基于二阶矩闭合模式平衡解的海浪生湍流混合系数解析估计

从次小尺度海洋运动方程和运动近各向同性假定出发,本文给出高确定性的海洋湍流二阶矩闭合方程和特征量变化方程.这组方程描述波动、涡旋和环流等较大尺度运动对海洋湍流的剪切不稳定性生成机制.同时,基于海浪破碎是湍流海面生成主要机制的认识,本文按破碎海浪统计理论给出湍流特征量变化方程的海面边界条件,包括由破碎能量损耗和卷入深度分别确定的海面动能通量和动能耗散率.根据上层海洋湍流特征量方程的平衡解和关于动能耗散率的观测资料,本文得到海浪生湍流混合系数的解析估计.所得到的海浪生湍流动能耗散率与观测资料进行了定性与定量对比,混合系数与先前Prandtl混合长度理论估计的一致性检验.     

黄土高原复杂地形上边界层低空急流对近地层湍流的影响

利用中尺度气象数值模式（Weather Research and Forecasting Model,WRF）模拟风场,结合兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）湍流观测资料,分析了黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流对近地层湍流活动的影响.黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流的形成与地形作用引发的局地环流有关.低空急流对近地层湍流活动有强烈影响,剪切作用使小尺度湍涡活动加剧,湍动能增大,同时非平稳运动被压制.低空急流发生时,观测数据有87.3%是弱稳定情形（梯度理查森数小于0.25）;而无低空急流时,对应时段的观测表明65.4%属于强稳定层结（梯度理查森数大于0.3）,非平稳运动造成湍流功率谱在低频端迅速增大.与无低空急流和弱低空急流情形相比,强低空急流发生时,近地层湍动能增大1倍,湍动能在垂直方向上的传递增大1个量级,且方向向下,约为-3 × 10^-3 m³·s^-3,湍流在上层产生并向下传递.     

森林冠层和森林边界层大涡模拟

在采用各向异性湍流动能闭合方案和3阶Runge Kutta时间积分方案的大涡模式中,引入由森林冠层粗糙元造成的动量拖曳项、热量输入项和TKE耗散项,以模拟森林冠层和森林边界层的气象场. 通过中性和不稳定层结条件下不同叶面积指数算例的模拟分析及与已有观测结果的比较表明,本文所建大涡模式对森林冠层和森林边界层有较好的模拟效果. 进一步研究表明：不稳定层结条件下较稠密的森林冠层中特有的Kinking & Pairing湍涡结构与森林边界层中湍流的大涡运动相互作用,形成了森林冠层附近的温度斜坡型结构.     

青藏高原东南缘边界层对流与湍能结构特征

通过对青藏高原东南缘大理2008年3~8月大样本边界层铁塔观测系统超声和梯度资料、风廓线雷达和GPS探空资料的综合分析,研究发现高原东南缘湍能分量(湍流动能、切变项和浮力项)强弱依赖于下垫面植被的变化状况,且与局地稳定度特征及其动力、热力条件存在显著关系.近地层处于中性层结时,机械湍流较强,湍流动能主要贡献来源于切变项;当不稳定层结时大气湍流运动则以热力湍流为主,即浮力项较强,切变项较弱;在稳定层结时湍流发展呈间歇性特征,其中浮力项与切变项亦较弱,且湍流动能显著小于中性和不稳定状态.研究亦发现春季位于青藏高原大地形南坡的林芝站浮力项贡献显著大于高原大地形东南缘大理站,这反映了青藏高原南坡强对流活动过程中热力湍流的重要贡献,但位于高原东南缘山谷起伏、复杂地形区域的大理站近地层的机械湍流却显著大于高原南坡林芝站;从湍流-对流运动不同尺度相互作用视角,研究发现高原东南缘午时对流边界层CBL(Convective Boundary Layer)顶高可达1500~2500 m,边界层湍流动能、切变项、浮力项与对流边界层顶高、局地垂直运动均呈显著相关,且白天地面感热通量或浮力项的热力湍流作用对CBL发展高度亦有明显影响,而机械湍流的剪切作用影响却相对小;另外,近地层切变项机械湍流输送对垂直运动影响显著,尤其午前其对垂直运动影响高度可达2500~3000 m;春、夏季浮力项、切变项与垂直运动相关的日变化峰值均为大气层结显著不稳定阶段,尤其夏季层结不稳定背景下浮力项午后对垂直运动贡献显著.本文研究结论揭示出高原东南缘对流活动的湍能源驱动特征及其两者的相互作用.     

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.     

中层和热层大气的湍流结构

本文首先讨论了中层和热层大气湍流谱区的划分,发现对于同样尺度的湍流,在不同高度对应的谱区是不同的。随着高度的增加,愈向耗散区一端移动。其次,从理论上讨论和计算了不同高度的湍谱分布。最后,导出了湍流扩散系数的公式。湍流扩散对于高层大气成份的垂直分布有很大的影响。观测结果表明,并不是所有尺度的湍流对高层大气成份的垂直分布都发生影响,而是具有某一尺度的小尺度湍流起主要作用。我们引出了一个有效湍流尺度的概念,并从理论上计算了湍流扩散系数随高度的分布。结果与观测的氩和氦随高度的分布反推出来的湍流扩散系数相符合,同时也与ALADDN 1试验测量的结果相符合。     

南海北部深海潮汐的季节性变化特征

深海潮汐是深海混合过程的主要能量来源,对深海环流变异和沉积物搬运具有重要的调控作用.文章利用深水锚系观测系统在南海北部2100m水深处开展了近两年的高分辨率海流剖面观测,用于研究深海潮汐的季节性变化特征.通过谱分析显示,南海北部深海潮汐以全日潮为主,且在观测区域的深海中,全日潮和半日潮以垂向第一模态结构为主.斜压全日潮具有显著的季节性变化特征,夏季最强,深度平均的最大动能达86.7cm2s-2,分别是冬季的1.5倍、春秋季的2倍;而斜压半日潮没有明显的季节性变化.通过对比发现斜压全日潮的季节性变化受控于吕宋海峡附近的正压潮.另外,观测期间有三个强中尺度涡经过锚系站位,其中一个气旋式中尺度涡对深海海流影响较小,而另外两个反气旋式中尺度涡经过研究海域时可影响全水深海流,激发强亚惯性流,对深海潮汐产生边缘强化效应,并使深海斜压全日潮冬季的异相成分增强,占全日潮的85%.同时,中尺度涡对深海海水混合的增强弱化了海水层结,导致冬季的斜压全日潮流速减弱,低于夏季.南海北部深海潮汐季节性变化为研究深海盆沉积物在不同时间尺度上的分布及搬运过程提供了重要的动力机制.     

东沙海域内孤立波浅化过程及含圈闭涡核内孤立波的反射地震初探

基于地震海洋学数据,通过叠合波形结构与混合参数空间分布,可以较好地分析内孤立波浅化过程与能量耗散、混合增强的关系.在东沙海域的一条地震剖面上,我们观测到了上陆坡深水区(500～1000 m)、浅水区(300～400 m)两个内孤立波波包,有着明显不同的波形特征.浅水区的内孤立波包的3个内孤立波波形复杂,在波核内部呈现杂乱反射特征,可能是含圈闭涡核的内孤立波,估算的耗散率、扩散率分别达O(10^-5)W·kg^-1、O(10^-2.5)m²·s^-1.该内孤立波包前方,则存在一个第二模态内孤立波.深水区内孤立波包虽然波形相对简单,但诱导的湍流混合强度也较强,形成了内孤立波发育区、陆坡上方厚度达200 m的高耗散率、扩散率区带.在东沙海域上陆坡的深水区、浅水区,内孤立波持续耗散能量,增强了湍流混合.     

不同垂向分布特征的垂直黏性系数对经典定常Ekman螺旋结构的影响

经典定常Ekman螺旋结构的表面漂流应该在南北半球分别沿风向右偏和左偏45°,而已有观测和研究结果表明:在北极和高纬度海域,表面流相对海面风向的偏角小于45°;在大洋低纬度海域,该偏角大于45°.针对该现象,本文设计了理想化数值实验,研究了不同垂向分布特征的垂直黏性系数对经典定常Ekman螺旋结构的影响,结果显示:垂直黏性系数的垂向分布特征对Ekman螺旋结构影响显著,当垂直黏性系数随深度增加而减小时,表面流偏角大于45°;当垂直黏性系数随深度增加而增大时,表面流偏角小于45°;观测到的低纬度海域与极区表面流偏角的不同应该主要由海洋上层垂直黏性系数的不同垂向分布特征产生;螺旋扁平度不等于常数1,但无明显的变化规律;体积输运的大小和方向与经典Ekman理论结果一致,不受垂直黏性系数分布的影响.     

层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎

采用高精度的拟谱方法,数值模拟了层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程.在演变过程中,导致内波破碎的PSI不稳定机制在共振相互作用中逐渐占据主导地位,能量从初级波向低频、高波数运动缓慢传递并形成一次级波包,随即破碎发生.破碎后产生的层化湍流引起的强烈混合以及湍流间歇性可从总能量和涡度峰度随时间的变化趋势看出.我们分析了层化湍流的一些统计特性,包括动能和有效位能沿垂向波数ky的功率谱.结果表明,动能和有效位能谱都存在一个谱段满足k-3y律,且分别可表示为01N4k-3y和02N4k-3y(N为Brunt Visl频率),通常称其为浮力子区.另外,我们分析了Cox数(湍流扩散系数与分子扩散系数之比),在层化湍流维持在一定强度时,计算结果和由海洋内区观测(远离内波强生成源和复杂地形)所推测的结论较为吻合.     

森林冠层上下湍流谱结构和耗散率

利用新型三维超声风速 /温度仪 ,根据在长白山原始森林冠层上下两个高度上测量的湍流资料 ,采用涡动相关法计算和分析了森林冠层上下湍流谱的结构、局地各向同性和耗散率 .结果表明 ,在惯性副区 ,归一化湍流谱遵从 - 23的指数规律 ;在森林冠层上 ,尽管谱的形状与均匀表面的一致 ,但是 ,大气湍流是非各向同性的 ;而在森林冠层内则是近似各向同性的 ;森林冠层上下湍流能量和热量耗散率比典型草原和牧场的结果大 ,揭示了森林粗糙表面在湍流输送过程中的动力扰动和对大涡的破碎作用     

复杂地形条件下森林植被湍流通量测定分析

作为中国陆地生态系统通量观测网络(ChinaFLUX)的组成部分,利用涡度相关技术对千烟洲红壤丘陵区亚热带人工针叶林2倍和3倍冠层高度CO2等湍流通量进行了长期观测.采用谱分析、方差相似性关系和能量平衡闭合分析3种测试手段对2003年千烟洲人工林两个高度的湍流通量测定数据质量进行了分析.研究结果表明:(ⅰ)两个测定高度的三维风速,CO2,H2O和温度的功率谱在惯性子区内基本符合-2/3定律,而CO2,H2O和温度与垂直风速的协谱在惯性子区内也基本符合-4/3定律.谱分析表明大尺度运动对物质和能量传输的贡献随测定高度的增加而增加,也表明不同高度的涡度相关系统对高频信号的响应能力是满足观测要求的.(ⅱ)根据莫宁-奥布霍夫相似理论的分析表明,两个高度的垂直风速和温度归一化的方差都是大气稳定度的普适函数.夜间垂直风速的归一化方差与莫宁-奥布霍夫相似函数预测值的偏离和低估量是摩擦风速的函数.千烟洲人工林夜间湍流通量测定适宜的摩擦风速界限值应该为0.2~0.3ms?1,保证涡度相关测定处于较强湍流条件下,排除或降低非湍流通量成分的影响.(ⅲ)当摩擦风速大于界限值时,千烟洲人工林能量平衡闭合程度可以达到大约72%~81%左右,与文献报道的10%~30%不闭合度是相一致的.影响能量平衡的因素多,包括对通量测定有影响的     

波浪破碎卷入气泡的泡径分布理论模型

借助相似性定理推导出波浪破碎形成的气泡总数与气体体积卷入率、湍流能谱密度以及表面张力之间的关系, 得出泡径谱的指数为-2.5+n_d, 其中n_d取决于湍流能谱在黏性耗散区的分布. 利用引入的两个破碎统计量, 进一步导出了破碎过程中的气体体积卷入率Q的表达式, 建立了泡径谱与波浪要素的联系. 在此基础上, 利用观测结果提出两点假设, 并据此将泡径谱N(a)推广为随泡径和深度的分布函数N(a, z).     

森林下垫面大气环境多尺度模拟研究

植被是重要的城市地表覆盖类型之一,它通过蒸散降温和阻挡强冷空气,对城市风温湿大气微环境和污染物扩散特征会产生显著影响.准确预测植被环境流动和标量输运特性,理解植被与大气之间湍流交换过程,对城市环境改善具有重要意义.文章建立和发展了适用于森林植被环境湍流流动和标量场演化仿真计算的大涡模拟方法,将中尺度气象预报模式与微尺度精细大涡模拟方法耦合,利用地表能量平衡关系考虑大气辐射等多物理过程,研究了典型天气条件下复杂森林下垫面大气流动问题.通过考察不同大气稳定度条件下森林植被环境流动发现,在不稳定和稳定大气情况,浮力分别起到增强和抑制大气湍流混合作用,风切变也相应减小和增加.在北京奥林匹克森林公园的多尺度模拟试验中,通过与外场观测结果比较,文章验证了耦合模型可以较好地模拟城市复杂地表上空风速、温度和相对湿度的日变化.尤其是对于风场的模拟,耦合方案明显优于传统中尺度数值模拟,这主要是由于耦合方案既考虑了外部中尺度流动的影响,又通过降尺度方法可以精细分辨城市非均匀地表粗糙元素分布,从而较为精确的复现了城市粗糙子层内复杂大气流动和湍流通量输运.     

台湾海峡中部障碍层日变化及其局地反馈

利用“延平2号”科学调查船于2005年6月下旬在台湾海峡中部（119．2°E,24．3°N）实施的定点连续观测资料,研究了夏季风期间障碍层的日变化过程及其局地反馈特征．障碍层开始形成时,由于非太阳辐射局限于上混合层,而太阳辐射可以穿透混合层底直至温跃层,导致障碍层内累积了最多热能,形成逆温层．随着障碍层内部热量的不断累积,障碍层与上混合层之间的热交换过程逐渐增强,上混合层显著增暖。此外,障碍层对应浮力频率极小值区,具有较弱的层结稳定性;针对海气通量的分析表明障碍层造成了显著的局地感热、潜热通量异常．进一步分析表明,海表风搅拌产生的湍动能在向下传输过程中,次盐跃层和温跃层构成了两个界面,大部分湍动能被较浅的盐度层结阻挡,限制在混合层以上,部分穿透混合层底的湍动能再次被温跃层阻挡,障碍层对应湍动能的薄弱区．     

边界层参数化方案对边界层热力和动力结构特征影响的比较

本文利用高分辨率中尺度WRF模式,通过改变边界层参数化方案进行多组试验,评估该模式对美国北部森林地区边界层结构的模拟能力,同时比较了五种不同边界层参数化方案模拟得出的边界层热力和动力结构.结果表明：除个别方案外,配合不同边界层方案的WRF模式都能成功模拟出白天对流边界层强湍流混合特征和夜间稳定边界层内强逆温、逆湿和低空急流等热力和动力结构.非局地YSU、ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹,相比于局地MYJ、UW方案,模拟的对流边界层温度更高、湿度更低、混合层高度更高、感热通量更大,更接近实际观测,这表明在不稳定层结下考虑非局地大涡输送更为合理,但局地方案在风速和风向的预报上存在一定优势.TEMF方案得到的白天局地湍流混合强度为所有方案中最弱,混合层难以发展,无法体现对流边界层内气象要素垂直分布均匀的特点.对于夜间稳定边界层的模拟,不同参数化方案之间的差异较小,但是YSU方案在一定程度上高估了机械湍流,导致局地湍流混合偏强,从而影响了其对稳定边界层的模拟能力.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

太湖湍流动能耗散率的廓线分布及其可能机制

湍流不仅是导致物质、动量等在水-气交界面的交换、水柱内部输送的关键过程,也是促进浅水湖泊中底泥再悬浮及水生生态系统演变的驱动力;其中湍流动能耗散率（ε）不仅是描述湍流动能变化的关键物理量,也是刻画水体中湍流产生机制的关键过程.基于2017年10月29日-11月2日位于太湖梅梁湾采集的高频三维流速廓线和水温廓线观测资料,结合东山气象站同期的风场和辐射等气象资料,探讨太湖中ε的分布特征及其变化的可能机制.结果表明,0.7 m深度以下水平方向上ε介于10^-8~10^-7 m²/s³之间,比垂直方向大一个数量级左右.尽管大型浅水湖泊几何深度浅,但其ε的深度廓线依然存在典型的3层：ε随深度递减的风浪直接作用层,深度从水面至1.0 m左右;ε基本不随深度变化的常数层,分布区间为水深1.0~1.9 m;随后是ε随深度递减的底边界混合层.热力分层的强弱（垂向温差）、位置对常数层和底部边界中ε的贡献显著,甚至造成ε的常数层起始深度下移.本研究有利于进一步理解大型浅水湖泊的动力学过程及其对水生生态系统演变的驱动效应.     

旋转变径管内螺旋流相干结构的大涡模拟研究

旋转管式分离设备的主分离段一般为变径管结构,针对其内部螺旋流的研究主要集中在平均统计量的分布规律上,缺乏从流动结构角度的描述。本文采用大涡模拟方法对不同旋转条件下变径管内螺旋流开展数值模拟研究,分别以Q准则与基于SVD方法的POD分解法,对数值计算的速度场进行了分析。Q准则等值面显示,螺旋涡从大锥段开始发生破碎,旋转效应能够减弱外涡流区的漩涡强度;POD分解重构后脉动速度场显示,脉动速度场的1阶模态为主模态,包含了湍流的大部分能量,5阶模态之后的流动为由小尺度涡构成的复杂湍动结构。旋转效应抑制了径向涡,促进了轴向涡。从流场结构的角度而言,旋转效应对分离起到了积极的作用。