绿化对冬季山谷城市边界层结构影响的数值模拟研究

利用RAMS模式模拟了兰州南北两山绿化对冬季兰州城市边界层结构的影响。结果表明:两山绿化改变了近地面的温度场和风场,从日平均温度来看,绿化在兰州冬季表现为明显的增温效应;从风场来看,白天14:00南山的谷风环流增强,北山变化不明显;晚上02:00北山的山风环流明显增强,南山则出现相反的情况;绿化改变了地表能量平衡,绿化后由于地表反照率的减小,使得到达地面净辐射增加,增加的净辐射其中一部分以感热的形式来加热大气;绿化后地气之间的湍流交换增强,增加了大气不稳定度,减弱了白天城市上空的悬浮逆温;本文还讨论了不同绿化布局对白天悬浮逆温的影响。     

RAMS模式在山谷城市模拟性能的检验

 利用2005年冬季兰州边界层试验的观测数据,分别从边界层结构、近地面温度和风速、地表通量等几个方面检验了RAMS在山谷城市的模拟性能。RAMS模式能很好地捕捉边界层结构特征,模拟的白天混合层高度和夜间稳定边界层高度和观测值非常一致。模式能较好地模拟近地面温度和地表通量的日变化特征。对模拟偏差进行统计分析,结果显示RAMS对近地面温度和风速的模拟结果是可以接受的:近地面温度的平均偏差为-1.73 ℃,RMSE为2.16 ℃,风速的平均偏差为0.35 m·s-1,RMSE和RMSVE分别为1.61 m·s-1和3.15 m·s-1。研究表明,RAMS适合作为研究兰州山谷城市大气边界层的工具。     

青藏高原唐古拉山多年冻土区夏、秋季节总辐射和地表反照率特征分析

根据青藏高原唐古拉山多年冻土区2005年6月24日~10月16日的总辐射、分光辐射和分光反照率观测资料,利用总辐射和大气层顶太阳辐射的比值——日有效透射率T_eff,用聚类分析法将资料划分为晴天、多云和阴天三类天气,分析了该地区夏、秋季节总辐射、分光辐射比例和分光反照率的日变化和季节变化规律.结果表明,夏季总辐射与大气层顶的差值和日际变化幅度最大,秋季以后这种差值和日际变化幅度减小.天空状况对分光辐射比例和地表反照率均有影响,表现为近红外辐射比例晴天比阴天大,可见光比例晴天比阴天小,各波段反照率晴天均比阴天大.反照率在夏季最低,秋季较高,反照率的日变化有依存分光辐射比例的关系,这大致可以解释地表反照率依存太阳高度角而变化的现象.无积雪地面反照率近红外波段大于可见光波段,地表有积雪时,反照率明显不同,其可见光波段反照率大于近红外波段反照率.功率谱分析表明,日有效透射率T_eff存在着2~3 d的周期,它是该地区天气系统活动影响太阳辐射收入的一个反映,指示出唐古拉山地区天气系统亦有2~3 d的周期性.     

东海陆扰海域铜、铅、锌、镉重金属排海通量及海洋环境容量估算

汇总并分析了20世纪80年代初以来东海陆扰海域重金属排海通量年变化规律及主要来源,应用多介质海洋环境中重金属迁移-转化模型,估算了东海陆扰海域重金属海洋环境容量。20世纪80年代初以来,东海陆扰海域铜、铅、锌、镉排海总量整体上呈不对称的倒"U"形变化趋势,基本符合"环境库兹涅茨曲线",20世纪90年代达到最大值,当前排海总量仍高于20世纪80年代初期的水平。东海陆扰海域铜、铅、锌、镉污染物主要来源于以河流为主的陆源排放,其中88.0%左右来源于河流排放,7.5%左右来源于排污口,只有4.5%左右来源于大气沉降。长江流域排海通量占东海陆扰海域排海总量的比例最大,平均为92.4%左右,钱塘江流域平均只有3.9%左右,闽江流域平均只有3.7%左右。东海陆扰海域铜、铅、锌、镉污染物海洋环境容量分别约为17.0,4.7,113.1,0.71 kt/a。当前铅、锌、镉污染物排海总量没有超过东海陆扰海域海洋环境容量,但铜的排海总量超过其海洋环境容量大约8%。     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

兰州市南山绿化地裸地冬季地表辐射及能量收支对比

利用2005年12月7~29日在兰州市皋兰山顶获取的地气相互作用观测资料,对比分析了冬季典型晴天和平均状态下绿化地与裸地地表辐射、能量收支及土壤温、湿度的日变化特征。结果表明:绿化地和裸地太阳总辐射、大气长波辐射很接近,地表短波和长波向上辐射因不同下垫面特征不同而差异较大;地表能量平衡绿化地、裸地均以感热输送为主,土壤热通量和潜热输送很小,尤其是潜热通量,峰值往往不超过10 W.m-2;观测发现绿化地感热比裸地高,这一反常现象值得进一步研究证实;观测期平均特征与晴天比较接近,表明云和降雪的扰动影响有限;绿化地、裸地地表日平均反照率相对稳定,绿化地日平均反照率在0.20~0.28之间变化,裸地在0.25~0.31之间变化,平均值分别为0.21和0.29。     

金塔绿洲主要特征量的数值模拟

 采用RAMS模式模拟了金塔绿洲非均匀地表的空气温度、湿度、风速、地表能量。结果表明,绿洲地表温度明显比周围戈壁和沙漠低,空气湿度明显比周围戈壁和沙漠大,近地层感热通量最大值约为戈壁和沙漠的1/3,近底层潜热通量比戈壁和沙漠大20倍左右。模拟结果与观测值的对比表明,RAMS对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、湿度、感热通量和潜热通量的模拟与实测基本一致。由于湍流的随机性,风速的模拟偏差比较大,这种偏差有一多半是由于非线性偏差造成的。     

山地复杂下垫面湍流特征观测分析

利用谱方法和能量闭合度分析等方法,对兰州市皋兰山2006年夏季和2005年冬季涡度相关系统测定的湍流数据质量进行了分析,结果表明:4个观测点测定的三维风速、空气温度的功率谱在惯性副区都符合"-2/3"定律,垂直风速和温度的协谱在惯性副区也基本符合"-4/3"定律.4个观测点都存在能量平衡不闭合现象,夏季观测点绿化地和裸地能量平衡比率(EBR)分别为66%和94%,冬季绿化地和裸地的EBR分别为62%和84%;裸地观测点的闭合程度明显好于绿化地.本文还讨论了能量闭合度的日变化特征及各个观测点的地表能量收支状况.     

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能, 首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程, 然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟, 最后对金塔绿洲、 戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明： RAMS模式对绿洲、 戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好, 基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势, 较好地模拟出了绿洲\_沙漠环流引起的绿洲“冷岛效应”和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的“逆湿”现象; RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况, 而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量, 三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近; 同MM5模式的模拟结果比较, RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、 感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。     

人为热源和城市绿化对冬季山谷城市边界层结构影响的数值模拟

为了探讨人为热源和城市绿化对城市边界层的影响,本文在RAMS模式中引入周期性日变化的人为热源和人工改变下垫面状况,初步模拟分析了人为热源和城市绿化对城市边界层结构的影响.结果表明:人为热源具有明显的增温效应,增强了城市的湍流交换,白天增加了大气不稳定度,促进了混合层的发展,夜间降低了大气稳定度,减弱了城市夜间逆温.城市绿化减小了地表反照率,增加了到达地面的净辐射,模拟期间土壤冻结,增加的净辐射其中一部分以感热的形式来加热大气;绿化后地气之间的湍流交换增强,增加了大气不稳定度,减弱了白天高空逆温;本文还讨论了不同绿化布局对白天高空逆温的影响以及人为热源和城市绿化之间的非线性相互作用.