临近空间大气扰动风场的探测与分析

目的深入了解掌握临近空间大气风场的扰动状态,给临近空间飞行器的精确入轨、有效运行提供可靠的环境信息。方法用昆明站(25.6°N,103.8°E)临近空间观测平台中的MF雷达开展临近空间大气风场扰动观测。基于谐波拟合方法得到昆明地区2008年8月至2010年8月期间的周日和半日潮汐分量及背景风场,分析昆明地区临近空间80~100 km之间潮汐波动的变化特征。结果周日潮汐振幅具有明显的年变化和半年变化,最大值均出现在10月份和3月份的86~92 km高度范围内,同时第一年度的潮汐幅度明显强于第二年度,类似准两年变化。纬向半日潮汐的变化特征不是非常明显,而经向半日潮汐在88~94 km之间具有年变化,在其他高度处则出现多个峰值。结论潮汐相位的变化结果表明潮汐的下行传播,潮汐振幅的高度变化符合先增大后减小的特征,呈现胞状结构。     

临近空间环境及其影响分析

介绍了临近空间和临近空间环境的概念,分析了临近空间大气温度、风场、大气波动、电磁特征和光化学作用、电离层与中性大气的耦合、电流和高能粒子加热等物理变化过程,总结了临近空间天气探测、预报手段和技术,讨论了临近空间天气对飞行平台和仪器设备的影响。     

临近空间环境探空火箭膨胀落球探测技术

针对临近空间大气环境探测需求,介绍了一种可用于30~100 km临近空间大气密度、风场、温度和气压的原位探测技术——探空火箭膨胀落球探测技术,阐述了其探测原理、系统组成和探测过程,采用仿真方法模拟了膨胀落球的探测数据,并利用模拟探测数据成功反演了30~100 km临近空间大气密度、风场、温度和气压等大气产品。该技术具有探测要素多、探测高度范围广、载荷成本低、设备较为简单等特点,对于我国临近空间环境探测和环境研究具有重要意义。     

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.     

街道峡谷对近地层风场影响的观测和模拟分析

城市街道峡谷结构对近地面边界层的风场环流等气象要素具有重要影响,可导致城市局地空气污染分布发生变化.随着城市化发展及城市空气质量变化,街道峡谷的城市空气污染影响日益突出,分析街道峡谷内部风场成为认识和治理我国城市空气污染的一条重要途径.鉴于目前我国鲜有城市街道尺度大气边界层精细气象观测研究,本文分析了美国俄克拉荷马大学的街道峡谷精细气象观测数据及其FLUENT模拟.结果表明:街道峡谷内风场结构变化依赖大气背景风向,当背景风向平行于街道峡谷走向时,街谷两岸风速几乎没有差异,而在背景风向垂直于街道峡谷走向时,由于高空风进入街谷形成的涡旋气流对街道峡谷风场有补充作用,峡谷两侧中层高度风场差异变大,风速差值大约为0.5 m·s~(-1),且街道峡谷两岸风速差异得到了FLUENT模式的验证,但模式对迎风岸的风速模拟存在高估,模拟的中层高度处两岸风速差值为1.6 m·s~(-1).观测资料分析揭示大气边界层稳定度条件对街道峡谷内风场分布也有很大影响,中性稳定条件下街道峡谷两岸近地层风速差异最大,输送进入峡谷空间的风速增量比原峡谷内风速大约高1倍,其它稳定度条件下街谷两岸风速差异被削弱.     

临近空间落球探测仿真分析

目的基于硬质落球,分析探测临近空间大气密度和水平风场的载荷需求和探测性能。方法仿真计算自由下落探测段受力情况,建立运动方程。以假定释放条件,仿真落球的探测过程,给出各作用力量级。结果面质比的变化不能改变气动力范围。相同加计灵敏度下,增大面质比可提高探测高度。150 km以下的探测中可忽略光压力,探测到水平风场米级变化的加计灵敏度需求为1×10~(-5)m/s~2。结论面质比的变化不能改变气动力范围。相同加计灵敏度下,增大面质比可提高探测高度。     

利用风场资料研究中距离大气扩散规律

本文提出了一个利用气象观测网取得的测风资料研究中距离大气扩散规律的方法。根据常规的风场观测资料和高空风观测资料,用插值公式计算地面和200m高度的水平轨迹以及水平风纵向分量和横向分量的脉动时间序列,进而用相继两条轨迹的横向距离和风脉动滑动平均法求得各类稳定度下的大气扩散参数。计算结果与同时进行的SF_6示踪实验结果和不同时进行的平衡球双经纬仪定位结果基本符合。     

多遥感设备联用在区域空气质量变化与边界层结构关系研究中的应用

为研究佛山地区空气质量变化与边界层结构的关系,2015年10-12月在佛山地区3个站点同步开展了多台风廓线雷达、激光雷达、微波辐射计联用的大气边界层结构观测实验.结果表明:风廓线雷达探测可获得平均风场垂直分布的连续变化,发现佛山地区风场垂直分层结构明显,空气污染与近地小风层厚度的相关性较强.激光雷达探测可获得颗粒物消光特性垂直分布的连续变化,发现佛山地区颗粒物消光特性与大气边界层结构有密切关系,空气质量指数(AQI)变化与颗粒物激光雷达探测反演的边界层高度相关性较高,相关系数为-0.58.微波辐射计探测可获得平均温度、相对湿度垂直分布的连续变化,逆温和相对湿度变化对边界层日变化及空气污染成因分析有较高的价值.通过多设备联合探测,可同时获得研究地区平均风场垂直分布特征、颗粒物浓度变化特征、逆温和相对湿度的变化特征.多设备联合探测,有利于区域空气质量变化与边界层结构关系机理研究,对区域空气质量变化的预测预报有重要作用.     

春季黄海边界层内海盐细粒子氯亏损及混合状态研究

为了解海盐气溶胶和亚洲出流污染物的相互影响,对2001年春季黄海边界层内观测的气溶胶细粒子可溶离子浓度(AGE-Asia中NCAR C-130飞机航测)进行了研究.所分析的6个航段(航段1～航段6)都位于黄海中部(124.0°E～125.1°E,34.3°N～36.4°N)的大气边界层内.离子摩尔比和相关分析表明,在所...     

临近空间大气环境特性监测与研究

随着临近空间飞行器的不断发展和运用,作为武器装备和系统环境的临近空间大气特性成为作战保障的重要条件.结合临近空间飞行器的应用需求,对临近空间的特点、大气环境监测和研究的相关问题进行了综合性分析,为开展临近空间环境信息保障和服务提供参考.     

偏转角影响磁纤维捕集Fe基细颗粒的数值模拟

为了研究磁性纤维对钢铁行业细颗粒物的控制效果,基于计算流体力学-离散相模型（CFD-DPM）对高梯度磁场中含尘气流方向与背景磁场方向夹角（偏转角）分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时磁性单纤维捕集Fe基细颗粒进行数值模拟.分别研究高梯度磁场作用下颗粒粒径、入口风速、磁场强度对颗粒运动轨迹和捕集效率的影响.结果表明：高梯度磁场中偏转角影响磁性纤维捕集区域的位置,当角度为0°时,在纤维正对含尘气流方向区域形成颗粒捕集区,背风侧形成较大空腔;当角度为90°时,在沿气流方向纤维两侧形成面积相等的捕集区域.偏转角对小颗粒捕集效率的影响较小,当角度为0°时,对于0.5μm的颗粒捕集效率为4.1%,当角度为90°时捕集效率为3.9%.随着粒径的增大,捕集效率的增长速率先减小后增大,对于不同粒径的颗粒,当角度为0°时捕集效率最高.当风速在0.02~0.04m/s范围时,随着角度从0°增加到90°,捕集效率先降低,在45°附近达到最小值,然后升高.磁场强度的增加有利于提高捕集效率,但不同角度时的增长速率有所不同.当偏转角为0°和60°时,背景磁场强度为0.1~0.3T范围时增长速率明显大于0.3~0.9T范围内,而当偏转角为30°和90°时,背景磁场强度为0.1~0.5T范围时增长速率高于0.5~0.9T时的增长速率.     

城市交通十字路口处污染物分布数值模拟

运用描述湍流运动的k-ε双方程模型,模拟计算某城市以公路为线性污染源十字路口处在两种不同风向影响下流场和浓度场分布。方案一中,气流绕过建筑物时在建筑物后会形成明显的涡流,污染物容易在此附近聚集。高浓度带位于两排建筑物之间靠外侧,最大达2.9440μg/m3。方案二中,由于建筑物的位置与风向的关系,气流在建筑物背面形成的涡流不明显,后排建筑物背风面附近以及建筑物之间下部附近的风速较小,易形成高浓度带。高浓度带主要位于下部两建筑物之间一带,以及后排建筑物背风向附近,最大达2.6402μg/m3。方案二明显更有利于污染物的扩散。因此,风向倾斜进入建筑群时,湍流作用减弱,风的迁移作用增强,有利于污染物的扩散。在实际中若建筑物迎风向的表面形状接近梭形,则可促进风对污染物的扩散作用,从而改善建筑物周围的环境空气质量。     

Particle model simulation of diffusion in low wind speed stable conditions

A Lagrangian particle model (LAMDA), previously developed and applied to the simulation of atmospheric dispersion in neutral and convective windy conditions, was modified to deal with stable low wind speed conditions. These last are among the most difficult to be treated. In fact, on the one hand, nearly calm situations, associated to strong stability and air stagnation, make the lower layers of the atmosphere poorly diffusive, and, on the other hand, the large fluctuations in the wind direction (meandering), spread the airborne pollutants over wide angular sectors. An ad hoc algorithm to simulate the effect of meadering on the dispersion is proposed. The model is validated by comparing its simulation results to three tracer experiments held in stable low wind speed conditions by the Idaho National Engineering Laboratory (U.S.A.) in 1974. These experiments present plume spread of different width (48, 138 and 360°, respectively, at an arc located 200 m downwind from the source) and are comprehensive of a wide set of conditions, ranging from strong to weak stability and from low wind speed to calm. The results of the comparison are discussed. The ability of the model to simulate the g.l.c. distributions with a good degree of confidence is illustrated.     

基于多源资料天津一次雾-霾过程的边界层特征

为探究雾-霾过程的边界层特征,选取天津市2019年12月7~10日一次严重的雾-霾典型过程,采用常规自动气象站资料、环境小时浓度资料、以及微波辐射计、风廓线雷达、气溶胶激光雷达等多种观测资料及WRF-Chem源追踪方法对此次污染过程进行综合分析. 结果表明,此次雾-霾过程可明显分为雾生成、雾与霾交替、霾、霾消散等4个阶段;雾-霾天气与大气温度层结密切相关,伴随着逆温生成,相对湿度和液态水含量最大增长速率分别达13.44%/h和0.013g/(m³·h),呈爆发性增长,相对湿度快速增至92%,微波辐射资料可较好预报雾的生成;雾与霾交替出现阶段雾天气改变了边界层结构,雾层内大气呈中性状态,相对有利于污染物在雾区内扩散,PM_2.5高浓度主要出现在边界层400m以下,雾顶持续逆温抑制了污染物向上层大气扩散,造成雾区内污染物浓度加重,地面PM_2.5质量浓度为135~223μg/m³,维持中度-重度污染;雾-霾天气与垂直风场有较好的对应关系,雾与霾交替出现阶段存在低风速和较大风速(西南风带来充沛水汽)两种有利于雾维持的情况,雾顶逆温层以上风速为6~12m/s,雾层内为1~2m/s,雾的存在不利于近地面空气质量的改善;此次雾-霾过程天津本地源排放贡献为36.1%,区域输送贡献为63.9%,整个过程表现出明显的区域输送特征.     

邯郸市PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(1.0)在线监测研究

对2015年3月—2016年2月邯郸市大气中的PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(1.0)进行了在线监测,探讨了其质量浓度的变化特征,并分析了其质量浓度与风速、风向的关系。结果表明:邯郸市颗粒物质量浓度水平较高,β射线吸收法所监测的PM_(10_WET)、PM_(2.5_WET)和PM_(1.0_WET)年均浓度值分别为202.5,114.8,81.1μg/m~3,PM_(2.5_DRY)/PM_(10_WET)和PM_(2.5_WET)/PM_(10_WET)分别为0.58、0.70,PM_(1_DRY)/PM_(2.5_WET)和PM_(1_WET)/PM_(2.5_WET)分别为0.58、0.71,PM_(2.5)为PM_(10)中的主要组成,PM_(1.0)为PM_(2.5)中的主要组成。邯郸市PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(1.0)质量浓度冬季最高;PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(1.0)日变化峰值为上午09:00左右,谷值为下午16:00左右,扬沙、降雨,霾和春节不同条件下PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(1.0)差异明显。邯郸市PM_(10)、PM_(2.5)和PM_(1.0)的浓度高值主要分布在风向0°~100°和175°~225°、风速小于1 m/s的情况下。     

辽宁省近地层风切变特征研究

利用辽宁省风能资源专业观测网26座测风塔2009年6月至2010年5月10~70 m（100 m）的逐时梯度风观测数据,研究了辽宁省近地层风切变特征,结果表明：近地层风速随高度变化基本遵循幂指数规律;各塔年风切变指数为0.024 4~0.405 0,没有明显的空间分布规律,主要受局地地形、地貌环境影响,个体差异较大;有11座测风塔年平均风切变指数大于B类风切变指数,26座测风塔空间平均年风切变指数为0.155 1,也略大于B类风切变指数;风切变指数呈现明显的白天小、夜间大的日变化特征,与气温的日变化呈反位相;春季风切变指数明显偏小;大气中性条件下的风切变指数与年平均风切变指数基本相当,稳定状态下风切变指数明显偏大,不稳定状态下最小;风切变指数具有随风速增大而减小的特点,大风条件下的平均风切变指数小于年平均风切变指数,多数测风塔风速≥15 m/s时风切变指数下降至0.1以下。     

济南市冬季一次典型重污染过程分析

为掌握济南市重污染天气发生规律,从而更好地为重污染天气预报预警和大气污染防治提供参考,采用空气质量监测数据、气象观测资料、雷达探测资料及轨迹模式模拟相结合的方法,对济南市2016年12月31日-2017年1月7日的持续性重污染过程,从污染演变过程、环流背景分析、气象要素特征和区域污染传输等多方面分析其形成原因及主要影响因素.结果表明:此次重污染过程期间首要污染物为颗粒物,ρ（PM₁₀）平均值为318 μg/m3,ρ（PM_2.5）平均值为200 μg/m3;地面风速在0.6~1.8 m/s范围内,风力均为1~2级,相对湿度为68%~95%,平均相对湿度为81%.在重污染过程中,从地面至800 m左右高度始终维持较强逆温层,逆温频次高达91.1%,污染边界层高度较低,大部分时间都在500 m以下.采用情景模拟分析方法计算得到,区域输送对济南市PM_2.5的贡献率为20%~35%.研究显示:此次重污染过程是在区域性污染背景下由本地不利的扩散条件造成的,静稳大气形势提供有利的环流背景,平流雾、辐射雾交替产生,持续性的高湿加重了污染程度;近地面的静风、高湿,垂直方向的双逆温层甚至多逆温层的结构是影响此次重污染过程的重要气象要素;区域性污染传输对此次重污染天气的发展有显著贡献,污染初期主要来自河北省中南部的输送,随着污染加重,有来自偏南、偏东方向的局地气团输送.      

The characters for the boundary layer and mechanism of acid rain formation in the Qingdao area,China

ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｃｉｄｒａｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＱｉｎｇｄａｏａｒｅａ，ＣｈｉｎａＬｉｕＢａｏｚｈａｎｇ，ＬｉＪｉｎｌｏｎｇｅｎｔｅｒｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａ...