Mesoscale meteorological modelling for Hong Kong-application of the MC2 model

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｎｃｅｒｎｓｔｈｅａｄａｐｔａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｍｅｓｏｓｃａｌｅｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｆｉｅｌｄｓａｎｄｏｔｈｅｒｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｓｔｕｄｉｅｓｏｆａｉｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｔｅｒｒａｉｎｏｆＨｏｎｇＫｏｎｇＳｐｅｃｉａｌＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅＲｅｇｉｏｎ (ＨＫＳＡＲ) .Ｔｈｅｍａｉｎａｒｅａ…     

河谷型城市风场及污染物扩散的CFD数值仿真

为研究河谷型城市地形及其引起的风场和污染物扩散的复杂问题,利用CFD（计算流体力学）方法和复杂地形网格生成技术,建立河谷型城市风场及大气污染分布的数值仿真模型,实现CFD方法在复杂地形空气运动和污染物扩散方面的应用.分别使用LES（large eddy simulation）模型和mixture模型研究兰州市地面风场特征和污染物扩散形态,计算得到的污染物分布结果与实测结果分布一致.结果表明:复杂地形对空气运动的影响很大,如风速因山体屏障作用会呈现带状分布特征,山体后侧易出现弱风区域;同时,风场会密切影响污染物扩散,决定了污染物扩散形态,如幅散能够影响污染物扩散范围及污染水平.而给定西北风条件下,如地面以上10 m、风速为5 m/s、不受地形阻挡情况下,工业区污染物浓度被稀释10倍,约扩散2.2 km;山体阻挡会抑制污染物纵向扩散,表现在山体阻挡情况下污染物稀释100倍时的扩散长度约为相对平坦区域的1/3.此外,不同的入口风向会引起空气运动与山体相互作用发生变化,进而会使得地面风速、局部风场存在差异,造成污染物扩散及分布形态差异.研究显示,CFD方法可行,模型可靠,可以用来研究地形对风场和污染物扩散的影响.      

长江三角洲地区大气污染物输送规律研究

采用NCEP全球再分析资料运行MM5获得研究区域2004年代表月份的气象场模拟结果,运用HYSPLIT4.8模式,计算代表城市的后向及前向气流轨迹.结果表明,不同季节,气流轨迹的分布差异明显,影响范围各不相同.影响长三角地区低层大气的输送气流主要来源于蒙古、华北或东北地区,途径黄海海域或东部沿海的山东、江苏或上海等地抵达长三角地区.受夏季西南季风的影响,西南方向也是比较重要的输送途径.长江三角洲地区对外界的中尺度污染传输主要受东亚季风活动的影响,其中冬季季风是长三角污染物向华南和西太平洋地区传输的一个主要机制;影响长三角污染物输送的重要系统还包括春夏控制我国东部沿海地区的西太平洋副热带反气旋环流,该系统主要向西影响我国内陆地区.     

福建省三明市大气环境容量研究

利用CALPUFF空气质量扩散模型模拟了三明市2011年气象场和二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物浓度场,利用监测值对模拟结果进行验证表明了模型的适用性;并基于三明市现状污染源,建立大气污染物传递系数矩阵,结合线性优化模型分别测算了三明市现状环境空气质量标准和新标准下的大气环境容量,并进行比较。研究结果表明,目前三明市主要大气污染物尚有较大的环境容量,但是需要严格控制大气污染物特别是工业和机动车尾气产生的氮氧化物的排放。     

海岸地区三维风场与污染物输送扩散模式

首先建立了一个复杂地形条件下的中尺度三维边界层预报模式,模拟研究了局地海陆风环流条件下的三维风场。并将其输出直接作为一个三维欧拉数值模式的输入,以模拟沿海地区海陆风演变过程中,空气污染物(SO_2)浓度的时空分布。为更接近实际,还专门建立了一个只需少量常规气象资料输入的背景风诊断模式。较好地完成了这三个模式间的联接。实例模拟计算的结果表明,此联接模式是行之有效的。     

山谷地带城市冷热岛及其影响初探

本文利用华北某城市现场实测资料,对实测到的谷地上空“冷岛"的形成机制进行了研究,借助于二维数值模拟,分析了城市冷热岛对山谷地带坡风环流和污染物浓度分布的影响。结果表明:城市热岛在晚间出现则可以加速坡风环流,加之逆温层存在,不利于污染物输送;白天冷岛的出现,加强坡风环流,有利于污染物的扩散和输送。      

用三维平流扩散模式预测滇池地区氟化物污染

根据包含有PBL湍流统计量的三维物质连续方程,作者设计了一个同时考虑大气参数的时空(三维)变化、多个连续污染源、线性的化学转化和迁移以及复杂地形影响的三维平流扩散模式,并将滇池地区整个PBL内连续实测的湍流统计量、拉氏时间尺度、中尺度流场和混合层厚度直接输入模式,对山谷风、湖陆风和城市热岛(昆明市)中尺度局地环流控制下的氟化氢浓度的日变化作了预测。结果表明,在输入同一资料情况下,预测的结果与实测值大体上一致。     

晋东南地区冬季PM2.5污染输送路径分析

利用2017~2019年晋城市和长治市冬季PM_2.5逐时浓度资料、地面风场数据等,结合HYSPLIT轨迹模型和中尺度数值模式WRFV4.2分析了晋东南地区冬季PM_2.5污染的特征和传输特点.结果表明,晋城市冬季PM_2.5污染程度高于长治市.受地形影响,晋城市地面盛行偏南风、偏北风和西北风,污染方向主要为偏南风和偏北风;长治市近地面盛行偏南风,该风向污染频率最高.影响晋城市和长治市污染的潜在源区主要分布在偏西、东北和东南方向,偏西气流来自陕西省中部,东北气流来自河北省西南部,东南气流来自河南省中东部.污染经过晋东南地区主要影响山西省中南部和北京南部.通过数值模拟流场,结合潜在源区和影响区域的分析结果,在均压场或高压后部的天气形势下,晋东南地区污染输送路径包括来自东北方向（河北省西南部一带）的气流,沿长治市东北部的滏口陉向晋东南地区输送污染物及沿太行山东麓向南在晋豫交界处的太行陉发生转折向晋东南地区输送污染物;来自东南方向（河南北部及东部）的气流输送和来自偏西方向（陕西中南部）的气流输送.污染物经过晋东南地区向北输送至山西省中南部,部分经过山西省中东部的井陉输送至北京南部.     

长江口污染物运动轨迹模拟

长江口流域污染物排放较多,受地形和水环境过程影响其运动规律极为复杂。为保护近岸海域水质环境,须在洞悉该区域环境水动力基础上开展污染物运动规律的研究。基于ECOMSED三维数值模型和拉格朗日粒子追踪技术,采用单个粒子以及粒子群模拟追踪了长江口的石洞口、竹园、白龙港三大污水排污口区域污染物质的运动轨迹,重点分析了水体表层、中层、底层污染物的运动特性及其影响范围,在此基础上,对该区域水体的排污设置方式提出了参考建议。     

地形对日本福岛核事故放射性粒子扩散影响的敏感性研究

利用FLEXPART-WRF粒子扩散模式和Stohl等给出的福岛核事故137Cs排放数据,对日本福岛核事故放射性粒子扩散情况进行了数值模拟和有、无地形的敏感性试验;同时假定核污染物排放源位于日本高崎市的RN38站(36.3°N、139.1°E),对向东开口的V型特殊地形进行了敏感性试验. 福岛核事故数值模拟结果表明:放射性污染物的扩散路径、范围和强度既与天气形势有关,还与地形密切相关,不同天气或不同盛行风向条件下,地形的绕流和抬升作用对核污染物扩散输送态势的影响具有明显差异;在偏东气流影响下,由于地形作用,相比无地形时核污染物扩散偏西1个经度左右,偏高约0.5km. V型特殊地形敏感性试验结果表明:在合适的环流形势下(边界层为偏东风,中、高层为偏西风),由于V型地形的阻挡作用,可形成强烈上升运动区,核污染物主要向上、向东扩散输送,向上可扩散至3.0km以上,向东可扩散至145°E左右;而无地形时核污染物向上、向东影响范围减小,向东扩散至140°E,向上扩散至1.5km,但由于无地形阻挡和偏东风影响,向西扩散范围有所增加. 讨论了天气和地形条件对核电站选址的影响,不同天气形势下地形对核污染物扩散的影响并不相同,因此核电站选址应首先考虑选址地的大气环流背景和常见的天气系统,在此基础上再考虑地形的影响.      

福建惠安沿海中尺度大气流动和扩散特征研究

采用拉格朗日随机粒子扩散模式和三维风场诊断模式以及实际气象观测资料,模拟分析了福建惠安核电厂所在沿海地区的大气流动和气载污染物的中尺度扩散情况。结果表明:①该区域低层大气的流动决定于各季盛行风背景、天气系统和局地海陆-山谷风环流系统的共同作用。②冬、春、秋季区域中尺度扩散总体沿西南海岸或偏西内陆方向,夏季总体沿东北海岸线方向进行。局地中尺度环流带来的向岸流和离岸流对具体扩散形态有重要影响。③污染物扩散输送出模拟区域的平均去除时间约为18～21h。污染物在200km×200km模拟区域内滞留24h以上的情况在各季分别可占1 4～1 3。      

Wind tunnel experiment of gas diffusion in stably stratified flow over a complex terrain

Wind tunnel experiments were conducted to investigate air flow and gas diffusion in neutrally and stably stratified flows over complex terrain, using a terrain model of Steptoe Butte in the U.S.A.The terrain model was made with an aluminium cast and cooled by using transistor thermo-modules in order to simulate a stably stratified flow over the complex terrain. The wind tunnel results for gas concentration were superposed by a computer using probability distributions for wind direction, wind velocity and atmospheric stability observed at Steptoe Butte, in order to compare the wind tunnel results with field data.Application of the superposition method provided better agreement with field data than the usual method without the superposition.     

High-resolution modeling and evaluation of ozone air quality of Osaka using an MM5-CMAQ system

High-resolution modeling approach is increasingly being considered as a necessary step for improving the monitoring and predictions of regional air quality.This is especially true for highly urbanized region with complex terrain and land-use.This study uses Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model coupled with MM5 mesoscale model for a comprehensive analysis to assess the suitability of such high-resolution modeling system in predicting ozone air quality in the complex terrains of Osaka,Japan.The 1-km and 3-km grid domains were nested inside a 9-km domain and the domain with 1-km grid covered the Osaka region.High-resolution Grid Point Value-Mesoscale Model μgPV-MSM) data were used after suitable validation.The simulated ozone concentrations were validated and evaluated using statistical metrics using performance criteria set for ozone.Daily maxima of ozone were found better simulated by the 1-km grid domain than the coarser 9-km and 3-km domains,with the maximum improvement in the mean absolute gross error about 3 ppbv.In addition,1-km grid results fared better than other grids at most of the observation stations that showed noticeable differences in gross error as well as correlation.These results amply justify the use of the integrated high-resolution MM5-CMAQ modeling system in the highly urbanized region,such as the Osaka region,which has complex terrain and land-use.     

High-resolution modeling and evaluation of ozone air quality of Osaka using MM5-CMAQ system

High-resolution modeling approach is increasingly being considered as a necessary step for improving the monitoring and predictions of regional air quality. This is especially true for highly urbanized region with complex terrain and land-use. This study uses Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model coupled with MM5 mesoscale model for a comprehensive analysis to assess the suitability of such high-resolution modeling system in predicting ozone air quality in the complex terrains of Osaka, Japan. The 1-km and 3-km grid domains were nested inside a 9-km domain and the domain with 1-km grid covered the Osaka region. High-resolution Grid Point Value-Mesoscale Model (GPV-MSM) data were used after suitable validation. The simulated ozone concentrations were validated and evaluated using statistical metrics using performance criteria set for ozone. Daily maxima of ozone were found better simulated by the 1-km grid domain than the coarser 9-km and 3-km domains, with the maximum improvement in the mean absolute gross error about 3 ppbv. In addition, 1-km grid results fared better than other grids at most of the observation stations that showed noticeable di erences in gross error as well as correlation. These results amply justify the use of the integrated high-resolution MM5-CMAQ modeling system in the highly urbanized region, such as the Osaka region, which has complex terrain and land-use.     

近10年海南岛大气NO2的时空变化及污染物来源解析

利用OMI卫星反演的NO2柱浓度数据,分析了近10年海南岛对流层NO2柱浓度(Tro NO2)和总NO2柱浓度(Tot NO2)的时空变化,同时结合地面风向、SO2排放资料,以及HYSPLIT模式等探究其大气污染物来源.结果表明,海南岛地区大气NO2呈北半部高于南半部、中部山区低于四周沿海的分布特征,其季节变化表现为冬季高、夏季低的特点,其中夏季浓度偏低和雨水的冲刷作用有关,而冬季浓度偏高与珠江三角洲地区的外源输送作用有密切联系.近10年海南岛大气NO2冬夏季有相反的变化趋势,冬季逐年下降,夏季则有弱的上升趋势.其原因可能是夏季大气污染物以本地排放为主,冬季外源输送起主要贡献作用.海口市Tro NO2与珠江三角洲地区的有利风向日数相关系数为0.84,通过了99%的信度检验.后向轨迹分析表明,2013年12月影响海口市的3条气流移动路径,均不同程度的经过珠江三角洲地区,进一步表明海南岛冬季大气污染物主要以珠江三角洲地区的外源输送为主.     

长江三角洲地区大气O3和PM10的区域污染特征模拟

以TRACE-P污染源资料及上海市地方排放清单为基础,采用Models-3/CMAQ环境空气质量模型和中尺度气象模式MM5,模拟研究了2001-01和2001-07长三角近地面二次污染物O₃及PM₁₀的浓度分布及输送状况,并以上海市国控点2001年冬、夏季各10 d的小时监测数据对模型进行了验证.验证结果显示,Models-3/CMAQ对O₃和PM₁₀的模拟结果与监测值的相关系数分别为0.77和0.52;一致性指数分别达到0.81和0.99.模型对O₃小时最高浓度的估算偏低27%,标准偏差为-3.1%;对PM₁₀小时平均浓度的估算偏低10%,标准偏差为46%.模型已具备再现和模拟长三角大气污染输送过程的能力,且误差落在可接受的范围之内.模拟结果显示,2001-07长三角区域16个主要城市中,有14个城市O₃小时最大浓度超过国家二级标准,高浓度O₃可覆盖苏南和浙北广大区域.2001-01泰州、扬州、南京、镇江、常州等城市受本地排放源和北部大气污染输送的影响显著,大气PM₁₀日均浓度超过PM₁₀国家二级标准.长三角地区环境空气质量与污染类型受大气污染传输与化学转化的影响十分明显.夏季太阳辐射较强时,南部城市排放的污染物常以二次污染物的形式影响下风向城市;太阳辐射较弱的情况下,则以一次污染物输送为主的形式影响周边地区.冬季长三角区域颗粒物污染总体水平较高,这与我国北方地区排放的颗粒物在西北风作用下向长三角输送造成的影响密切相关.长三角地区的大气污染已逐渐从局地转为区域问题.     

考虑雾的微物理特征条件下的水雾扩散数值模拟研究

由于雾滴谱的不易获得，传统的水雾扩散研究一般不考虑其滴谱特征，而将其雾滴粒径作为常数处理。为此，引入实测的雾滴谱资料，考虑水雾在流专程 的扩散，蒸发及相变潜热对流场的反馈机制，利用三维非线性PLB方程组，采用工程上实用的湍流[E-ε]闭合方案，建立了一个高分辨率的PBL模式来模拟不同层结下，水电站泄洪产生的水务的扩散及共对环境湿度的影响，模拟结果表明，引入雾滴谱后的水雾扩散范围和相对湿度改变范围与不考虑雾滴谱条件下的相比，与日俱增接近实测，符合甚好。     

基于CALPUFF模型的漳州市大气环境容量研究

研究表明：CALPUFF模式是运用于广域的大气扩散模型,在区域范围较大的复杂地形条件下的应用具有突出的优势.利用CALPUFF大气扩散模型模拟漳州市2009年气象场和污染物浓度场,采用监测值对模拟结果进行验证表明模型的适用性;基于现状污染源,建立大气污染物传递系数矩阵,结合线性优化法测算了不同环境空气质量标准下漳州市大气环境容量.     

MM5/CALMET模式系统在风能资源评估中的应用

论文建立了一个适用于区域性风能资源评估的数值模式系统,该系统由中尺度气象模式MM5和微尺度模块Calm et以及风能资源参数计算模块组成。运用该模式系统分别对代表我国沿海风能丰富区的江苏省沿海地区和复杂地形条件下的北部风能丰富区的甘肃省酒泉地区的风能资源进行1 km×1 km高分辨率的逐时模拟,并通过与模拟范围内测风塔观测资料的对比检验该模式系统对我国不同地形条件下的风能资源评估能力。对比结果表明该模式系统可以很好地模拟出这两个地区的风能资源分布情形,不仅各测风塔处的年平均风速模拟值与实测值较为接近,风向频率和风功率密度方向频率也与观测值较为吻合。总体来看,该模式系统对甘肃省酒泉地区的模拟值与实测值的对比结果要优于江苏省沿海地区的对比结果。因此,该模式系统可以用来对我国不同地形条件下的风能资源进行高分辨率的评估。同时通过分析这两个地区70 m高度处的年平均风速、年平均风功率密度、年有效小时数、年发电量的水平分布结果发现,江苏省沿海地区海面上风能资源比陆上沿岸区域丰富,且风能资源沿海岸线往南逐步增加;甘肃省酒泉地区中部的盆地区域由于受南北高山形成狭管效应的作用,风能资源非常丰富。     

Numerical study of the effects of local atmospheric circulations on a pollution event over Beijing-Tianjin-Hebei, China

Currently, the Chinese central government is considering plans to build a trilateral economic sphere in the Bohai Bay area, including Beijing, Tianjin and Hebei(BTH), where haze pollution frequently occurs. To achieve sustainable development, it is necessary to understand the physical mechanism of the haze pollution there. Therefore, the pollutant transport mechanisms of a haze event over the BTH region from 23 to 24 September 2011 were studied using the Weather Research and Forecasting model and the FLEXible-PARTicle dispersion model to understand the effects of the local atmospheric circulations and atmospheric boundary layer structure. Results suggested that the penetration by sea-breeze could strengthen the vertical dispersion by lifting up the planetary boundary layer height(PBLH) and carry the local pollutants to the downstream areas; in the early night, two elevated pollution layers(EPLs) may be generated over the mountain areas: the pollutants in the upper EPL at the altitude of 2–2.5 km were favored to disperse by long-range transport, while the lower EPL at the altitude of 1 km may serve as a reservoir, and the pollutants there could be transported downward and contribute to the surface air pollution.The intensity of the sea–land and mountain–valley breeze circulations played an important role in the vertical transport and distribution of pollutants. It was also found that the diurnal evolution of the PBLH is important for the vertical dispersion of the pollutants,which is strongly affected by the local atmospheric circulations and the distribution of urban areas.