城市冠层中湍流运动的统计特征

对１９９７ 年夏天和冬天北京湍流运动的各种统计特征量进行了初步的统计分析。结果表明,城市冠层中湍流运动的各种统计特征量与平坦下垫面条件下边界层湍流运动的相比, 有不同的地方也有相似的地方; 无论白天还是夜晚, 垂直方向的湍流强度和湍流脉动风速标准差均小于水平方向的, 水平方向的相应湍流特征量则总是接近相等; 城市冠层中湍流脉动强度和标准差几乎均大于平坦下垫面边界层的; 平均风速ｕ≥１ ｍ ／ｓ 时的湍流统计特征量与ｕ＜ １ ｍ ／ｓ 时的有所不同; 城市冠层的阻力系数较大, 可达００６２５,Ｐａｎｏｆｓｋｙ 等提出的公式σｗ ／ｕ＊ ＝ １３ （１－ ３ｚ／Ｌ）１／３在城市冠层中并不适用。     

植物冠层动量交换特征的实验研究

使用湍流梯度测试资料，对植物冠层动量交换特征进行了详细研究，结果表明:森林冠层内惯性副区能谱曲线仍可用幂指数描述，但斜率比-2/3更负；森林冠层内湍流尺度有变小的趋势；森林上层的耗散系数比下层大；由植被吸收引起动量及动量通量随冠层深度增加而明显减小；冠层下层的动量通量和耗散系数分别与上层的量有好的正相关；森林冠层内耗散系数和动量通量随大气稳定度有明显变化。     

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

城市边界层动量和保守物通量的特征

利用2005年1-5月北京325 m气象塔47 m高度的湍流脉动资料(风速、温度、水汽和CO2),对城市边界层冠层内的湍流运动统计特征(相似关系、高阶矩、通量和谱等)进行了分析。其中,谱分析的结果表明,城市冠层内稳定度对湍流谱的影响比较小,而水平风速的影响比较大。因此,速度和温度的相似关系在夜间稳定条件下也成立。但是,由于水汽和CO2还受其他因素的影响,相似关系并不适用。更高阶矩的研究表明它们的陡峭度与偏斜度之间存在平方关系。而水汽和CO2之间也存在差异,它们的通量日变化特征明显不同,CO2通量的日变化更能体现人类活动的影响。同时,感热通量、潜热通量和CO2通量存在季节变化,尤其是潜热通量季节差异很大。     

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.     

植物冠层内物质交换特征的实验研究

使用湍流和SO2通量梯度测试资料，对植被冠层内物质交换特征进行了详细研究，揭示了一些有意义的结果: 植物的生物过程对物质的吸收作用非常明显； 在冠层内物质通量是随冠层深度加大而明显减小；对高的植被，上层沉积速度(Vgu)大于下层 (Vgd)； 冠层内的沉积速度(Vg) 表现出明显的日变化，冠层内物质的生物吸收作用与太阳总辐射量有直接联系；冠层的Vg与速度尺度V＊和平均风成正变关系；森林的Vg比麦地小；新的Vg理论公式能更好地预测重庆森林和麦地的结果。     

森林冠层边界层湍流传输的观测和数值模拟

文中分析和模拟了森林冠层上下动量、热量和水汽传输的特征。结果表明：冠层对动量的吸收十分明显,非局地扩散通量在冠层上下的动量传输中起着很大的作用;白天在冠层下层结稳定,但冠层下观测的感热通量向上传输;夜晚冠层下层结不稳定,但冠层下观测的感热通量向下传输,白天和晚上都出现了热量的反梯度传输现象,从而证明在热量输送中,非局地扩散通量不可忽视。同时对冠层上下的水汽交换特征的分析表明：非局地扩散通量是冠层内水汽向冠层上传输的主要机制。     

热带沿海近地层大气的湍流结构和谱特征

利用１９９０年在海南省海口市天尾村的一次观测的资料，分析了速度分量谱、湍流强度等湍流特征量。这批资料多是有云影响情况下，稳定度参数（Ｌ）与热通量（ｗｔ）没有日变化规律，但湍能、平均温度仍具有日变化规律；湍谱的基本特征与晴天天气的谱基本相似，在惯性副区接近局地各向同性，速度谱符合相似理论的“－２／３”次方规律；根据Ｍ－Ｏ相似理论，探讨了各分量湍强δｉ／Ｕ＊（ｉ＝ｕ，ｖ，ｗ）与稳定度Ｚ／Ｌ的关系，表明各分量湍强与稳定度Ｚ／Ｌ仍具有“１／３”次方规律，但湍强和湍流能量比一般平坦地形下垫面的大     

超声风温仪测温的误差订正

利用同步进行的风速、温度、湿度湍流观测资料,对超声风温仪温度测量结果作了水平风速和湿度的订正。结果表明:由于超声风温仪测温受空气湿度和水平风速的影响,对其作相应的订正是十分必要的。|z/L|＜1时,湿度和风速对超声风温仪温度方差和感热通量测量值所引起的误差是不可忽视的。而在|z/L|＞1区间,仅计入湿度影响,已够精确。对于温度谱密度,当nSθ(n)/σ2θ低于0.01时,有一高频的噪声频率阈值,高于此频率,nSθ(n)/σ2θ与无因次频率f呈+1次幂关系。     

北京城郊近地层湍流实验观测

本文利用两台FA-11超声风速温度仪于1992年3月到４月间在北京325 m气象观测塔47 m和120 m两个高度观测到的风速三个正交分量以及声虚温的湍流脉动资料，计算和分析了北京城郊粗糙下垫面近地层湍流特征量及其日变化，无量纲垂直速度和声虚温的方差随稳定度的变化，风速分量和温度的归一化湍流能谱以及动量和热通量的互谱及其随稳定度的变化。并且与平坦均一下垫面近地层湍流观测的结果进行了对比。