利用船载走航涡动相关资料分析北黄海海域大气湍流特征

利用船载涡动相关系统的走航观测资料,分析了北黄海海域大气边界层湍流特征,并初步讨论了走航观测方式的可行性。观测资料中,风速脉动功率谱有异常高值,经船体运动校正后可以去除。北黄海海域大气边界层中无量纲风速标准差与稳定度之间存在1/3次方关系;依据走航资料得到的拖曳系数与定点观测结果之间存在一定差异,但它们与风速之间的关系具有一致性。依据相似性理论并通过与定点观测结果的对比可见,走航观测方式能够获得海洋大气边界层的湍流特征,但走航观测资料在船体运动校正后出现低频功率谱值增大的现象,这可能与船体平移的低频变化未能被完全去除有关。     

大连海域近海面湍流结构及谱特征

利用黄海北部大连海域2009年10月—11月的近海面大气湍流观测资料,对湍流强度、方差相似关系、风速与温度分量谱及湍流通量协谱等进行了分析。结果表明:该海域在海风环境下湍流强度随着风速的增大逐渐减小,且强度均小于0.5;湍流方差相似关系基本上满足1/3定律,近中性环境下无量纲化三维风速方差主要受海滨地形的影响;各速度分量谱在惯性副区符合理论上的-2/3次幂规律,不稳定条件下由于湿度因素的影响,温度谱谱线在高频部分收缩较差,略有上翘;动量谱在惯性副区更接近-2/3幂率,感热谱在惯性区基本符合-4/3的分布,但是谱线分布与稳定度没有明显的规律性。     

黄渤海下垫面对爆发性气旋影响的数值模拟分析

利用天津WRF中尺度数值预报业务模式,对2013年11月24—25日一次爆发性气旋过程进行数值模拟,模拟方案分别为:控制实验(ctrl)、将整体黄渤海下垫面变为陆地实验(land)、将122°E以西的渤海海洋下垫面变为陆地实验(land-122)、将122°E以东到黄海中部的海洋下垫面变为陆地实验(land+122)。结果表明:将黄渤海海域全部转换成陆地后,气旋中心海平面气压场最大值升高5 hPa。10 m风场减弱最大值出现在气旋中心,可达19 m/s,下垫面对气旋的影响主要在强度和风力大小的变化。黄海海域风力减小普遍超过10 m/s。将122°E西部的渤海转换成陆地后,渤海海域风速最大值减小了12 m/s。黄海海域的气旋中心部分风力有微弱变化,气旋中心风力稍有增大,最大增加了4 m/s。将122°E东部的黄海转换成陆地后,海平面气压场的变化与land实验接近,10 m风场在黄海南部风力略高于land实验。     

黄海中部营养盐的贯跃层输运

黄海中部层化季节上下混合层的温差远高于其他近岸海区,温跃层较强,但通过湍流卷挟仍存在贯跃层物质输运。根据从能量平衡出发的混合层理论模型,计算了黄海中部上、下层的卷挟速度,根据3个航次调查资料,定量估计了层化季节贯跃层的营养盐输运。结果表明:下层黄海冷水团是真光层的营养盐储库,通过湍流卷挟夏季可带来15.9mgC·m-2·d-1的新生产,半个月之内它可以更新上层海洋的营养盐,与大气氮输入作用同量级,远大于大气磷输入;春秋两季贯跃层输入比大气氮输入更为重要,春秋季前者带来的新生产分别为初级生产力的21%和30%,而大气氮输入带来的新生产春季为初级生产的5.7%,秋季为初级生产的9.5%。在整个层化季节营养盐的贯跃层输运带来的新生产在整个初级生产中可能占有很大份额。秋末强风过程带来的强湍流卷挟,可在一周之内更新上层海洋的营养盐,并在风停后刺激上层初级生产的增加。     

春季华南沿海海-气边界层动力参数的观测研究

通过对珠江口海岸边近地面边界层的观测资料的研究,发现该海岸带春季大气层结呈中性或近中性状态,强稳定或者强不稳定天气过程较少;摩擦速度不仅和稳定度有关,而且随平均风速呈线性增加,地形引起的扰动对它的离散性影响较大;无因次风速方差满足相似规律并符合“1/3”次方定律,在中性或者近中性条件下,u,v,,w3个方向分量的相似函数为常数:3.06、2.56、1.33;湍流强度在风速达到4～6 m/s时最弱,且变化不明显,在自由对流状态(风速小于2m/s)时湍流发展最旺盛,风速大于6 m/s时随风速增大略有增加,水平分量比垂向分量的增幅明显;海面空气动力粗糙度在距离海面10 m高处风速为3.0 m/s时最小,其与风速成二次曲线关系;中性或近中性条件下拖曳系数平均值为1.180×10-3,与风速的关系在小于4 m/s和大于4 m/s时不同,且有不同的拟合关系式.     

南黄海营养盐的平面分布及横向输运

黄海对我国是颇为重要的陆架海区,也是世界上最典型的半封闭性陆架浅海之一。它和所有陆架海区一样,是人类活动、经济开发最为集中的地带,也是陆地、海洋、大气各种过程相互作用较为激烈的地带。     

低层大气季节变化及与黄海雾季的关系

根据2005～2006年青岛气象台逐日L波段探空雷达资料和地面观测资料,计算、分析了低层大气湍流混合高度、湍流混合强度和温度层结的季节变化,并分析了其与黄海海雾季节变化的关系.结果表明:温度层结、湍流强度和高度均有明显的季节变化,这些变化与海雾的季节变化密切关联.春、夏季节湍流强度较强,湍流混合高度相对较低,有利于近海面的凝结水汽在低空聚集而形成雾.雾季典型的层结结构是"上稳下湍",即:近地(海)面至150 m左右为条件性不稳定,其上方为大约400 m厚的稳定层.盛雾期稳定层的稳定性减弱,湍流强度加强.另外,黄海雾季由7月最盛到8月突然结束,与东海雾季逐渐结束明显不同.8月黄海终雾期迅速的原因与风向的突然转变有关.偏东风为整个黄海带来较冷的空气,使条件性不稳定发展,雾季终止.风向的突然转变与区域性海陆热性质差异和大尺度背景环流的调整有关.     

基于局地相似理论的蒸发波导计算方案及敏感性试验

蒸发波导是海洋环境中最常出现的异常大气折射结构,具有很高的利用价值.利用局地相似理论代替 Monin-Obukhov 相似理论来确定近地层温度、湿度垂直分布廓线,并借助热带海洋全球大气-海气耦合响应试验(TOGA COARE) 中提出的总体通量算法,对 Local 模式和 New 的推导过程和算法设计进行了详细的阐述和说明.通过比较不同模式的计算结果和敏感性试验发现,在较强逆温和低风速(强稳定层结) 条件下,除 P-J 模式外,基于 Monin-Obukhov 相似理论的蒸发波导模式计算的高度值均出现异常突变;而基于局地相似理论的 Local 模式能够有效抑制这种异常突变的现象,且与加入人为修正的 P-J 模式结果比较接近.New 模式集 Babin 模式与 Local 模式的优点于一身,应该说是目前理论上最为完善的模式.     

北黄海夏季温盐年际变化时空模态与气候响应

根据北黄海断面1976~2015年历年8月温度、盐度与长岛气候要素资料,采用旋转经验正交函数(REOF)、最大熵谱分析和延迟相关分析等方法,研究了北黄海断面夏季温度、盐度年际变化时空模态与气候响应.断面温度主要有4种时空模态:第一、二模态为海洋因素影响的年际变化分量,渤海断面夏季温度分量和7月太平洋年代际振荡(PDO)指数的线性与非线性作用是主要影响因素.第三、四模态为海洋与大气因素影响的年际变化分量,渤海断面夏季温度分量、断面冬季表层平均温度、7月风驱环流强度和5月PDO指数的线性和非线性作用是主要影响因素.断面盐度主要有4种时空模态:第一模态为海洋与大气因素影响的年际变化分量,渤海夏季盐度、夏季降水量及断面冬季表层盐度是主要影响因素;8月纬向风驱环流是次要影响因素.第二至四模态为大气因素影响的年际变化分量,7、8月风驱环流强度和夏季降水量是主要影响因素.北黄海夏季风驱环流分布是北黄海断面夏季温盐年际平均分布的主要影响因素.断面温盐垂直层结年际变化为准平衡态周期年际变化.北黄海断面冷水团月平均温度和面积为准平衡态周期年际变化,断面温度第三模态、断面冬季表层平均温度是断面冷水团月强度年际变化的主要影响因素,7月PDO指数是非线性影响因素.北黄海断面冷水团月平均盐度为显著线性低盐趋势周期年际变化,断面盐度的第一至三模态以及渤海断面夏季盐度分量的线性和非线性作用是冷水团月平均盐度年际变化的主要影响因素.北黄海断面夏季冷水团中平均温度、盐度的长期变化趋势是不同的,不存在长期稳定的比例关系.     

黄海、东海上空春季气溶胶光学特性观测分析

2003年春季国家卫星海洋应用中心等几家单位在黄海和东海海区进行了为期40 d的二类水体信息测量试验,试验中使用手持太阳辐射计对海区上空大气光学特性进行了观测,并获得了大量晴空天气条件下的大气光学数据.利用本次试验获取的测量数据得到了黄海、东海海区春季的大气气溶胶光学特性,其中包括气溶胶光学厚度和气溶胶粒子谱分布.采用Langley方法对测量得到的太阳直射辐射量进行处理得到了海区上空气溶胶光学厚度,利用得到的气溶胶光学厚度来反演气溶胶粒子谱分布.反演结果表明无云情况下黄海、东海上空的气溶胶光学厚度在0.2~0.4左右,且气溶胶粒子谱分布的变化趋势也很接近;海区上空霾层较厚时测量得到的气溶胶光学厚度明显增大,最大接近0.8;气溶胶粒子谱分布的变化趋势发生了明显的变化.     

Using Small Unmanned Aerial Vehicles for Turbulence Measurements in the Atmosphere

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - This paper demonstrates the possibility of using the telemetry of small unmanned aerial vehicles (UAVs) to monitor the state of atmospheric turbulence....     

Experience of Studying the Turbulent Structure of the Atmospheric Boundary Layer Using an Unmanned Aerial Vehicle

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - The growing relevance of the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) for studying turbulence in the atmospheric boundary layer (ABL) is associated with...     

Dissipation Rate of Turbulence in a Water Layer under Wind Waves Based on Data of a Laboratory Experiment

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - The aim of this work is to obtain estimates and parameterization of the dissipation rate of the turbulence kinetic energy (TKE dissipation), ε,...     

Relationship between Anomalies of the Rate of Snow Cover Formation in Western Siberia and Atmospheric Dynamics in the Northern Hemisphere in the Autumn–Winter Season

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - The relationship between the anomalies of the intensity of snow cover formation in Western Siberia (WS) and thermodynamic state of the atmosphere of...     

On Termodynamics of Kolmogorov’s Scaling in Turbulence

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - The model balance equation of turbulence is represented in the form of the first law of thermodynamics. The forms for entropy are derived with an...     

渤海湾北岸海陆风及湍流强度特征分析

利用渤海湾北岸祥云岛岸基站2017—2018年观测数据和两座梯度测风塔2011—2013年观测资料分别分析了当地海陆风和湍流强度特征,并重点对不同天气系统所致大风条件下的湍流强度特点做了剖析。结果表明:渤海湾北岸海陆风特征明显,昼夜风向主要由SSW向ENE转变,夏季昼夜风向转换尤为显著。整体而言,风速和湍流强度随高度增大分别呈增大、减小趋势,且近海面层湍流强度小于近地层湍流强度。湍流强度具有显著的季节性特征,夏季大、冬季小、春秋季变化不明显,且近海面层湍流强度相对近地层变化平缓。近海面层70 m及以下湍流强度在偏东大风条件下反而比近地层湍流强度大,雷雨大风期间近海面层和近地层均出现湍流强度随高度增大而增大、风速随高度增大而减小的特殊情况,台风靠近风塔时各层风速显著增大、湍流强度变化不明显,但台风中心到达时湍流强度迅速增至峰值,二者时间一致并早于风速最小值出现时间约1 h。近海面层和近地层有8%～10%样本的湍流强度超出了IEC-61400设计标准,建议渤海湾北岸风力发电风机抗湍流参数调整至0. 43～0. 49。     

Influence of Turbulence Intensity and Turbulence Length Scale on the Drag, Lift and Heat Transfer of A Circular Cylinder

Influence of the turbulence intensity and turbulence length scale on the hydrodynamic characteristics and heat transfer of a circular cylinder, streamlined by a viscous fluid flow, is numerically studied. We take the Reynolds number of the oncoming flow equal to 4×10⁴, the turbulence intensity Tu_f and the dimensionless turbulence length scale L_f varying from 1.0% to 40% and from 0.25 to 4.0, respectively. We confirmed that the increase of Tu_f leads to the suppression of the periodic vortex shedding from the cylinder surface, and as a result the stationary mode of streamlining is formed. Consequently, with the increasing turbulence intensity directly in front of the cylinder Tu^*, the amplitude of the lift coefficient decreases monotonically. Nevertheless, the time-averaged drag coefficient of the streamlined cylinder decreases at Tu^*<6.0%, and increases at Tu^*>9.0%. The dependence of the average Nusselt number on Tu^* is near-linear, and with the increasing turbulence intensity, the Nusselt number rises. However, the change of the average Nusselt number depending on L_f is non-monotonic and at L_f=1.0, the value reaches its maximum.     

Characteristics of oceanic mesoscale variabilities associated with the inverse kinetic energy cascade

Oceanic geostrophic turbulence theory predicts significant inverse kinetic energy(KE) cascades at scales larger than the energy injection wavelength. However, the characteristics of the mesoscale variabilities associated with the inverse KE cascade in the real oceans have not been clear enough up to now. To further examine this problem,we analyzed the spectral characteristics of the oceanic mesoscale motions over the scales of inverse KE cascades based on high-resolution gridded altimeter data. The applicability of the quasigeostrophic(QG) turbulence theory and the surface quasigeostrophic(SQG) turbulence theory in real oceans is further explored. The results show that the sea surface height(SSH) spectral slope is linearly related to the eddy-kinetic-energy(EKE) level with a high correlation coefficient value of 0.67. The findings also suggest that the QG turbulence theory is an appropriate dynamic framework at the edge of high-EKE regions and that the SQG theory is more suitable in tropical regions and low-EKE regions at mid-high latitudes. New anisotropic characteristics of the inverse KE cascade are also provided. These results indicate that the along-track spectrum used by previous studies cannot reveal the dynamics of the mesoscale variabilities well.     

Estimates of Turbulence Intensity and Power Density of an Asymmetric Tidal Current under Wind Forcing Variability

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - A high-frequency (1.2 MHz) four-beam Acoustic Doppler Current Profiler moored on the seabed has been used for direct turbulence measurements in a tidal...     

复式河道滩地植物对水流紊动结构影响的试验研究

利用室内变坡水槽,精细模拟了复式河道滩地不同植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)观测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了水质点三维相对紊动强度,分析了其变化特征,探讨了滩地不同种类植物对水流内部结构的影响。试验发现,滩地植物改变了复式河道水流内部结构,导致植物带内近床面处各个方向水流相对紊动强度明显减弱,横向因植物丛内阻力和流速变化引起的滩区壅水导致横比降增加,主槽相对紊动强度显著增强;植物淹没条件下水流相对紊动强度沿水深的分布明显存在转折点,此位置可以认为是滩地植物对水流影响的“第二边界”。