石家庄近地层风场辐合与重污染关系研究

石家庄多发生以风场辐合为特征的局地污染事件,客观判识辐合区和辐合过程强弱对重污染预报指示意义重大.为研究石家庄风场辐合特征及其对局地污染的贡献,更好地为区域重污染天气预报预警提供客观指标参考,在引入固定高度层内矢量通风系数物理量的基础上,结合箱体模型提出一种定量计算近地层风场辐合强度系数的方法,并利用ERA-Interim再分析资料计算了京津冀地区矢量通风系数以及辐合强度系数,对2016年9月—2019年3月期间10次典型风场辐合污染过程进行分析,探讨了风场辐合形成的原因和对污染贡献的关系.结果表明:①受地形影响,石家庄易出现近地层风向、风速辐合,均可归结为区域内输入通风量大于输出通风量,西部太行山地形的阻挡加重了其辐合程度.②风场辐合使空气中的水汽和污染物汇聚,为二次反应提供高湿条件,这种正反馈作用促发PM_2.5爆发性增长,期间ρ（PM_2.5）平均每小时可上升25 μg/m3.③石家庄近地层辐合强度系数在26以上时对污染贡献作用明显,辐合区污染强度比周边偏高1~2个等级,ρ（PM_2.5）比区域背景值偏高85%~200%.研究显示,风场辐合对重污染贡献明显,是形成局部污染物浓度偏高、PM_2.5爆发性增长的重要气象指标.      

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.     

西宁地区大气边界层风、温场特征研究

利用西宁地区2009-2011 年地面气象及高空探测资料,统计及数值模拟研究了大气边界层风、温场特征。结果表明,西宁地面风场状况受地形的影响较大,风场复杂。地面较高频率风向与河谷走向基本一致,谷底平均风速较小,在北川河谷及湟中县西南为风速低值区。高空和地面主导风向在100 m以下发生转换,7：00 高空以西风和西西北风为主,19：00 则以东东南风和西西北风为主,风速均以西风和西西北风最大。风速垂直切变在冬季大,夏季小,夏季傍晚的风速垂直切变明显高于清晨。温度场特征表现为冬季出现逆温频率高,夏季低,清晨出现逆温层厚度较傍晚厚且逆温增温率强。逆温特征较黄土高原河谷城市及黄土高原较湿润地区更为明显,但较黄土高原干旱区则相对弱。混合层高度特征表现为春、夏季较高,冬季最小,气温相当的干旱季节混合层高度大于湿润季节,日混合层平均高度约在200～3 000 m变化,变化幅度大,扩散条件的日变化相差较大。     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季近地层CO2浓度变化特征

利用Li-8150系统在塔克拉玛干沙漠腹地进行了冬季近地层(￡6m)CO2浓度数据收集,结合同步气象资料,分析了近地层CO2浓度变化特征,土壤呼吸速率及气温、风速等气象因素对其变化特征的影响.结果表明,近地层CO2浓度日变化曲线呈单峰型结构,白天浓度高于夜晚.沙漠腹地冬季近地层大气CO2浓度主要集中分布在371.6~387.1μmol/mol,日平均最高值出现在12:00,最低值出现在凌晨;近地层CO2浓度对土壤呼吸速率的响应程度较好;不同高处气温与CO2浓度均存在着显著的正相关关系;近地层(31m)的CO2浓度受风速变化影响较大,而风速对0.5m及以下高度CO2浓度分布特征的影响相对较小;流动沙漠腹地,土壤呼吸和微弱的气象条件相互作用,共同调节和控制着近地层CO2的浓度变化.     

用计算机绘制近地层风速时空分布图

用计算机绘制近地层风速的时空分布图,清楚而形象地表现了近地层风速在时间和空间的分布及其变化规律,为污染气象的研究提供了一种必要的手段。本文简要介绍了多项式趋势面分析的方法和原理,并描述了计算程序的功能和程序框图。在此基础上编制了近地层风速等值线图和立体图的程序包,并用此程序包绘制了等值线图和立体图。本程序包不仅适用于近地层风速而且也适用于其他环境要素。     

关于机动车几何嵌入对城市街谷影响的研究

文章基于机动车几何体嵌入建立了城市街谷内空气流动和污染物分布模型,应用FLUENT 6.3进行了数值模拟,将尾气排放模化为速度输入边界条件,探究了不同来流风速下,街谷内流场和污染物分布。结果表明:机动车空间几何模型的构建更为细致地模拟了街谷近地层的空气流动及污染物分布。由于车辆模型的嵌入,街谷近地面污染物浓度不再呈现单调一致的变化规律;当来流风速为0.3 m/s时,在横向车辆之间局部子涡的影响下,污染物浓度呈增大-减小-增大的趋势;当来流风速增至1 m/s时,近地层污染物浓度先增大后减小,道路中部污染物浓度达到最大;随着来流风速的进一步增大,即3 m/s和5 m/s工况下,街谷内的风场环境由来流风占主导,污染物浓度自迎风面至背风面呈宏观上增大,在背风面有小幅衰减,污染物浓度最大值出现在背风侧机动车道。研究可为预测城市街谷近地层内污染物分布提供依据。     

防沙堤风场特征数值模拟

基于FLUENT软件,采用标准湍流模型对防沙堤风场特征进行了数值模拟,研究了防沙堤迎风面和背风面设计方式对风场的影响。结果表明,防沙堤风场主要受迎风面坡度控制,坡度越陡对风速的衰减效果越好;对于固定形式的防沙堤,风场结构特征与风速无关,对不同风速的衰减比率是一定的。     

动态风场及交通流量下街道峡谷内污染物扩散模拟

根据现场实测数据,应用标准k-ε模型研究了动态风场及交通流量下三维街道峡谷内的污染物扩散规律,数值模拟利用CFD软件FLUENT,其中动态风场和车流量变化信息通过用户自定义编程实现.结果发现,动态风场下空气在街道内部不断经历膨胀和压缩的过程,街道峡谷内部流场形态时刻都在变化;当风速由大变小时,空气膨胀出街谷,流型呈近似椭圆形分布;当风速由小变大时,空气压缩在街谷内部,流型呈近似圆形分布.风速的不断变化引起街谷内、外大气的压缩和膨胀过程,这种过程能够改善街谷内污染物的扩散情况.背风面行人高度处,动态来流下的平均污染物浓度要比定常来流下低17.7%;迎风面行人高度处,动态来流下的平均污染物浓度要比定常来流下低27.1%.动态环境下污染物浓度的分布和峰值由风场和车流量变化共同决定.     

京津冀重污染大气污染物输送路径分析

基于HYSPLIT模型,模拟2014年2月19日至2月27日京津冀空气重污染气团24 h后向轨迹。结果表明,京津冀区域重污染期间1000 m高空存在西南输送通道,京津冀三地24 h气团源地分别为河北南部、山东聊城或河北邯郸、山西东南或河南北部。重污染期间,近地层100 m处风速气流表现为西南-南风,风速3 m/s时,空气质量会达到五级重度污染及以上水平;近地层100m处气流也可能是较强的东南风,能缓解区域空气染污程度。重污染清除过程中高空表现为下沉气流,且100 m处风速10 m/s。京津冀地区空气质量指数(AQI)与近地层100 m高空风速有显著相关性,相关系数为0.804,可根据低空风速预测空气重污染。     

结合卫星遥感技术的太湖蓝藻水华形成风场特征

为进一步了解太湖蓝藻水华形成和分布与近地面风场的关系,利用太湖湖面及周边地区2003~2013年气象与卫星观测数据分析、并应用WRF3.5.1数值模型模拟,发现太湖蓝藻水华主要出现在卫星观测时刻前6h平均风速为0.5~3.4 m/s的区间,占比达94.7%;蓝藻水华面积总体上随风速增大而减小,大范围蓝藻水华主要出现在前6h平均风速≤2 m/s的情形下,占比达89%;风向则主要影响蓝藻水华在太湖的空间分布格局.结果表明局地风场对于太湖蓝藻水华的形成、输移和分布具有重要作用.     

渤海海峡北部沿岸流季节变化特征

本文基于渤海海峡北部沿岸一观测站点长时间序列海流观测数据分析了海峡北部沿岸流的季节变化特征。冬夏两季余流平均流速均呈现表层最大,中层最小,底层较中层略微增大的分布态势。冬夏底层余流均存在跨等深线向岸的分量,表明底层水向岸的运动是两季都存在的现象。对余流用矢量经验正交分解得到的第一模态空间分量显示,两季余流主要是沿着等深线变化的,冬季各层余流主体变化步调一致,夏季表层与其他各层变化位相相反。风应力是引起余流变化的因素之一,但并不是主要因素。交叉谱分析亦表明,冬季余流变化滞后风应力18 h,与风应力在周期为6 d的波动成分上相关性显著;夏季余流变化滞后风应力9 h,与风应力在周期为0.8 d的波动成分上相关性显著。     

河谷城市通风系数研究

通风系数是科学确定污染物排放总量的基础.利用WRF模式模拟的边界层高度和风速计算了兰州新区2014年4个季节的通风系数,探讨了风速的季节性变化和日变化特征.结果表明:①WRF模式模拟得到的兰州新区的混合层平均风速呈夜间高、日间低的特征,日间混合层内平均风速最大值出现在20:00左右,这与地面风速积分法确定的平均风速具有较高相关性,验证了利用模式模拟边界层内平均风速特征的能力.②混合层高度季节变化呈现春夏季高、秋冬季低的特征;受太阳辐射的影响,日间混合层高度明显高于夜间.③通风系数具有明显的季节性变化特征（4个季节的通风系数分别为4 607.6、5 424.1、1 316.4、706.9 m2/s）,夏季高,冬季小,这与混合层高度和混合层内平均风速的季节性变化特征一致;日变化呈现单峰型的变化规律,冬季的峰值出现在15:00,而其他3个季节的峰值则出现在17:00左右.研究显示,WRF模式的模拟结果可以较好地反映混合层平均风速的基本特征,利用WRF模式模拟的结果计算得到的河谷地形的通风系数较为合理,不同季节的通风系数差异较大.      

川渝地区夏季降水异常水汽输送差异

利用川渝地区1960—2006年34站逐月降水量资料和美国NCEP/NCAR同期逐月风场、比湿场和地面气压场资料,网格距2.5°×2.5°,采用EOF分解、区域降水指数、合成分析等方法,详细讨论了川渝地区夏季降水量多、少雨年水汽通量的纬向、经向、整层输送及水汽通量散度的差异。川渝地区夏季降水量标准化距平EOF分解结果表明把川渝地区夏季降水量作为一个整体来分析是合理的。区域降水量指数能很好地揭示出川渝地区夏季降水量的多寡。合成分析表明川渝地区夏季降水量多、少雨年水汽输送通量的纬向、经向、整层输送及水汽通量散度存在着明显差异,多雨年孟加拉湾、南海、西太平洋的水汽输送通量显著增强,水汽输送通量辐合比少雨年显著增强,为川渝地区夏季降水提供了丰沛的水汽条件,有利于川渝地区夏季降水量的异常偏多;少雨年则反之。     

长江三角洲背景地区CO2浓度变化特征研究

通过分析2009年1月~2010年12月临安区域大气本底站在线观测获得的CO2浓度,研究地面风向、地面风速、气团输送等因素对长江三角洲背景地区CO2浓度的影响.结果表明,临安站CO2浓度的日变化分布表现为单峰型形态,下午低、凌晨高,浓度日变幅在9.5′10-6~44.3′10-6 (V/V)之间;季节变化特征表现为冬春季高,夏季低,浓度年较差为10.1′10-6 (V/V).通过分析地面风向、地面风速和气团输送等因素对临安站CO2浓度的影响表明,引起CO2浓度升高的地面风向夏季主要为NW~NNE,冬季主要为NNE~ESE;地面风速越大,CO2浓度越小;气团远距离输送的影响主要取决于气团途径区域的CO2排放情况.     

兰州西固工业区夏季光化学烟雾污染的气象条件

通过对兰州西固工业区光化学烟雾污染规律与气象条件的关系的研究表明,在高空槽后的低空弱高压控制下,西固区出现高的臭氧浓度值,此时大气层结稳定,风很小,天气晴朗,但中午有浓重烟雾,臭氧浓度峰值在中午出现。该区盆地内形成的光化学烟雾烟团水平面积达几十公里,臭氧浓度的日变化取决于太阳总辐射和大气边界层的日变化。     

沈阳城市化进程对大气边界层影响研究

利用沈阳气象站2000-2010年高空观测数据,统计分析了各年探空温度和风速曲线,还依据统计得到的中性层结风速廓线资料,利用莫宁-奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数,综合研究了沈阳城市化进程对大气边界层的影响。结果表明:(1)随着城市化进程的发展,地面平均温度呈逐年升高的趋势,但升温幅度很小;高层温度也有增加的趋势,增温幅度很小。(2)垂直温度递减率有增加的趋势,这表示城市化程度的发展对边界层的影响也是显著的。(3)由于下垫面城市化程度的提高,在不同高度上风速都有不同程度的减小的趋势。(4)摩擦速度逐年增加,对风速的消减作用逐渐增强;粗糙度逐年增高和零平面位移逐年增大,可见沈阳下垫面城市化的程度逐年增加。     

北京地区冬夏季持续性雾-霾发生的环境气象条件对比分析

在北京地区,除冬季供暖期外盛夏也是雾-霾天气的高发季节,与我国南方不同.使用微波辐射仪、风廓线和常规气象探测资料、NCEP再分析资料以及大气成分观测结果,通过对比分析揭示了冬、夏季持续6 d的2个雾-霾过程形成和维持机制的异同.冬季雾-霾过程出现在高空西北气流、低层多短波活动的背景下,其形成和维持的主要机制是边界层内始终有逆温层、地面弱风场、底层湿度逐渐增大.逆温层昼高夜低、湿度昼小夜大是影响PM2.5质量浓度和能见度日变化的重要环境因子.在雾-霾天气持续期间地面弱风场能够维持主要源于冷空气势力弱、常不能影响到地面.此外,入夜后地面迅速辐射降温、边界层上层有暖平流以及空气过山后下沉增温在逆温层的形成中起了关键作用.然而,对于夏季持续性雾-霾天气,气溶胶区域输送、环境大气保持对流性稳定、空气的高饱和度是其发生的重要条件.在副热带高压长时间控制下对流层低层盛行偏南风,北京的PM2.5质量浓度随着偏南风风速增大升高.对流层底层系统性偏南风与北京附近的山谷风共同构成了从北京以南气溶胶累积地向北输送的机制.夏季雾-霾过程低层没有逆温,但是北京上空一直维持超过200 J·kG-1的对流抑制能量,它同样限制了污染物的垂直扩散.夏季自由对流高度也存在昼夜变化,其对PM2.5浓度和能见度的作用与逆温层高度升降相同.因此,冬、夏个例分别代表了2种不同类型的持续性雾-霾过程,导致差异的根本原因在于大气环流型.     

宜昌地区中低空风速变化特征分析

利用宜昌1958—2013年逐日探空风资料,通过趋势系数、滑动t检验和小波分析等方法,分析宜昌中低空规定高度平均风速的时间变化,并和同期地面风速变化进行对比。结果表明：1）500和1 000 m高度月平均风速变化均呈双峰曲线,1 500和2 000 m月平均风速变化趋势较为一致,3 000 m月平均风速波动较大。2）从季节分布来看,500~2 000 m平均风速均为春季最大,3 000 m平均风速冬季最大;不同高度层季平均风速随高度上升增幅不同。3）500 m年和四季平均风速的年际变化最剧烈;500~2 000 m,年平均风速的离差系数随高度上升明显减小。4）1971—2013年,宜昌地面10、 500、 2 000、 3 000 m年平均风速显著减小;1 000和1 500 m年平均风速略有增大但未通过显著性检验。5）宜昌中低空平均风速主要经历了20世纪80年代由下降到上升和90年代由上升到下降的突变;冬季平均风速的突变次数最多,夏季平均风速突变次数最少;各高度年、季平均风速的突变次数随高度上升而减少。6）各高度普遍存在8~14 a的较长周期和2~4 a的较短周期,其中较长周期主要出现在夏、秋季,较短周期主要出现在春、冬季。     

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

ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｃｉｄｒａｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＱｉｎｇｄａｏａｒｅａ，ＣｈｉｎａＬｉｕＢａｏｚｈａｎｇ，ＬｉＪｉｎｌｏｎｇｅｎｔｅｒｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａ...