湍流频散对边界层风廓线的影响

应用包括湍流粘性和频散的新的Reynolds平均动量方程，分析了边界层的垂直风速廓线，发现包含湍流频散的地面层的风速廓线对经典的风廓线指数规律有一个对数规律的修改；而且在不稳定层结下比在稳定层结下，湍流的频散效应更为显；在中性条件下，指数规律退化为对数规律并且Karman常数被另外一个常数所代替，而这个新常数也可以通过相似理论来获得。     

山地边界层中场变量的动力学研究

采用与实测较接近的二次函数来表达Ｅｋｍａｎ层中的湍流粘性系数Ｋ，在圆形气压场条件下，求得了山地上空边界层中的风速，进而求得散度、涡度和垂直速度等场变量随高度的分布。并作图分析了这些场变量的一些动力学特征。改进了以往在求解析解时，略去运动方程中湍流粘性力项中的关于高度的一阶导数项，以及取山坡面上风速为零作下边界条件等欠合理欠精确的做法。所求得的风速、散度、涡度和垂直速度均用简单的初等函数表示出来，有助于边界层参数化和深化对边界层动力学的认识。     

大气边界层湍流温度序列的信息熵分析

利用大气边界层内近地面的大气湍流温度时间序列，运用功率谱分析、信息熵分析等方法，分析了大气边界层内近地面的大气湍流特点，并对稳定层和不稳定层的大气湍流进行了对比。结果表明，信息熵和功率谱指数是区别稳定层结和不稳定层结大气边界层湍流特征的指标，对造成两者之间的差别做出了对应的解释。     

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响.模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变.在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大.城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大.     

北京地区严重污染物状况下的大气边界层结构与参数研究

利用北京３２５ ｍ 铁塔资料对出现在１９９８ 年９ 月２６～３０ 日的一次严重污染过程的边界层结构和决定大气污染物扩散稀释的边界层参数作了分析和研究。分析发现, 这段时间边界层稳定层结占绝大多数, 白天在近地面的不稳定层结上还时有逆温盖, 另外在此期间风速较小。利用此资料还得到了北京严重污染状况下决定边界层湍流的一套基本物理参数     

频散效应对近地面层风速廓线的影响

应用含湍流频散效应的近地面层的运动方程求解了不同层结下的风速廓线，着重分析了湍流频散效应对近地面层平稳运动的影响。分析指出：湍流的频散效应对经典的幂律廓线一对数修正，该修正在不稳定层结时比稳定层时明显；利用相似理论也得到了该常数。     

人为热对城市边界层结构影响研究

为研究不同人为热源引入方案对城市边界层结构模拟性能的影响，以杭州地区为例，在区域边界层模式（RBLM）中引入一种新人为热源处理方案，即对城市中的人为热排放分层考虑，将低层的人为热源加入地表能量平衡方程，将高层人为热源分布与建筑物高度和密度联系起来，加入热量方程中，同时考虑了人为热源强度的日变化。数值试验结果表明，这是一种比较合理的处理方案。人为热源引入方案对城市边界层结构的影响表现在:气温、湍流动能增加，并通过湍流交换输送到较高层大气；大气不稳定度增加，混合层高度最高抬升了400 m；城市地区上升速度增加，热岛环流加强；白天人为热源一般为太阳辐射的10%～20%，对地气交换的影响较小。夜间没有了太阳辐射能量，对地气交换的影响比日间更明显；冬季低层湍流活动加强，湍能约增加40%，大气层结稳定度降低。     

下垫面对大连低层高空风速分布的影响

本文利用大连1955年气球测风原始记录,根據11∶00和23∶00从海上来的风和从陆上来的风进行分类,得出四种情况下大连低层高空的风速随高度的分布.假定湍流系数K=(a-bz)~2,对不同情况 a,b 取适当的数值;并且考虑适当的热成风,则由理论算得的风速廓线和实现观测的平均风速分布相当符合.因此本文给出不同温度层结不同下热面影响下的风速分布以及湍流系数 K 随高度的改变情形.     

基于天津255m气象塔对近年天津近地面风和气温变化特征的研究

通过分析2010—2018年天津气象塔风、温度资料,对近年来天津城市边界层粗糙度、大气稳定度和逆温特征进行研究。结果表明:随着城市发展,气象塔周边各方向粗糙度和零平面位移明显增高,气象塔周边建筑物对80 m高度以下风场的影响较为明显。受湍流强度日变化影响,各季节中气象塔高层和低层风速日变化特征差异明显。通过温差-风速法计算大气稳定度发现稳定类层结多出现在秋冬季的夜间,稳定层结条件下逆温情况多发,其逆温强度、逆温层厚度和贴地逆温比例也明显高于不稳定和中性层结。天津城市热岛强度的时间分布表现出夜间强于白天,秋冬季强于春夏季的特征。城市热岛强度与大气稳定度时间分布具有一定相关性。     

非线性多层行星边界层风场

本文利用小参数展开法研究非线性行星边界层,将其分为近地层和Ekman层,而Ekman层又分为若干层。在近地层中,取湍流粘性系数K为高度的线性函数;在Ekman层中,取K为逼近O′Brien[1]公式的分段常数。利用上下边界条件和分层界面上由风速连续和粘性应力连续而列出的衔接条件,求得了各层的风速和边界层顶的垂直速度的解析表达式,并计算和作图分析了特定的圆形轴对称气旋和反气旋的个例,得到了一些新的结论。例如,边界层中风速与其顶部风速的最大夹角远小于Wut的结果,只有25°左右,而近地层风速却远大于Wu的结果,50米处即可达地转风的一半左右。这些都与实测更趋于一致。再者,此个例还表明,Wu所得到的关于摩擦作用造成的边界层顶垂直速度在中心处达最大值,而我们得到的却是零,这与近中心处地转风很小,使边界层顶风速很小,因而风速切变很小,摩擦作用便很微弱的结论是一致的。由此可见,边界层中的风分布对湍流粘性系数是敏感的。     

二阶闭合模式在污染气象学中的某些应用

本文采用二阶闭合的湍流边界层模式,进行一系列数值试验以模拟边界层中连续线源的扩散状况。试验表明:无论在稳定的或不稳定的边界层中,高源的扩散能力都低于低源;在稳定层中,粗糙地表上的大气扩散能力高于光滑表面;在相同风速和地表净辐射情况下,粗糙表面上的大气扩散能力反而低于光滑表面;对流边界层中存在反梯度输送,因而K理论的应用受到限制。试验还表明,修正的Kazanski-Monin参数可能比Monin-Obukhov长度更能反映大气的扩散能力。     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

南京市冬季市区和郊区晴天大气边界层结构对比分析

应用２００８年１２月２４—３１日南京市区和郊区同步大气边界层观测资料,对晴天大气边界层结构进行对比分析．结果表明：南京地区冬季晴天,市区近地面层气温高于江北郊区近地面层的气温,市区热岛效应明显,且热岛强度夜间大于白天;市区逆温出现的时间滞后于郊区,逆温层高度也大于郊区．夜间,市、郊区风速随高度不断增大,并在一定的高度出现一个８ｍ／ｓ的极值中心．市区空气相对干燥．通过典型日分析,市区１４：００干岛效应显著,相同高度上相对湿度一直低于郊区．在市、郊区近地面层中,愈近地面风速愈小;近地面层中白天风速最大,夜间最小;白天,大气层不 稳定,湍流混合作用强,上下层风速的差别趋于减小．市区风速在低层受建筑物影响,相同高度上小于郊区风速．     

夜间近地面稳定边界层湍流间歇与增温

在夜间晴空条件下，近地面大气湍流表现出很强的间歇性，这种间歇现象导致夜间气温短时的急剧下降，随后大幅度增温。近地面大幅度增温表明此时存在着很大的湍流热通量散度，常通量层的概念这时不存在。从各高度层温度和风速变化的曲线上分析，我们发现湍流大多在距离地面较高一点的高度上发生发展，然后向下层传递，尽管上层的湍流可能是由于下层的某一触发机制向上传递而引起的。湍流偶尔也出现自下向上传递的过程，但这一过程较少发生。湍流的这种上下传递说明稳定边界层大气经常处于非平衡状态，在运用相似理论研究稳定边界层大气结构时要特别注意这一情形。     

山谷地形流场和扩散的数值研究

运用三维非表力E－ε闭合模式，模拟了山体和山谷地形下的流场、湍流场和不同位置低矮点源扩散的污染物浓度分布。发现在不稳定时湍能的热力产生率并非在任何位置都是主要的。当风速较大时，在山谷底部机械产生率也可能超过热力产生率。对污染扩散的分析表明：在近地面源条件下，稳定层结时如果出现小风，无论源在何处，都人造成一定范围内的严重污染，当污染源位于山前或山顶时，谷底的污染不剧烈。当污染源位于谷底时，无论何种层结、何种来流风速，都会造成山谷地区的严重污染。污染源位于山体沿来流方向的中心线上的谷底时，如果风速大，污染物沿回流输送；如果风速小，则沿来流方向输送。     

稳定大气边界层的湍流结构和相似律

本文从包括辐射影响在内的大气边界层模式出发,求解了稳定层结条件下湍流热通量和湍流应力的垂直廓线。另外,引入湍流的局地尺度L(z)、u_＊(z)和θ_＊(z),各湍流量的局地尺度可以表示成z/L(z)的函数,由此可将相似理论推广到全边界层应用,相似律的预告和观测资料很一致。     

多模式对美国中部草原大气边界层模拟的对比分析

利用DICE试验的4个大气模式(UM、GEM、LMD和WRF)模拟结果,结合探空资料,对比分析了不同模式对1999年10月23—26日美国中部草原白天对流边界层和夜间稳定边界层的模拟效果。结果表明:对于白天对流边界层,不同模式之间存在明显差异,这与各自的边界层参数化方案密切相关。其中,UM和LMD模式中,边界层和自由大气之间强的卷夹作用导致了偏强的湍流混合,进而使模拟的混合层高度高于观测值;GEM模式模拟的白天湍流混合偏弱,边界层为不稳定的大气层结,且模拟的风速在边界层中随高度基本呈递增趋势,但与观测值差异较大;所有模式中WRF模式模拟效果最佳,成功模拟出24日边界层与自由大气之间的水汽干层和低风速区。对于夜间稳定边界层,不同模式之间差异较小。其中,UM和GEM模式模拟的24、25日夜间低空急流偏弱,而LMD和WRF模式模拟的夜间低空急流更接近实况。     

湍流的频散效应对行星边界层大气平衡运动的影响

本文应用包含湍流粘性和湍流频散效应的新的Reynolds平均运动方程求解了行星边界层中大气的平衡运动,着重分析了湍流频散效应对平衡运动的影响。分析指出:(1)考虑了湍流频散效应后,在γ>0时,Ekman层风速随高度的变化减缓,而Ekman层厚度增大,新的Ekman螺线更加附会于实际;(2)考虑了湍流频散效应后,近地面层中性层结下的风速随高度变化仍呈对数定律,只是Karman常数     

Monte-Carlo 法模拟复杂地形对扩散的影响

不考虑边界层中层结作用，引入Kao得到的复杂地形中的平均流场分布和近十年来PBL实验和理论研究导出的新的湍流统计量参数化关系，本文用Monte-Carlo模式模拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明:地形的影响主要是迎风坡抬升和背风坡下沉；陡峭地形和平缓地形的影响不完全相同；在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能够形成空腔区，空腔区内出现闭合的浓度中心，且地形越陡峭，闭合浓度中心的范围越大；大地形对扩散的影响可以掩盖其下风方小地形的影响。     

Monte—Carlo法模拟复杂地形对扩散的影响

不考虑边界层中层结作用，引入Ｋａｏ得到的复杂地形中的平均流场分布和近十年来ＰＢＬ实验和理论研究导出的新的湍流统计量参数化关系，本文用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ模式模拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明：地形的影响主要是迎风坡抬升和背风坡下沉；陡峭地形和平缓地形的影响不完全相同；在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能够形成空腔区，空腔区内出现闭合的浓度中心，且地形越陡峭，闭合浓度中心的范围越大；大地形对扩散的