城市边界层湍流和下垫面空气动力学参数观测研究

城市大气边界层中的湍流交换和下垫面空气动力学参数的观测研究是城市环境气象研究的重要内容。文章概述了城市大气边界层中湍流的观测方法和计算城市下垫面空气动力学参数的可行性方案。对城市湍流的基本特性和城市边界层的垂直结构、城市边界层观测的历史、城市下垫面空气动力学参数的估算以及存在的问题进行了讨论。     

城市空气污染天气统计短期预报方法

近几年,苏联许多城市普遍采用空气污染天气统计预报方法制作城市空气污染短期预报。开展此类预报是很有必要的。因为通过预报,使我们有可能对城市空气中的污染状况作出总的估计,以便估计污染的危险程度,从而采取措施防止污染。同时,有必要对每一种污染物造成的空气污染进行定量预报。目前,根据大气扩散模式,计算点源污染浓度的方法研究得比较多。但此类计算方法局限在有限的点源范围内使用,且密切依赖于污染源参数及排放物资料的准确性。上述资料,目前在大城市条件下还得不到。大气扩散与湍流参数的不可预报性,是目前这方法中不可克服的困难。鉴于高浓度污染与气象条件之间存在相当密切的关系,因而有可能从气象角度来解决空气污染定量预报的问题。最近,有人尝试根据预报的气象参     

基于天津255m气象塔对近年天津近地面风和气温变化特征的研究

通过分析2010—2018年天津气象塔风、温度资料,对近年来天津城市边界层粗糙度、大气稳定度和逆温特征进行研究。结果表明:随着城市发展,气象塔周边各方向粗糙度和零平面位移明显增高,气象塔周边建筑物对80 m高度以下风场的影响较为明显。受湍流强度日变化影响,各季节中气象塔高层和低层风速日变化特征差异明显。通过温差-风速法计算大气稳定度发现稳定类层结多出现在秋冬季的夜间,稳定层结条件下逆温情况多发,其逆温强度、逆温层厚度和贴地逆温比例也明显高于不稳定和中性层结。天津城市热岛强度的时间分布表现出夜间强于白天,秋冬季强于春夏季的特征。城市热岛强度与大气稳定度时间分布具有一定相关性。     

一种简单的对流边界层参数化方法

本文在山西神头地区1984—1989年多次大规模野外测试资料的基础上,对试验区大气边界层气象和湍流特征进行分析,提出一种简单的对流边界层参数化方法。本参数化方法综合利用了对气边界层各种半经验理论和实验结果,在不影响要求精度的前提下,把对对流边界层湍流结构和平均场的探测减少到最小程度。实测检验表明,本方法预测精度较高,绝大部分误差为10～30％是一种估算对流边界层主要气象参数的简单实用、准确有效的方法。     

气象参证站的选取对AERMOD模型结果的影响分析

选取南昌经济技术开发区规划大气环境影响预测工作为案例,分析了当选取不同气象参证站,输入同期两套不同的气象数据参数对AERMOD模型计算结果的影响,探究气象条件的差异对大气扩散的影响程度。分析结果表明,气象参证站的选取对大气环境影响预测的结果有较大的影响,使用两个距离相近的地面气象站进行预测,污染物浓度计算结果相差可达数倍以上。对比风速、风向、气温、湿度、压力、云量这些单个的气象因子,稳定边界层(SBL)湍流高度和莫宁-奥布霍夫长度这些边界层参数更能综合地反映当时的气象扩散条件,对污染扩散模型的响应更为直接。翔实的有代表性的气象数据是环境影响评价至关重要的基础。在日常的大气环境影响评价中,应全面调查了解项目周边的地面气象站的数量、类型、距离、地形特征,经过专业的气象分析,选取最能代表评价项目所在地气象条件的气象站作为气象参证站,用于该项目的环评和浓度预测。各地气象部门还应加强城市与郊区大气边界层垂直结构变化规律的观测与研究,从而为提高各地空气质量预报的精度,改善大气污染治理措施和优化城市布局提供更为科学的依据。     

北京城市大气环境污染机理与调控原理

该文主要介绍了科技部国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”大气分项目的研究成果。项目分别于2001年和2003年重点开展了BECAPEX科学试验 (Beijing City Air Pollution Experiment)。BECAPEX试验同步进行城市边界层气象与大气化学观测, 通过卫星遥感、地面观测, 即城市空间和地面以及点与面结合的技术途径, 以揭示北京城市污染“空气穹隆”大气化学结构特征及其变化规律, 为城市环境大气动力-化学模式提供基本科学参数, 给出城市边界层大气物理化学过程综合模型, 为提高城市环境大气物理-化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供科学依据。该项目揭示了北京城区和城近郊区城市边界层结构与湍流特征, 城市大气污染垂直结构特征; 发现了城市大气污染空间结构多尺度特征, 其中包括大气污染源影响和城市热岛多尺度特征; 揭示了城市大气重污染过程周边源影响域, 以及北京及周边地区气溶胶影响域和区域气候响应; 提出了北京市典型污染源排放清单; 发展了城市气象模式系统, 包括冠层模式、街谷环流和热力结构以及城市高大建筑群周围风环境数值模拟; 发展了空气质量模式技术, 包括二次气溶胶模拟试验、北京地区SO₂污染的长期模拟及不同类型排放源影响的计算与评估、影响北京地区的沙尘暴输送模拟、区域化学输送模式中NO_x和O₃源示踪法, 城市尺度的大气污染CAPPS模式及统计模型的应用、大气污染及紫外辐射数值预报模式和CMAQ-MOS空气质量预报方法; 改进了美国公共多尺度空气质量预报模式, 建立了CMAQ-MOS区域空气质量动力-统计模型预报模式, 以及发展的源同化技术, 突破了当前空气质量模式技术“瓶颈”, 使模式预报准确率明显提高。     

应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进.运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响.(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移.同时也增大了城市街渠高宽比.城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高.(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响.建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高.     

大气边界层物理研究进展(2012~2017年)

本文总结了2012~2017年中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室大气边界层物理研究的最新进展,主要包括不同下垫面（城市、青藏高原、草原、沙漠、湖泊、海洋等）大气边界层观测实验、大气湍流和阵风相干结构的理论研究以及大气数值模拟的参数化改进等,同时对未来几年内大气边界层物理的发展方向做了展望。     

一个基于中尺度数值模式的城市分区空气污染预报方法

以深圳市为例，对污染物浓度与各种大气参数的定量联系进行了细致的统计及物理分析，在此基础上建立起分区的城市空气污染潜势等级预报方案。该方案定量考虑了地面和边界层共十几个因子的影响，特别是考虑了地理环境各向异性的效应，将风向作为一个独立的影响因子。方案还针对各污染物稀释特性的差异对不同污染物分别建立潜势预报方案。另外，方案还考虑了相同大气条件下大气对城市不同区域污染物稀释特性可能存在的差异，对不同区域分别建立潜势预报方案。最后用高分辨的中尺度数值模式对大气参数的未来演变作出高时空分辨的预报，进而作出分区、分时段的城市空气污染潜势预报。本方法完全客观定量，物理意义明确，可制作高时间分辨的空气污染潜势预报。     

城市建筑物对边界层结构影响的数值试验研究

在区域边界层模式的数值模拟中引入建筑物的影响,与实际观测的对比表明,模拟结果能较好地体现建筑物对城市风场的影响,提高了模拟性能。本研究根据城市形态特征,设计不同建筑物高度和密度的敏感性试验,结果表明:建筑物一般会使城市地区风速减小,风速最大可减小1.6 m/s,易引起低层气流的辐合。湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换加强,大气层结的不稳定性增大,混合层高度增加。地表和大气之间动量交换被削弱;日间热量交换减弱,夜间热量交换增强。这些变化表明,建筑物对城市气流及边界层结构的影响十分明显,尤其在风速较大的时候。     

MM5模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验

文中在综合国外一些较先进的中尺度模式城市作用参数化方案的基础上 ,从城市下垫面结构对城市边界层大气作用的物理机制及实际应用两方面出发 ,对城市下垫面结构和人为活动等因素对边界层结构的影响及中尺度模式中城市化作用的合理体现等问题进行了较全面的考虑 ,改进和设计出能够较全面、细致地描述城市结构对大气边界层动力、热力结构的影响 ,且适合中尺度模式结构特点的城市冠层参数化方案 (UCP) ,并实现了其与MM5模式的耦合。进行了耦合后的UCP方案及采用原城市作用方案的MM5模式对BECAPEX试验期间北京地区气象条件多重嵌套细尺度进行了模拟试验 ,并与观测结果对比 ,结果表明 :相比于MM 5模式中原有表示城市作用的参数化方案来讲 ,设计的UCP方案在很大程度上提高了MM 5模式对城市边界层热力和动力结构的模拟能力。     

合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

中国典型代表城市空气污染特征及其与气象参数的关系

基于2000年6月至2013年8月中国120个环境保护重点城市的空气污染逐日监测数据及同期地面气象观测资料和探空资料,分析了中国典型代表城市的空气质量状况及其与污染气象参数的相关性。结果表明:中国典型代表城市的AQI整体呈由北向南减小的空间分布特征,北方城市API的季节分布呈"冬高夏低"型,且变幅明显大于南方城市。北方城市的逆温层厚度整体较南方城市高,且代表城市的逆温层厚度在年际尺度上均呈"U"型分布,并呈现"冬半年强夏半年弱"的特点。中国典型代表城市最大混合层厚度与逆温层厚度呈反位相关系,北方和南方地区高海拔城市最大混合层厚度较高,变幅大;南方地区低海拔城市则相反。污染气象参数与API关系密切。可见,北方城市冬季污染重,是由取暖引起的污染排放量增加和由污染气象参数反映的大气边界层扩散能力降低双重作用造成的,可以为空气污染潜势预报提供参考。     

大气边界层高度确定及应用研究进展

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。      

大气运动的动能在湍流边界层中的耗散

在大气能量学中,大气平均运动的动能通过湍流摩擦力转化为脉动运动的能量并最终转化为内能的“变性能量”是大气动能的“汇”,正确估计其大小对研究动能的收支,以至天气系统的生衰,发展均有一定意义。此项由于与湍流通量有关,因而难于从大尺度气象参数计算。以往的研究中,或是将动能平衡方程中其余各项算出,而将此项作为余项估计出,或用地转风由粗浅的边界层模式算出。     

利用C波段雷达进行大气边界层探测的方法研究

利用呼和浩特高空站安装的C波段测风雷达，编制进行大气边界层探测和数据分析的业务软件。利用气象学和污染气象学原理从雷达测风数据中提取出大气边界层的有关数据，通过计算和分析得到制作空气污染气象条件预报所需的当地气象参数(可换算成加权值)，还能够获得反映大气边界层特征的物理量．经过一年的对比实验，效果良好。这一方法对于拓展新一代测风雷达的业务应用、科技服务和大气边界层研究有一定的作用。     

非均匀下垫面大气边界层研究进展

总结了水平非均匀下垫面的大气边界层研究,指出干旱区的绿洲具有明显的“冷湿岛效应”,并可形成边缘逆湿和区域环流,而植被和水域的分布则显著改变了大气边界层结构．阐述了复杂地形下垫面对局地风场和小尺度环流产生的影响、城市热岛效应的产生及特点和城市中绿地和水体的微气候效应．比较分析了不同陆面参数化方案以及边界层气候模式,提出未来在热力与动力非均匀的结合、湿地下垫面的数值模拟、城市复杂下垫面参数化以及气候模式的耦合等方面尚需进行深入的研究．     

城市下垫面空气动力学参数的估算

为了定量描述北京城市下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数.利用气象塔大气湍流观测资料,结合Martano(2000)由单层超声风速、温度资料估算非均匀下垫面空气动力学参数的方法,计算了中国科学院大气物理研究所气象塔附近的下垫面空气动力粗糙度z0和零平面位移d,即z0为1.75 m和d为40.12 m.该结果与前人研究成果的比较结果表明最近的8年内,该处的零平面位移和空气动力粗糙度明显增大,这与该塔周围城市建设状况吻合.     

大气化学与大气污染专业委员会成立大会暨学会报告会在厦门召开

中国气象学会大气化学与大气污染专业会成立大会暨学术讨论会于今年二月二十一日至二十五日在厦门市召开。大会开幕式由专业委员会主任王宪钊同志主持,他介绍了这次会议的筹备情况和会议议程。中国气象学会副秘书长纪乃晋同志在开幕式上讲了话,他指出了大气化学、大气污染学科的重要性,希望大家齐心协力把这项工作搞上去。会上中国科学院大气所助理研究员李兴生作了“稳定边界层的发展近况”的报告;北京大学陈家宜副教授作了“低层大气湍流度的参数化估算”和“边界层大气扩散的统计——相     

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。