度(O3MDA8)年平均值分别为83.02±16. 79,87. 05±14. 32和94. 70±13. 89μg·m-3。O3MDA8浓度逐年增长(增长率14. 07%),其中冬季增长最快(增长率范围14. 67%~34. 32%),夏季增长最慢(增长率范围2. 32%~14. 16%)。京津冀、长三角、山东半岛、川渝和中原地区近地面O3污染较重,影响这5个区域近地面O3浓度的主要因素为温度、相对湿度和PM2.5,除此之外京津冀和川渝地区的近地面O3浓度受NO2影响明显,中原地区的近地面O3浓度受CO影响明显。

风电场建设前后近地面湍流强度变化特征

风电场对大气边界层结构特别是湍流特性的影响是能源气象领域关注的一个重要课题。以河北省尚义县麒麟山风电场为研究对象,选取该风电场内70 m测风塔2006-2019年数据完整且连续性较好的每年5月的测风数据,将观测时段分为风电场建成前(2006-2009年)和风电场建成后(2010-2019年),对比分析了有无风电场近地面湍流强度的差异。结果表明:风电场建成后湍流强度向高值区偏移,即近地面湍流增强,并且夜间湍流强度增加程度比白天大。湍流强度随风速的增加有减小的趋势,风电场建成后,70 m湍流强度显著增加的风速区间夜间为4~15 m·s^(-1),白天为4~14 m·s^(-1);50 m湍流强度显著增加的风速区间夜间为3~15 m·s^(-1),白天为3~12 m·s^(-1)。风电场运行使湍流强度在昼夜均有增加,白天各时刻50 m湍流强度增加程度均稍大于70 m,夜间70 m湍流强度增加程度大于50 m,最高可增加121%,风电场建成运行后,50 m和70 m湍流强度差异减小,白天和夜间湍流强度差异减小。

3种土壤热通量计算方法对观测数据偏差的敏感性分析

基于干旱区均匀裸土下垫面的辐射观测数据和两组土壤观测数据,分别使用PlateCal法、谐波法和TDEC法计算了地表土壤热通量(G0),发现不同方法计算的G0差异达3%~11%.分析了3种方法所需输入数据(长波辐射、土壤温度、土壤含水量和土壤热通量)的观测偏差,其中5 cm土壤含水量的观测偏差较大(约20%~30%),长波辐射的观测偏差较小(约1%~2%).分析不同方法计算的G0对观测资料偏差的敏感性,结果表明PlateCal法对5 cm土壤热通量和5 cm土壤温度的观测偏差较敏感,而谐波法和TDEC法对5 cm土壤温度的观测偏差最敏感.两组观测数据计算的G0差异显著,PlateCal法、谐波法和TDEC法的差异分别为11%、20%和16%,主要是由计算方法所需输入物理量的观测偏差和计算方法对各物理量的敏感性共同决定的.

风电场运行对地表温度的影响——以河北张家口北部风电场为例

正确认识风力发电对气候的可能影响,尤其是对地表温度的影响,对于科学利用风能资源,确保我国能源可持续发展具有重要的意义。本文基于2003-2019年MODIS卫星地表温度数据,结合风向、植被指数、地表反照率及土地利用数据探讨了河北省西北部坝上地区尚义、张北县大型风电场对地表温度的影响。结果表明,风机运行会对风电场内及其下风方地表温度产生影响。在春季、秋季和冬季,夜间风电场建成前后下风向增温幅度高于上风向,白天则是下风向增温幅度低于上风向,即风电场下风向夜间存在增温,白天存在降温。与周边非风电场影响区域相比,春季和夏季风电场内地表温度显著增高,特别是春季夜间,风电场影响区增温幅度达0.379℃·(10a)^(-1),其次为夏季和秋季夜间,风电场影响区增温幅度分别达0.206℃·(10a)^(-1)和0.211℃·(10a)^(-1),冬季存在增温但不显著,与其他研究相比增温较弱,且远小于坝上地区地表温度年际增温趋势。风电场内部地表温度变化不仅受风电场运行的影响,气候变化、植被变化以及土地利用类型变化均对地表温度有影响。

人体感应警报器研制成功

一种新颖的人体感应报警装置——《金钟》牌JZ——2型人体感应报警器在江西铜鼓电子仪器厂研制成功,为保卫人员提供了得力的“助手”。该报警器可广泛用于围墙、武器弹药库、货物仓库、油库、毒品仓库、露天货场、工矿、银行、商店以及部队、公安司法部门的防范措施。具有安装简便、使用安全、重量轻、交直流两用、耗电少的特点。