我国西部高原地区近地层湍流特征的研究

通过对青藏高原第二次大气科学试验(TIPEX)得到的当雄湍流资料的分析,讨论了青藏高原地区的近地层湍流特征.结果显示:速度分量、温度和湿度谱大多满足相似理论的-2/3次方律;高原上无因次垂直速度方差在中性时与前人在平原地区得到的结果比较接近,但高原上无因次水平风速方差值大于平原地区值.在强不稳定层结时,高原观测结果显示无因次垂直速度方差和无因次水平风速方差符合-1/3次方规律.在稳定层结时,风速三个分量的方差都随稳定度z/L的增大有所增大.无因次温度和湿度方差在强不稳定条件下服从-1/3次方规率.稳定条件下无因次温度方差随z/L略有下降趋势,而后趋于常数,无因次湿度方差无明显的规律.在干季以感热通量为主要地面热源,湿季两者贡献相当,潜热通量略大于感热通量.得出了不稳定层结、稳定层结情况下高原的无因次温度结构参数和湿度结构参数与z/L之间的关系,得到了中性层结时整体输送系数的实测结果.     

夜间稳定边界层中小尺度地形激发的形式阻力和波动阻力

通过求解含有摩擦耗散的线性化大气动力学方程组，得到了在夜间稳定大气边界层中小尺度地形产生的波动阻力和形式阻力的解析解.结果表明边界层中的稳定度、风速和湍流状态、边界层厚度、上部残余层中的稳定度和风速以及地形高度和坡度，都会影响波动阻力和形式阻力的大小，应在数值模式的参数化方案中给予考虑.分析还表明，当地形坡度减到一定程度时，形式阻力可以忽略不计.     

藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

大气中的内船舶波

通过波动方程的分析解求得稳定层结大气中孤立地形激发的大气内船舶波,证明这类波是由非拦截波和拦截波两部分构成,非拦截波中的辐散波和横波的形态,王要由地形形状和走向决定,它们都可向大气上层传输,而拦截背风波的波形主要由层结、风速及风速切变等大气条件决定.     

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.     

对流槽湍流涡旋结构特征的小波分析

为研究夹卷层的湍流特性,用对流槽模拟大气对流边界层并做湍流温度测量.能谱分析表明,混合层湍流谱幂律接近“-5/3”次律;而夹卷层湍流谱幂律有明显的分段特征.利用离散正交小波对其湍流脉动信号进行去噪和尺度分解,将原始信号分成均匀各向同性小尺度涡旋成分和大尺度涡旋成分,并对分解后的信号做能谱分析.结果表明,不论是在混合层还是在夹卷层,小涡都能很好地满足Kolmogorov的“-5/3”次律;而大尺度涡旋则在混合层和夹卷层中表现出不同的特征.     

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     

湍流输送的非线性热力学性质

湍流输送是一种热力学不可逆过程,本文利用非线性热力学研究了湍流输送的特征. 将热力学流对热力学力以平衡态作为参考态进行Taylor展开,可以得到湍流输送系数是系统宏观参量梯度的Taylor级数. 线性湍流输送系数是Reynolds湍流闭合方案的K闭合湍流输送系数;而湍流输送系数非线性项则是系统偏离热力学平衡态所造成的热力学非线性效应. 湍流输送系数这一热力学性质提供了一种热力学湍流闭合方案. 线性湍流输送系数是正定的,湍流输送只能使系统宏观参量均匀化;而在远离平衡态的热力学非线性区,可能导致湍流输送系数负黏性现象. 在最小熵产生态的条件下,热力学流对热力学力Taylor展开的各级系数间存在一种递推关系. 利用这种递推关系大大减少了由实验确定的Taylor级数的系数个数.     

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.