用拉氏动力学理论研究PBL非均匀湍流扩散

将Gifford和Legg使用的拉氏动力学技巧从地面层延伸到行星边界层(PBL),讨论了平均风和湍流的垂直非均匀性以及大气稳定度对中尺度扩散特征的影响,得到了它们之间的解析表达式,理论结果与野外实测资料之间有较好的一致性.本文结果表明,经典的湍流统计理论不能直接用来研究中尺度范围的扩散,要合理地考虑动力学因子的影响.     

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。     

HUBEX试验区近地面层的湍流输送

1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)期间曾进行了1个月的近地面层湍流观测.分析不稳定条件下湍流的统计特性和谱特征,并与Monin-Obukhov相似理论进行了比较.结果表明,不稳定的时候各湍流量的统计特征与相似理论的预期相符.虽然不稳定条件下温度和湿度涨落的相关系数很高,谱的式样也相近,但湿度谱的峰值频率高于温度谱.协谱曲线的形状显示感热通量的谱峰较宽,表现出w和T在较宽范围的强相关性,而水汽通量谱在高频段下降很快,说明水汽的输送更多地出现在低频部分.从谱相关系数可见,在近中性的时候,各尺度湍流涡的热量输送效率普遍较低,随着不稳定性增强而显著提高.分析还发现,不论不稳定性的程度如何,小尺度湍流的水汽输送效率都较低.水汽通量谱的相关系数随稳定度的变化不如热通量的谱相关系数大,表明近中性时除小尺度湍流外其他湍流涡的水汽输送效率高于热量输送.     

青藏高原珠峰绒布河谷地区近地层湍流输送特征

利用2006年6月和2007年6月中国科学院HEST大气科学实验在珠峰绒布河谷地区获取的近地层湍流观测资料,分析了近地层湍流谱特征和方差统计特征,讨论了上下2层(2m和8m)基本气象要素和湍流通量的日变化特征.结果表明,珠峰地区湍流能谱基本上符合Monin-Obukov相似性理论在惯性副区的变化规律;由于山谷复杂地形和下垫面的影响,湍流方差统计值均小于高原其它地方;珠峰地区近地层感热通量白天下层大于上层,夜间相反;潜热通量一天内基本上上层大于下层.     

环境湍流对烟云抬升的作用

本文研究了中性层结环境中湍流对烟云抬升的连续作用。取外部湍流卷挟率正比于湍流特征速度并叠加于自身卷挟率,分析表明,即使在抬升的早期,环境湍流对弯曲烟云的路径有不可忽视的影响,并使烟云路径加速变平。电厂烟云的实测资料表明,平均抬升路径实际上不完全符合无湍流环境的三分之二规律,而与本文理论结果更为接近。 本研究也发现,最大抬升高度及其出现的下风距离都是大气湍流度的灵敏函数。据此,我们分析了几个常用抬升公式的局限性,并推荐了一种反映大气湍流度的改型公式。     

城市近地层湍流特征分析

利用中国科学院大气物理研究所在北京的325 m铁塔观测资料,本文分析了47、140和280 m三个高度的湍流统计特征.结果表明,城市近地层的湍流速度方差和湍流温度方差都较好地满足局地相似关系,140 m和280 m的湍流特征非常接近,而47 m的湍流特征与之相比表现出明显的差异,说明由于城市冠层动力和热力非均匀性的影响...     

Hilbert方法在大气边界层湍流特征分析中的有效性

介绍一种新的建立在经验模态分解(EMD)方法基础上的非线性、非平稳数据分析技术一Hilbert分析技术,并首次将其应用于大气边界层(PBL)湍流数据的分析,初步探讨了其在PBL湍流研究中的有效性.通过对城市与森林冠层上湍流资料的能量分布特征和统计平稳度进行分析、比较,结果表明:Hilbert谱分析能有效地对PBL湍流信号进行分析.它的边缘谱分析能够有效地探测PBL湍流信号的能量分布特征,统计平稳度分析也能有效地给出PBL湍流信号平稳性的定量化测量,这些将有助于建立合适的数据质量控制方法,以及对现有空气质量与扩散模式中扩散参数的计算加以改进.文中个例分析中,城市和森林冠层上空的湍流有一定相似性,湍流混合都比较充分,但森林冠层上湍流信号的能量更多地集中在大尺度湍涡,且扰动风速的高频部分具有更强的间歇性.对于相近高度的湍流信号来说,多数情况下,森林冠层上相同尺度的湍涡表现得比城市冠层上更不稳定,但湍涡的含能量要更低.     

小麦田水平风速的湍流统计特征

本文采用湍流统计理论,分析小麦田内外水平风速脉动特征。观测资料由分设在麦田内外两测点的四个不同高度取得。结果表明,麦田植被内水平风速脉动特征近似地符合局地各向同性湍流理论,即当τ不大时(τ<20秒),时间结构函数遵从“2/3幂律”;在高频区,一维无量纲谱符合“-5/3幂律”;小麦(抽穗期)植被内风速脉动具有比裸地湍流度大、湍流强度小、欧拉空间尺度小的特征。此外,引入线性系统观点,以单输入线性系统模式讨论了麦田内水平风速脉动的响应特性。     

不同下垫面上近地层湍流的多尺度属性研究

文中利用统计和多尺度分析方法分析了几种复杂下垫面情况下的风、温湍流脉动观测资料 ,结果表明 :下垫面结构的差异明显地影响湍流量 ,如 :戈壁地区的热力作用明显大于雪面和城郊面 ,表现在湍流时间尺度上也明显地大于雪面和城郊面。但复杂下垫面下的湍谱在惯性区仍满足“- 23”次律 ;多尺度方法研究湍流 ,可以更简捷地分析湍流的多尺度结构及其在湍流输送中的作用。由此可看出 ,多尺度方法是发展湍流统计理论的一种有效工具。     

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。     

不同下垫面湍流统计特征研究

利用戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面进行的湍流观测资料,使用相同的湍流数据采集和处理方法,研究了不同下垫面湍流统计特征。结果表明：在不稳定层结下,三个方向分量风速归一化标准差σu／u*,σv／u*,σw／u*与稳定度参数z／L呈1／3幂次关系;水平方向速度归一化标准差随地表粗糙度的增加而降低,垂直方向的速度、温度和湿度没有明显差异。文中给出了不同下垫面近中性层结下风速归一化标准差的数值。研究还发现：较湿润地区的湿度统计特征与温度的相似。     

地面气象要素湍流特性初步统计分析

对各气象要素高速采样湍流数据进行滤波去倾处理,得到随机分量,再利用湍流理论计算出各气象要素的湍流统计参数,并加以分析。     

地面气象要素湍流特性初步统计分析

对各气象要素高速采样湍流数据进行滤波去倾处理,得到随机分量,再利用湍流理论计算出各气象要素的湍流统计参数,并加以分析。     

行星边界层湍流特征的非线性模式

本文以行星边界层理论为基础,设计了一个定常行星边界层湍流特征非线性模式。根据行星边界层湍流现象具有波动和团块结构的特点,在模式设计中引用了量子化概念,构造了一个适合于大气湍流运动的波函数用以闭合方程组,并在类比的意义下考察了该方案的合理性。采用WKB渐近方法与数值解相结合,对行星边界层湍流特征进行了定量分析,并且与实验资料以及其他作者的模式作了比较。结果表明,本文设计的模式有能力描述定常行星边界层内湍流运动的非线性特征。     

青藏高原改则地区近地层湍流特征

分析了第二次青藏高原气象科学试验（TIPEX）1998年6～7月加强期在改则取得的湍流资料,讨论了近地层湍流宏观统计量、温度、湿度结构参数以及通量整体输送系数等变化规律,结果表明在不稳定层结下,湍流宏观统计量等随稳定度的变化满足过去在平原地区得到的相似关系。     

青藏高原东部土壤冻融过程中近地层湍流统计特征分析

利用玛曲黄河源区气候与环境综合观测研究站的湍流资料,分析了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中近地层湍流统计特征的差异.结果表明,冻融过程中不同阶段近地层湍流输送特征表现出一定的差异性;各个阶段不稳定层结下无量纲化的风速分量脉动方差与稳定度符合1/3次方律,近中件条件下无量纲化的风速分量脉动方差近似为常数,水平方向上的风...     

寒潮冷锋过境期间湍流特征量及其谱分析

利用两台超声风速温度仪于1992年12月至1993年1月间,在中国科学院大气物理研究所气象观测塔47 m和120 m两个高度观测到的风速三个正交分量以及温度的湍流脉动资料,计算分析寒潮冷锋过境时局地湍流特征量的日变化以及风速分量和温度的归一化湍流能谱。它们都在不同程度上反应出较大尺度湍流的特征。     

国外晴空湍流研究评述

晴空湍流(Clear Air Turbnlence,以下简称CAT)是指出现在9千米以上高空、且与对流云无关的湍流。它排除了与对流性不稳定边界层及深厚对流有关的湍流,却并未排除非对流性云(多指卷云)中存在的湍流。因此,有人认为采用“急流湍流”或“高空湍流”,的术语似更合适。     

森林近地层大气湍流特性观测分析

利用长白山森林生态系统定位研究站观测资料,及2003年8月和9月涡旋相关资料,分析和比较了该地区近地层包括风速、风向、大气稳定度在内的平均场特征,以及湍流强度、无量纲化风脉动方差相似性和地表通量变化特征。结果表明:(1)8月和9月稳定度都基本集中在0附近;(2)风速2 m·s-1的环境中,湍流发展最为旺盛,随着风速的增大湍流强度先迅速减小,当风速增大到3 m·s-1后,湍流强度偏离0值变大了一些,再继续增大到一定风速大小以后,湍流强度基本不随风速变化;(3)无量纲化三维风脉动方差符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"定律,其最佳通用相似函数在稳定和不稳定条件下都可以拟合得到;(4)地表通量均表现出明显的日变化特征,8月以潜热为主,感热较小;9月仍以潜热为主,但是相比8月明显偏小,感热变化不大。     

青藏高原中部聂荣亚寒带半干旱草地近地层湍流特征研究

湍流运动是大气最基本的运动特征,是地气间能量物质交换的主要方式。利用2014年7月18日至8月31日青藏高原中部聂荣观测站的近地层湍流观测资料,分析了该地区近地层湍流统计特征以及近地层通量的日变化特征。结果表明:在不稳定和稳定层结下,风速分量归一化标准差σ_u/u_*,σ_v/u_*,σ_w/u_*与稳定度参数z/L满足相似理论的"1/3"定律,近中性条件下趋于常数,并表现为σ_u/u_*≈σ_v/u_*σ_w/u_*;在不稳定层结下,温度、水汽密度和CO_2浓度归一化标准差σT/|T*|、σq/|q_*|和σ_C/|C_*|与|z/L|满足"-1/3"定律,在近中性层结下趋于常数,且明显大于青藏高原其他地区。湍流在风速0 m·s~(-1)U3 m·s~(-1)的环境中发展最为旺盛,垂直风分量的湍流强度较水平风分量更为集中,三个方向的湍流强度基本表现为I_u≈I_vI_w。夏季潜热通量大于感热通量,CO_2通量的日变化以吸收为主,最强达到0.46 mg·m~(-2)·s~(-1)。