对“近地层大气湍流混合的規律性”一文的意見

最近读到刘振兴同志的文章,觉得该文有下述错误,愿提出与作者商榷,由层结近地面层湍能平衡方程可写为:其中ε系湍能耗散率,根据湍流结构的概念可认为ε=K~3/l~4,l是湍流埸的某一特征长度,预先暂不能规定它的性质,把ε代入平衡方程(1),可得到:     

关于大气层結对于近地面层中湍流交換的影响問題

本文第一部分运用相似理論和因次分析对层結大气近地面层中湍流交換的問題作了分析,获得了与作者过去根据湍流能量平衡方程所得到的結果一致.第二部分根据新近国外发表的直接測量资料确定了普遍函数中的經驗系数D的大小;还确立了强迫对流向自由对流状态的过渡,与Priestley所指出的不同,它具有极平緩的性貭,計算結果与观測事实符合.在稳定情况下則沒有类似过渡发生.第三部分根据因次分析构成了特征尺度L_(R_i),并建立了以L_(R_i)为特征尺度的湍流交換的模式.討論結果表明,采用这一模式比前一模式合理一些,而且实用上更为方便。     

一个非线性近地层模式

1.引言识别和描述空气运动的垂直分量对混合过程影响的尺度,一直是边界层理论的重点。有各种各样的尺度定义,最早、最简单的是经典的Prandtl公式: l=kz 它是联系混合长与边界层中距地高度的关系式。考虑整个边界层为中性层结,Blackad-     

有限区域湿有效能量的层结、斜压、正压分量及其收支方程

本文探讨了将湿有效能量分解成层结、斜压、正压分量的方法,并讨论了它们的收支方程式.其中层结分量与实际大气中对流不稳定有较好的对应关系,但在干有效位能中分解不出这一项.在斜压、正压分量的收支方程中,除附加项外都与干有效位能的方程类似.由三个分量的收支方程看出,湿有效能量向动能的转换只可能发生在层结不稳定或(与)有斜压存在的大气中.这与天气分析经验以及经典的马古列斯(M.Margules)模式是一致的.     

波和湍流的相互作用

利用Burger's和巢纪平提出的湍流发生模型计算了不同R_e数和R_i数情况下系统的状态,可能的形态有:无扰动的基本场、重力内波、湍流。找到了这三种状态相互转换的临界R_e和R_i数值。指出R_i<1/4是出现湍流状态的必要条件。在R_i>1/4时,R_e=2π~2处是发生Hopf分岔出现重力内波(周期解)的条件。波和湍流的能量来自基本速度场和基本温度场,一旦波和湍流形成后又影响基本场.若初始的R_i在1/4附近(稍大于1/4),重力内波形成后最终可能使R_i数反小于1/4,进入湍流状态,这就是湍流和内波在大气中间歇发生的原因。所计算出的相轨线和Liapunov特征指数验证了各种状态的确实性。     

大气湍流的湍谱及有关大气污染问题

湍流运动是自然界和许多技术领域中出现的普遍现象。大气中所发生的许多现象都与湍流运动有关。但到目前为止,湍谱理论的发展还很不完善。特别是在大气或海洋中存在的大尺度湍流的湍谱理论就更不完善。 本文根据大量实测的湍谱数据(包括在风洞中、大气和宇宙空间中)反应出的湍谱分布规律,提出了一个描述湍流特性的无因次量R_i(R_i=D/v,D为湍流粘性系数, v为动力粘性系数),并用此无因次量对谱区作了划分。从高R_i数到低R_i数共分为三个谱区包括六个谱段。利用无因次量和相似性原理确定了适用于各谱区的能量传输函数的普遍形式,从而求解湍谱方程,得出了湍谱的普遍形式的解,其中包括了过去已有的两个主要结果。我们还求出了大气温度场和与大气污染有关的微粒浓度的湍谱。经与实测数据比较,发现两者符合得较好。     

稳定大气近地面层的风和温度廓线

本文不做风和温度廓线相似性假设,使用最小二乘法分析位于粗糙、不均匀地形上北京气象专用塔在稳定条件下的平均风速和温度测量资料。结果表明,在近地面层,从弱稳定到强逆温的较宽的稳定层结范围内,对数加线性规律都是适用的;廓线参数β和β不是常数,它们的数值随大气稳定度而变化。文中给出的经验公式表明:廓线参数随R_i的增大而减少,随L的增大而增大。在临界理查逊数的两侧,廓线参数随R_i的变化遵循不同的规律。文中还表明,廓线相似性假设仅对大气层结稳定度较弱时才是真实的;当稳定度增大时,廓线变成不相似,P值随R_i的增大而增大。     

非均匀地面近地层风速廓线的实验研究

本文以Monin-Obukhov(1954)相似理论为基础,分析研究了北京西郊八角村地区80米高的铁塔上观测的风速和温度资料。 指出在均匀粗糙地面条件下,中性平均风速廓线在77米高度内很好地满足对数规律;稳定层结下,对数一线性规律在(0.03 ≤R_i≤0.69)一个很宽的稳定范围内都是适用的,但是必须十分注意其线性项常数β是随稳定度R_i而变的。本文给出了β-R_i之间的经验关系为β=0.35R(-0.9)对于不稳定层结描写风速切变函数φ_m,我们得到:弱不稳定范围使用|z/L| ~((-1)/4)规律     

大气运动的特征参数和动力学方程

应用尺度理論及相似性原理分析大气动力学方程,可以揭露各种模式的相互联系并确定其适用范围。在准靜力平衡及气压梯度力与柯氏力同量級的假定下,对于无粘性流体的絕热运动,可以确定出三个由外部参数决定的特征尺度:由柯氏参数l_0决定的特征时間尺度l_0~(-1),由溫度层結及平均溫度决定的特征速度尺度C_0,及由此决定的水平距离尺度L_0=C_0L_0~(-1),这三个尺度与相应的大气运动的特征尺度之比值ε=1/Tl_0,μ=L_0/L及M_a~(-1)=C_0/U(或者λ=M_aμ)就是决定大气运动特性的三个基本参数。当o(ε)<相似文献   

关于对流层中湍流热输送的方向问题

从全球能量收支项的概量计算中得知,由地面通过湍流方式向大气输送的热量,占大气顶入射的太阳辐射总量的6—7％。在湍流热交换理论中,多年来都引用下列关系(1) P=ρCpк_H(r-r_d) (1)其中P—湍流热通量,ρ—空气密度,Cp—空气定压比热,к_H—热量湍流系数,r_d—干绝热温度直减率,r—铅直温度梯度。由此式可以看出,在绝热大气中(r=r_d)垂直方向的湍流热输送为零:而在稳定层结大气中(r相似文献   

国外有关温带天气系统能量诊断分析的研究

最近一个时期,国外开展了对温带天气系统能量的诊断分析研究。所谓能量的诊断分析,就是使用真实大气和模式大气的资料,通过能量方程对不同能量作出估计,对中纬度各种尺度天气系统的能量平衡问题进行定量的分析,在此基础上对其机制作出判断。这样的研究一方面可以帮助我们改进数值预报,从诊断分析中可以发现,根据各种各样简化假定的模式同真实大气之间的情况到底有多少异同;另一方面,它使我们更好地抓住决定未来天气发展的基本的物理过程,这对天气预报也是有帮助的。近年来对这个问题的研究已取得了一些有意义的结果。本文将对国外这方面的情况作一简要介绍。     

关于总结大气中近地总湍流交换的基本规律性

讨论的结果证明:近地面层中确实存在着决定湍流作用的普遍的统一的函数,这函数即为由 O6yxoB-MoHHH 所得的 K=nv_*z[1-αR_i)~(1/4);其它任何形式都不足以反映出这种普遍的基本规律性来。     

非均匀大气层结下斜压大气长波的线性及非线性增长

本文应用多重尺度方法研究了球面斜压大气中非均匀大气层结下长波的线性及非线性振幅及能量方程。结果表明大气中被激发出的长波扰动最初主要是从基本状态的层结不均匀性中得到能量,然后可从波的相互作用中获取能量。     

“大气中的耗散结构与对流运动”一文商榷

《大气科学》1992年第1期发表了钱维宏同志的文章“大气中的耗散结构与对流运动”(下称钱文),我们认为有值得商榷的地方,现提出来与学者们讨论。 1.钱文说:“作者认为,在现有的应用中至少存在两方面的问题。首先,文[1]或[2]的熵平衡方程是在非平衡线性区内导出的。”这是一个误解。所谓熵平衡方程是     

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料,从新型散度方程出发,针对2007年7月16~20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用,并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明:1)强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2)在强降水开始时期,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合,正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著,是本次降水开始的启动机制。3)在降水发展维持时段,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好,斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应,对强降水的发展维持起了至关重要的作用,是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4)正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义,有助于提高暴雨预报准确率。      

重力惯性波的螺旋结构

本文在简化条件下分析了绕心涡漩系统中重力惯性波螺旋结构形成的物理条件,主要结果是:(1)非静力平衡的对流性扰动比准静力平衡重力惯性波易于形成螺旋结构。(2)层结越不稳定,绝对和相对角速度越小,越有利于螺旋结构的形成。(3)水平不均匀的层结分布按如下方式起作用:不稳定的大气核区附近易生成螺旋波,而稳定的大气核区不利于绕心螺旋波的形成。(4)仅在离涡漩中心一定距离处才能生成螺旋波,距离越远,容许的臂数越多,这或许能解释卫星及雷达照片上看到的某些事实。(5)旋臂具有多种多样的型式,在较严的限制下得到对数螺旋,更一般的条件下得到阿基米德螺旋。     

热带大气运动的长波和超长波(二)

本文对热带湿大气运动的长波、纬向超长波(纬向扰动尺度L_1～10~4公里,经向扰动尺度L_2～10~6公里)和经向超长波(L_1～10~3公里,L_2～10~4公里)进行了尺度分析,得到了适合这些运动的近似方程。对于纬向超长波,与干大气一样为正压无辐散运动;但对于长波和经向超长波,它们的运动特征与干大气有着巨大的差别,在这类运动中,位势部分、辐散辐合和垂直气流相当重要,而且重力内波波速大大变慢,因而可以认定混合的Rossby-重力波是热带长波和经向超长波的一个重要特性。我们所得的结果与Charney对干大气的分析不一致,也与Murakami对湿大气的分析不一致。从而证实了谢义炳教授最近提出的空气温度对大气运动有重要影响的观点。同时,在假定基本气流U=0的情况下,对线性化扰动方程进行了频率分析,证实了上述尺度分析的结果是正确的。     

自由大气非定常扰动对大气边界层的内参数的影响

本文用大气边界层运动方程的数值积分方法,研究了当自由大气(边界层顶)风作非定常的周期扰动时,对非中性层结的大气边界层的内参数u*/G(u*为摩擦速度,G为自由大气风速)和角α(地面风与自由大气风向的夹角)的影响。并将其结果与中性层结大气边界层的相应结果作了对比。最后对斜压大气情形也作了相应讨论。说明了大尺度模式中边界层的参数化的结果应考虑层结、斜压性与非定常过程的共同作用。     

总能量廓线分析应用试验

概要各种天气系统的产生、发展和消亡过程,实质上是能量的积累、爆发和转换的过程。根据能量守恒定律,将大气视为一个包含各种能量的闭合系统,讨论大气的能量分布,分析和认识大气运动的规律,对于做好短期天气预报,尤其是对流性天气预报,有着重要的实际意义。本文从能量场角度出发,以盛夏作为关键季节,用邻近上游探空站平凉的资料,计算垂直方向上各等压面的干静力总温度 T_D、湿静力总温度 T_t 及饱和总温度 T_s,绘制能量垂直廓线图,分析能量的垂直分布以及各种能量间的配置关系,用来判断单站上空大气的层结稳定度和潮湿程度。因为在计算中使用的有关物理量具有一定的保守性,所以用此方法得出的结果,与温度对数压力图的作用有所不同,它具有一定的预报能力。同时,假定我地与平凉同属于一个大气层结,因此认为,它可以作为我地未来12—36小时内区域性天气预报的理论依据之一。     

半地转近似下的混合Rossby－重力椭圆余弦波

在半地转近似［１］下，利用层结大气中的涡度方程、散度方程、连续方程和绝热方程结合行波解的方法得到了关于垂直速度的单一变量方程。这是与ＫｄＶ方程相应的非线性常微分方程，可得到椭圆余弦波或弧立波。此波动的频率有两种，表明层结大气中存在着两种性质不同的非线性波动。其一是东传的惯性重力椭圆余弦波，另一是混合Ｒｏｓｓｂｙ－重力椭圆余弦波，其性质介于Ｒｏｓｓｂｙ椭圆余弦波与西传的惯性重力椭圆余弦波之间。这两种非线性波的相速不但与波数和振幅有关，而且与β因子和静力稳定度有关，即纬度越低，则传播越慢；大气越稳定，则传播越快。