线性热力学对大气系统的应用(I)大气系统的线性唯象关系和热力学性质(英文)

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制,能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系,从理论上证明大气系统热量湍流输送同水汽之间存在交叉耦合,还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系,从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理,不可压缩气体和各向同性湍流大气中,湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理,位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动,速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System.Part Ⅱ: Exemplification of Linear Phenomenological Relations in the Atmospheric System

将边界层相似性理论同线性热力学理论结合，间接地以观测实验事实证明大气边界层内线性唯象关系是成立的，而且线性湍流输送系数同相应的线性唯象系数成正比关系。但实验事实表明，大涡对流的混合层线性唯象系数成正比关系。但实验事实表明，大涡对流的混合层线性唯象关系是不成立的，混合层内湍流输送过程是一种强的非线性过程。所以，对流边界层是一种远离平衡态非线性区的热力学状态。地转风和热成风是一种大气系统特有的动力过程和热力过程和交叉耦合现象，这是大气系统交叉耦合现象的一个实际例证。     

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。     

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出：由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。     

大气湍流的非线性动力学参量与其经典统计量之关系

本文利用大气边界层近地层中观测得的风和温度时间序列讨论计算了湍流的非线性动力学统计参量与其经典统计量的关系。初步结果表明:当层结稳定参数z/L处于-0.7相似文献   

由声雷达回波反演湍流场结构系数

定量测量声雷达回波强度可以导出大气温度结构系数（Ct 2）和速度结构系数（Cv2）。文章简要回顾和评述了过去的工作，并讨论了逾量衰减、风和湍流等因素对该测量的影响。研究表明:逾量衰减主要是由速度场的不均匀性所造成。其次，风场也有不可忽视的衰减作用，在风速达10 m/s时，引起的衰减达50%以上。最后给出了改进后的声雷达方程和反演Ct2和Cv2的方法。初步的试验结果对理论的应用是支持的。     

二维单个涡旋的动力学分析

通过对大气流场在奇点处作速度场分解,确定雅可比矩阵特征值与大气运动形式之间的关系,以分析二维气旋、反气旋流场的特性,进一步了解实际二维大气的单个涡旋形态的动力学特性和形成机制。研究认为,任意水平速度场均可分解为线性的含有涡度场（与反对称矩阵对应）和变形场（与对称矩阵对应）的形式。高层地转平衡的高（低）压系统,奇点附近只有负（正）涡度场而无变形场,在天气图上表现为只有顺（逆）时针旋转的闭合涡旋。低层考虑摩擦的高（低）压系统,奇点附近不仅有负（正）涡度场,还有变形场。也就是说,在北半球高压不仅有顺时针旋转气流,还有向外的辐散气流;低压不仅有逆时针旋转气流,还有辐合气流。     

相对垂直加速度和中尺度大气运动方程组

对具有强对流性质的中尺度系统运动的描写，直接采用包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组是不精确又不合理的。因此，必须发展更精确的非静力中尺度大气运动方程组。本文通过引入相对垂直加速度δ和通用(x，y，ζ，t)坐标系(简称ζ坐标系).导出了ζ坐标系中的非静力大气运动方程组。该方程组的垂直运动方程是非静力的，相对垂直加速度δ是可预报的；垂直加速度可由δ直接求得；而δ既直接影响速度场、位势场、质量场和地面气压场，还间接影响温度场。通过对通用ζ坐标系中非静力大气运动方程组的应用，可以很容易地获得p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的非静力大气运动方程组；当δ为零时，则简化为一般包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的大气运动方程组。在一般广泛使用的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组中，因未考虑δ的贡献，对一些场的预报就会产生误差，较长时间的数值积分会使这种误差积累愈来愈大。显然，新发展的非静力大气运动方程组考虑了δ的贡献，从而消除了这种误差，所以就更为精确，也更适用于对中尺度系统运动的描写和预报。     

对边界层湍流系数日变化的探讨

本文根据摩擦平衡方程,导出了湍流交换系数K(z)的表达式,然后借助于K(z)的有限差分式,直接应用双经纬仪实测风资料,计算了该地Ekman层中湍流交换系数K(z)。计算和分析的结果如下:(1)Ekman层中的湍流交换系数具有显著的日变化特征,日变曲线的基本形式呈双峰双谷型,就整个Ekman层的平均而言,K的平均扰动值约为K的四倍。(2)K的日变规律同气温、位温变化的平均趋势基本一致。(3)K的日变程同风速的涨落有关,例如,黄昏显著的风速涨落,对应于K廊线的特定日变程。其中特别有趣的是:夜间平均风速的变化同平均K的变化趋势完全一致,但二者在白天的变化趋势恰恰相反。这种根据实溅风资料得到的微妙关系,客观地揭示出Ekman层中风速日变化的物理本质,那就是湍流混合强度的日变化。本文还给出了若干个典型的实例。      

与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析

在动力气象理论方面，无论大尺度、中尺度还是小尺度大气运动，对于同一尺度之内大气运动演变机制，有着相当完美的讨论。然而，对于不同尺度天气系统之间转换演变机制讨论，即使因为它与天气系统的出现和发展密切相关而显得非常重要，却很少涉及。为了讨论这个重要的转换演变机制，在导出无粘滞非均匀饱和湿位涡（NUSMPV）方程的基础上，首先，通过对这方程进行数理分析证明：在非均匀饱和湿绝热大气运动中，干区和饱和区之间的不饱和区的NUSMPV是不守恒的，并进一步证明：只在次饱和区（0．78〈q/q1〈1），NUSMPV不守恒才是明显的，而在其它不饱和区，NUSMPV是接近守恒的。接着，根据守恒的相对性原理，通过NUSMPV无因次形式的讨论，把大气运动分成三类，即NUSMPV守恒，准守恒和不守恒运动。然后用数理分析方法讨论了各类运动的出现条件，时空之间关系，物理机制和一些特征。最后分析了不同尺度之间天气系统的转换机制，指出：当与狭义NUSMPV（P0）有关的涡管项（A）和非绝热加热项（B）之间的动力不平衡（A＋B）／P0减少，以至NUSMPV守恒条件满足时，大气运动将主要通过非常快的频散适应过程继续失去不平衡能量，从较小尺度向较大尺度转换；而当（A＋B）／P0增加，以至NUSMPV不守恒条件满足时，大气运动将主要通过非常快的外源激发过程，而从较大尺度向较小尺度转换。无论上述两种转换过程是那一种，一旦产生都将持续进行，直至大气运动重新回到NUSMPV准守恒运动状态。     

The influence of convergence movement on turbulent transportation in the atmospheric boundary layer

Classical turbulent K closure theory of the atmospheric boundary layer assumes that the vertical turbulent transport flux of any macroscopic quantity is equivalent to that quantity‘s vertical gradient transport flux. But a cross coupling between the thermodynamic processes and the dynamic processes in the atmospheric system is demonstrated based on the Curier-Prigogine principle of cross coupling of linear thermodynamics. The vertical turbulent transportation of energy and substance in the atmospheric boundary layer is related not only to their macroscopic gradient but also to the convergence and the di-vergence movement. The transportation of the convergence or divergence movement is important for the atmospheric boundary layer of the heterogeneous underlying surface and the convection boundary layer.Based on this, the turbulent transportation in the atmospheric boundary layer, the energy budget of the heterogeneous underlying surface and the convection boundary layer, and the boundary layer parameteri-zation of land surface processes over the heterogeneous underlying surface are studied. This research offers clues not only for establishing the atmospheric boundary layer theory about the heterogeneous underlying surface, but also for overcoming the difficulties encountered recently in the application of the atmospheric boundary layer theory.     

Scale effects in wind tunnel modeling of an urban atmospheric boundary layer

Precise urban atmospheric boundary layer (ABL) wind tunnel simulations are essential for a wide variety of atmospheric studies in built-up environments including wind loading of structures and air pollutant dispersion. One of key issues in addressing these problems is a proper choice of simulation length scale. In this study, an urban ABL was reproduced in a boundary layer wind tunnel at different scales to study possible scale effects. Two full-depth simulations and one part-depth simulation were carried out using castellated barrier wall, vortex generators, and a fetch of roughness elements. Redesigned “Counihan” vortex generators were employed in the part-depth ABL simulation. A hot-wire anemometry system was used to measure mean velocity and velocity fluctuations. Experimental results are presented as mean velocity, turbulence intensity, Reynolds stress, integral length scale of turbulence, and power spectral density of velocity fluctuations. Results suggest that variations in length-scale factor do not influence the generated ABL models when using similarity criteria applied in this study. Part-depth ABL simulation compares well with two full-depth ABL simulations indicating the truncated vortex generators developed for this study can be successfully employed in urban ABL part-depth simulations.     

Experiments on integral length scale control in atmospheric boundary layer wind tunnel

Accurate predictions of turbulent characteristics in the atmospheric boundary layer (ABL) depends on understanding the effects of surface roughness on the spatial distribution of velocity, turbulence intensity, and turbulence length scales. Simulation of the ABL characteristics have been performed in a short test section length wind tunnel to determine the appropriate length scale factor for modeling, which ensures correct aeroelastic behavior of structural models for non-aerodynamic applications. The ABL characteristics have been simulated by using various configurations of passive devices such as vortex generators, air barriers, and slot in the test section floor which was extended into the contraction cone. Mean velocity and velocity fluctuations have been measured using a hot-wire anemometry system. Mean velocity, turbulence intensity, turbulence scale, and power spectral density of velocity fluctuations have been obtained from the experiments for various configuration of the passive devices. It is shown that the integral length scale factor can be controlled using various combinations of the passive devices.     

结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用,在晴空条件下对大气风场等进行探测。在降水天气下,风廓线雷达能同时接收到大气湍流回波和雨滴的散射回波信号,其探测到的回波功率谱中降水信号谱和大气湍流信号谱叠加在一起,使得大气的运动被雨滴的运动信息所掩盖,给后续的大气风场反演带来误差。而毫米波云雷达在降水天气下仅能探测到云雨粒子的回波而无法探测到大气湍流回波,基于这一差异结合毫米波云雷达资料对风廓线雷达功率谱数据进行订正,剔除其中的降水回波信息,进而获取正确的大气运动垂直速度。通过一次典型弱降水天气过程的雷达资料对该方法进行了可行性验证,并将计算得出的大气垂直速度与传统双峰法提取的大气运动垂直速度及原始风廓线雷达垂直速度进行了对比分析,显示在弱降水天气下该方法能有效消除降水对风廓线雷达垂直速度测量的影响,提高弱降水天气下测速准确率,并且在湍流谱极其微弱的情况下该方法也能准确地获取到大气运动垂直速度信息。但是云雷达回波在降水时会有衰减,虽然是弱降水也会导致在高层距离库上的订正效果变差,故目前只适用于弱降水时低距库处的降水订正。      

微波波段大气折射率结构常数的仿真研究

大气折射率结构常数描述了大气湍流起伏的强弱,它表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度。光波和无线电波在大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生各种不良效应,如:光斑漂移、闪烁、相位起伏等。因此,对大气折射率结构常数的研究具有重要的意义。本文利用常规探空资料对微波波段大气折射率结构常数进行了仿真研究,结果表明:在低空,特别是大气边界层之内,大气折射率结构常数主要为湿度所贡献;在高空,大气折射率结构常数主要为温度所贡献。在微波波段,影响大气折射率结构常数最大的气象因子并不是温湿压的大小,而是它们梯度的大小,其中湿度梯度的大小对其影响最大,在实际的低空测量大气折射率结构常数时,主要考虑湿度梯度与温度梯度的影响。     

Principle of Cross Coupling Between Vertical Heat Turbulent Transport and Vertical Velocity and Determination of Cross Coupling Coefficient

It has been proved that there exists a cross coupling between vertical heat turbulent transport and vertical velocity by using linear thermodynamics. This result asserts that the vertical component of heat turbulent transport flux is composed of both the transport of the vertical potential temperature gradient and the coupling transport of the vertical velocity. In this paper, the coupling effect of vertical velocity on vertical heat turbulent transportation is validated by using observed data from the atmospheric boundary layer to determine cross coupling coefficients, and a series of significant properties of turbulent transportation are opened out. These properties indicate that the cross coupling coefficient is a logarithm function of the dimensionless vertical velocity and dimensionless height, and is not only related to the friction velocity u*, but also to the coupling roughness height zW0 and the coupling temperature TW0 of the vertical velocity. In addition, the function relations suggest that only when the vertical velocity magnitude conforms to the limitation |W/u*|≠1, and is above the level zW0, then the vertical velocity leads to the cross coupling effect on the vertical heat turbulent transport flux. The cross coupling theory and experimental results provide a challenge to the traditional turbulent K closure theory and the Monin-Obukhov similarity theory.     

Power and Cross-Spectra for the Turbulent Atmospheric Motion and Transports in the Domain of Wave Number Frequency Space: Theoretical Aspects

The study of large-scale atmospheric turbulence and transport processes is of vital importance in the general circulation of the atmosphere. The governing equations of the power and cross-spectra for the atmospheric motion and transports in the domain of wave number frequency space have been derived. The contributions of the nonlinear interactions of the atmospheric waves in velocity and temperature fields to the conversion of kinetic and potential energies and to the meridional transports of angular momentum and sensible heat in the atmosphere have been discussed.