基于255 m气象塔天津地区污染天气高空风特征研究

基于2016年4月—2017年3月天津地区地面、255 m气象塔和风廓线监测数据,结合数值模拟,研究天津污染天气分析中高空风特征,以期进一步提高污染天气预报准确率.结果表明:高空风速和风向分析对污染天气趋势判断有重要作用,如冠层以上高度风速、300~1500 m风向对PM2.5污染程度的指示效果好于近地面同类数据;在选取高空风速指标时,应尽量避免边界层顶附近高度风速数据选取,如使用300 m和600 m风速和作为指标要好于300、600和900 m风速和作为指标.而其是否有利于污染扩散判断的临界阈值为10~15 m·s-1,小于10 m·s-1时水平扩散条件不利于污染物扩散,大于15 m·s-1时有利于污染物扩散.分析高空风向时,需要考虑输送高度和Ekman螺线的影响,与地面不同,300~1500 m高空风分析时,有利于出现污染天气的风向为西风、西南风和南风,而地面仅为南风和西南风;当1500 m高度呈现东风、偏东风和东南风时,天津地区受来自渤海的气流影响明显,污染气象条件有利于污染物扩散,空气质量以良好为主.     

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。     

河北省中南部二氧化碳浓度的飞机探测研究

为探究河北省中南部CO₂时空分布特征,利用空中国王350飞机搭载高精度CO₂分析仪和相关辅助设备,对石家庄、邢台城市上空(600～5600m)CO₂浓度进行飞机探测,探测期间共飞行4架次,取得7组CO₂浓度垂直廓线数据,探测期间CO₂浓度最小值为398.3×10^-6,最大值为414.6×10^-6,多架次垂直方向上平均浓度为(401.4～403.9)×10^-6.CO₂浓度随高度的增加,无明显规律性变化.边界层顶位于1000～2000m左右高度,在边界层顶以下受近地面排放源的影响较大.2500m高度上,其浓度随高度变化均存在一个短暂减小的趋势,高空基本不受近地面污染源的影响,CO₂浓度接近地面本底浓度.在同一高度上,白天CO₂浓度均略高于夜间.夜间CO₂在混合层聚集,混合层顶浓度达最大.邢台上空的CO₂与CH...     

北京城区夏季静稳天气下大气边界层与大气污染的关系

利用ALS300激光雷达系统测量的信号,根据Fernald方法反演的气溶胶消光系数的最大突变即最大递减率的高度确定大气边界层高度. 结果表明:在夏季静稳天气下,大气边界层平均高度为600 m,其中晴天为1 000 m,雾天为700 m,阴雨天在200~300 m之间. 静稳天气下的大气边界层不容易被有效突破,故不利于大气污染物扩散. 大气边界层高度对污染物浓度影响显著,没有降雨时,大气边界层降低(400 m),大气污染加重,在城区宝联站监测的ρ(PM_2.5)近200 μg/m3,在大气本底站——上甸子站近150 μg/m3;如果伴有降水,大气边界层高度升至600 m,大气污染则减轻,2个站点观测的ρ(PM_2.5)均降至50 μg/m3以下. 静稳天气下的大气污染呈现区域性特点.      

民勤沙尘源区近地面降尘特征研究

借助近地面沙尘暴监测系统进行沙尘暴监测,分析民勤沙尘源区近地面降尘分布特征.结果表明:民勤降尘量与沙尘天气发生频率密切相关,春季3,4月沙尘高发期月降尘量分别为9.0和9.5 mg/cm2.降尘随距地面高度的增加而减小,最大降尘出现在近地面1 m处,月降尘量为9.7 mg/cm2;降尘受下垫面条件影响较大,从荒漠区到绿洲边缘,风速减弱4.11%,总降尘量由25.0 mg/cm2减少到20.6 mg/cm2;绿洲内部受防护林作用,风速减弱30.45%,总降尘量增到24.6 mg/cm2,最大降尘量提高到近地面9 m处,与绿洲防护林冠层平均高度相吻合.风速对近地面20m内的降尘影响明显,平均降尘量2.5 mg/cm2.距地面9 m的高度范围内,降尘随持续时间变化迅速增加,降尘增量可达3.1 mg/cm2.      

1979-2014年中国地面风速的长期变化趋势

基于中国国家级地面气象站均一化风速月值数据集,采用线性回归等方法分析了1979-2014年中国2268个台站地面风速演变的时空特征。结果表明：中国地面风速总体呈显著下降趋势,年平均风速变化速率为-0.142 m/s/10 a;四个季节中春季平均风速下降趋势（-0.18 m/s/10 a）明显大于其他三个季节,其次依次为冬季（-0.135 m/s/10 a）、夏季（-0.13 m/s/10 a）及秋季（-0.129 m/s/10 a）;研究选取的台站中约82%的台站风速呈现下降趋势;划分的七个区域中,高原区和东北区风速下降趋势最明显,华北区下降趋势最小,但都通过了0.05显著性检验;中国地面风速在1980s下降趋势最显著（-0.235 m/s/10 a）,1990s下降趋势减缓（-0.112 m/s/10 a）,2000-2014年下降趋势最小,为-0.099 m/s/10 a;研究期间地面风速与地面气温呈显著负相关,表明近期中国气温变暖可能导致风速减弱。     

边界层方案对华北一次污染过程模拟的影响

采用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2 3种边界层参数化方案,利用WRF模式和空气质量模式CAMx对2015年11月11~15日发生在京津冀地区的一次污染过程进行了模拟,同时利用地面气象要素、风廓线、秒探空和空气质量观测数据对3种参数化方案下的模拟结果进行了验证对比.一种基于临界垂直湍流交换系数确定边界高度的方法被用于对比3种参数化方案之间垂直扩散能力的差异.结果表明,MYJ方案对10m风速高估最大（平均高估0.66m/s）,对2m温度和2m湿度低估最小,YSU和ACM2方案对地面气象要素的模拟效果相近;ACM2方案对于边界层内垂直廓线模拟效果优于YSU和MYJ方案,但是3种参数化方案对边界层内风速均存在高估（高估可达2.6m/s）;基于临界垂直湍流交换系数方法定义的边界层高度更能反映大气的垂直扩散能力,MYJ方案边界层高度最小,其模拟的PM_2.5浓度最高;MYJ方案对于地面风速的高估,会降低模拟的区域整体PM_2.5浓度,但是会增加风速较大区域下风向的PM_2.5浓度;ACM2方案对边界层垂直廓线模拟最好,夜间底层垂直湍流交换系数计算值较大,使得ACM2方案对于本次过程中PM_2.5等污染物的模拟优于MYJ和YSU方案.     

南京城市下垫面变化对夏季臭氧浓度的影响研究

利用南京基准地面气象站1951~2010年的气象数据分析南京气象要素的长期变化,利用2007年南京草场门大气污染物监测数据探讨O3同气象要素之间关系并分析气象要素改变对污染的可能影响,结合WRF-CALGRID模式基于2008年7月的情景模拟研究1990年代以后南京城市下垫面变化对气象要素变化的贡献,并分析其对O3浓度的影响.结果显示,南京气温呈现增长趋势,平均风速、大气湿度、日照时数呈现降低趋势.气温与O3浓度呈一定的正相关关系、较小的风速和相对湿度有利于O3的生成.城市下垫面的增加使得南京城区气温增高超过1℃、风速减小0.4m/s、湿度下降0.5g/kg、混合层高度增加100m.气象要素的改变使地面NOx浓度减小,最大减小量超过6×10-9.对O3浓度的影响有增有减,南京市北部、西部增加,增加量超过2×10-9,主要受温度增加、风速减小以及NO的垂直输送影响;主城区的南部、东部O3浓度减小,减少量1×10-9~3×10-9,主要受混合层高度增加的影响.     

基于无人机探空和数值模拟天津一次重污染过程分析

污染发生在边界层中,边界层热力和动力垂直结构对重污染天气形成有显著影响.本文基于无人机探空、地基遥感观测和数值模式,开展天津地区2019年1月10~15日重污染过程期间边界层垂直结构及污染成因分析,以期加强北方沿海城市边界层过程对重污染影响规律认知,提升重污染天气预报预警准确率.结果表明：大气温度层结对重污染天气形成、持续和消散有显著影响,此次过程伴随逆温层的发展和消散,PM_2.5高浓度区白天向大气上层发展,高度可达300 m以上,夜间向近地面压缩,高度在100 m左右;雾天气出现并在白天维持,改变了边界层垂直结构特征,雾顶逆温的持续存在抑制了污染物向大气上层扩散,使得白天湍流垂直混合过程贡献明显下降,导致近地面重污染天气维持和发展;过程期间区域输送贡献率为66.6%,边界层垂直结构与重污染天气区域输送密切相关,区域污染物输送高度主要出现在边界层顶部以及雾顶逆温层以上的大风速层处,且随着边界层和雾顶抬升高度的变化,通过下沉运动影响地面,形成北部弱高压天气控制下静稳天气区域输送;边界层垂直结构影响冷空气对空气质量的改善效果,S3阶段雾顶的强逆温导致冷空气无法通过湍流切应力传导到地面,在高低空存在明显的风速差,冷空气影响地面时间延后,作用减弱,重污染天气无法彻底缓解.     

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。     

1957-2009年黄土高原地区风速变化趋势

用88个气象站1957-2009年的月平均风速和最大风速日值资料,采用距平累积法、 5 a趋势滑动法、 Mann-Kendall趋势检验法等分析了黄土高原地区风速的变化趋势及其空间分异等特征。结果表明:①黄土高原地区1957-2009年多年平均风速为2.36 m/s,水蚀区、 水蚀风蚀交错区和风蚀区年均风速分别为2.36、 2.17、 2.60 m/s,年际变化倾向率分别为-0.008 4、 -0.009 4和-0.018 8 m·s^-1·a^-1,并均通过了0.001的极显著性检验。3个区域均是冬、 春季的平均风速对全年趋势演变贡献率较大,年均风速也均在1981年发生偏强转为偏弱的跃变,20世纪70年代以后平均风速逐渐减小。②黄土高原平均风速减少的主要原因是最大风速为5级或5级以上的发生日数减少。大风频率从1970年代至2000年代呈显著减少趋势,风蚀区减少幅度最大,减少了10%以上,水蚀风蚀交错区减少1%~5%,到2000年代,大多数站点的大风频率均降低为<2%。③水蚀风蚀交错区和风蚀区年均大风日数较多,而水蚀区和黄土高原西部地区年均大风日数较少。根据大风年均发生日数,将大风天气划分为大风天气较少区(年均大风日数<10 d)、 较多区(10~50 d)、 多发区(50~100 d)和频发区(>100 d)。大风较多区在黄土高原地区分布最广,其次是较少区,无频发区。70年代至90年代,风蚀区和水蚀风蚀交错区的站点大多为大风较多区,其中70年代中宁和包头为大风多发区;2000年代以后,大部分地区转为大风较少区。     

江西省山地风场风能资源储量及特征分析

论文利用数值模拟GIS空间分析法以及实测与野外勘察调研两种方法规划了江西省山地风能资源的具体分布并定量估算了其储量,此外,还利用山地2座测风塔资料,详细地分析了山地风能资源特性,结果表明:江西省高山地区风能资源呈沿山脉走向的线状分布或孤立山峰的点状分布,技术可开发量约为111×10⁴ kW,技术可开发面积约为136 km²,装机容量约为148×10⁴ kW。山地低层风速和风功率密度较大,随高度的增加略有增大,风切变指数很小,分别为0.017、0.098。山地风场风速和风功率密度日变化明显呈U型分布,正午前后风速最小,凌晨至清晨风速较大,最大风速与最小风速相差1~2 m/s;山地风场有两个接近相反的主导风向,集中在NW-N以及SSW-SSE扇区,对于风机机组布局较为有利。     

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。     

广州地区灰霾过程和清洁过程的边界层特征对比分析

利用2014~2016年广州国家基本气象站的微波辐射计、风廓线雷达和地面观测数据,研究广州地区灰霾过程和清洁过程的边界层结构特征.结果表明：（1）灰霾过程中,270m高度以下风速随高度递减,270m高度以上的风速随高度递增,2000m以下的风速增率小于2000m以上的风速增率,盛行风向随高度的增加呈顺时针旋转,510m高度以下风速基本小于3.0m/s,其中08：00至20：00,390m高度以下风速小于2.0m/s;清洁过程中510~1590m和2790~3000m存在风速大于5.0m/s的高值中心,1830m高度以下,清洁过程各层的平均风速明显高于灰霾过程;（2）贴地逆温与能见度总体上呈负相关,与PM_2.5浓度呈正相关,相关系数分别为-0.367和0.455,而当贴地逆温和低空逆温同时存在时,其相关性更高,其相关系数分别为-0.5和0.601,说明多层逆温的存在更容易出现灰霾天气.灰霾过程中,低空逆温与能见度和PM_2.5的相关不明显,而清洁过程中,低空逆温的出现主要与冷空气南下有关,其与能见度呈正相关（0.217）,和PM_2.5浓度呈负相关（-0.64）,低空逆温不利于灰霾天气形成;（3）灰霾过程中,贴地逆温出现频率为60.68%,平均逆温强度为1.38℃/100m,平均逆温厚度为153.20m,明显高于清洁过程;清洁过程中,低空逆温的逆温强度、厚度和出现频率分别为0.27℃/100m、691.07m和64.61%,明显高于灰霾过程.（4）清洁过程的混合层高度明显高于灰霾过程,清洁过程的日均混合层高度（958.92m）是灰霾过程（398.03m）的2.4倍.     

湖北省风能资源的高分辨率数值模拟试验

利用边界层模式CALMET耦合中尺度模式MM5对湖北省的风能资源分布特征进行数值模拟,得到水平分辨率1 km、 垂直高度10~150 m覆盖全省的风能资源分布。通过与测风塔对比发现,模式对九宫山7月、 11月的逐时有效风速的模拟相关系数分别为0.59、 0.57;受下垫面复杂地形的影响,10 m高度上的误差最大,50 m高度的模拟效果好于其他高度。70 m高度上数值模拟风速年均误差为7.21%,逐月平均风速误差范围在6.62%~7.30%之间。全省风能资源的总体分布特征是:中东部大于西部,西部的等值线相对凌乱且密集,冬、 春季风速、 风功率大于秋季,西部地区为风资源较贫乏地区。数值模拟结果虽然存在一定的误差,但模拟得到的风能资源分布趋势是符合本地区气候和地形特征变化规律的,可以作为制定区域风电发展规划的科学依据。在进行风电场选址时,对于误差大于平均水平的地区需要多布设测风塔。     

基于NLMSFD模式对风速分布规律的数值模拟——以山东威海风电场为例

针对风电场建设要求,论文利用非线性高分辨率数值模式NLMSFD尝试对山东荣成地区风资源进行评估。在试验区域内,分别选取两座测风塔不同高度上1年的月平均风速观测资料作为驱动值,利用模式对试验区的风速分布进行了模拟试验,获取了试验区100 m×100 m分辨率条件下风速一年四季的空间分布信息,并将模拟值与实测值对比,分析了模式在试验区地形及粗糙度条件下的模拟精度,评价了NLMSFD模式的可适用性。结果表明,模式的模拟结果基本能反映出月平均风速的时空变化规律,但两塔位置处模拟值与观测值的相对误差随高度和季节变化有所不同。从季节上看,模式的模拟结果在冬季较好,夏季误差稍大,春、秋次之;从高度上看,除10 m高度外,其它高度层的相对误差大多在10%以内。利用不同位置的观测资料驱动模式,模拟结果的精度也受影响。如利用远离海岸边的观测资料驱动模式要比近海观测资料驱动模式所得的模拟结果好;同时对于近海的测风塔,采用距地面位置较高的观测资料作为驱动值要比采用10 m高度的资料驱动模式的模拟精度好。这些结果说明NLMSFD模式在精细化风资源评估及风电场选址中具有一定的参考应用价值。     

环渤海区域风能资源WRF同化模拟及特征分析

利用WRF模式及其3DVAR同化模块,结合环渤海区域风能资源观测网测风塔观测数据,设计并构建了多种3DVAR 同化方案,用来提高环渤海区域风能资源数值模拟初始场质量。以2010 年4 月12 日至13 日一次大风过程为研究对象,利用该同化方案进行了一系列WRF数值模拟对比试验。选择较优的3DVAR同化方案对环渤海区域70 m高度风能资源进行了2009 年6 月1 日至2010 年5 月31 日一整年的数值模拟。模拟结果表明,较优的3DVAR同化方案能有效地改进区域风能资源数值模拟初始场质量,主要体现在模拟值与实测值更为接近,模拟效果得到显著改善。环渤海区域70 m高度年平均风速和年平均风功率密度呈现出南小北大的分布特征,渤海中部和北部风能较大,沿垂直于海岸线向内陆方向,风能参数急剧减小。