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。     

黑河下游绿洲近地层湍流输送特征研究

分析2003年9月5-27日在黑河下游额济纳绿洲取得的近地面层湍流观测资料,讨论无量纲湍流方差与稳定度参数Z/L的关系.无量纲风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*在不稳定层结与稳定度Z/L满足1/3次方时,符合Monin-Obkuhov相似理论.在近中性时,σu/u*、σw/u*值比平坦下垫面的略小些,σv/u*值比平坦下垫面的略大.无量纲温度脉动方差和湿度脉动方差在对流状态下与Z/L满足-1/3次方,在稳定和不稳定层结下,随|Z/L|减小而增大.地面热量以感热输送为主,感热通量峰值约为250 W/m2,潜热通量的峰值为170 W/m2;夜间潜热通量较小,感热通量则出现负值.动量通量日间平均在0.2-0.3 N/m2,峰值为0.31 N/m2.黑河下游绿洲柽柳林动力学粗糙度比HEIFE戈壁及其他绿洲下垫面的大,中性时z0m=0.47551 m.中性状态下动量整体输送系数CD=22.2×10-3,不稳定层结时平均值CD=10.3×10-3,稳定层结时平均值CD=7.2 × 10-3.热量整体输送系数CH,中性状态下CH=3.2 × 10-3,不稳定层结时平均值为CH=3.3×10-3,稳定层结时平均值为CH=2.7×10-3.     

我国草原下垫面低层大气湍流结构

利用超声风速仪资料分析了科尔沁草原下垫面低层大气的湍流谱结构，无量纲化湍流速度分量及温度脉动的标准偏差，和湍流通量与稳定度参数的关系。结果表明，草原下垫面低层大气湍流速度谱，在较宽的稳定度范围内， 符合Kolmogorov 相似理论，在惯性副区接近局地各向同性，无量纲化湍流速度分量及温度脉动的标准偏差服从A(1-Bζ)1/3和A(-ζ)-1/3规律， 湍流热通量与稳定度参数ζ存在较好的相关性。     

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...     

疏勒河上游高寒草甸下垫面湍流特征分析

利用2011年疏勒河上游高寒草甸生长季(5-9月)的近地层湍流观测资料,分析了该区域近地层三维风速标准差统计特征及近地层能量交换特征.结果表明,研究区域无量纲化三维风速标准差与稳定度的关系满足Monin-Obukhov相似理论;在近中性条件下,高寒草甸下垫面无量纲化三维风速标准差近似表现为一常数,即σu/u*=3.50,σv/u*=3.30,σw/u*=0.96;通过最小二乘法(OLS)的回归直线,5-9月强制通过原点的OLS回归斜率分别为0.76,0.72,0.75,0.73和0.73;能量平衡比率(EBR)月平均值分别为0.90,0.85,0.86,0.88和0.93;能量闭合度白天大于夜间,EBR从早晨到下午呈增加趋势,并在日出和日落时段变化较为剧烈.在生长季节研究区净辐射主要消耗于潜热即研究区的蒸散,其次是陆地与大气间的感热交换,最后是地表热通量.     

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。     

在EBEX-2000实验资料中的湍流宏观量特征

采用2000年8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX-2000 (International Energy Balance Experiment, 2000) 风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据, 计算分析了湍流宏观量(即 u*, T*, σu/u*, σv/u*, σw/u*和σT/T*等), 湍流动能和感热通量等的特征, 并与其他湍流实验得到的结果进行了比较.     

巴丹吉林沙漠北缘拐子湖近地层湍流能谱特征分析

利用2013年6月巴丹吉林沙漠拐子湖地区流沙下垫面的陆气通量观测资料,计算并分析了该研究区不同大气稳定层结条件下的湍流速度各分量谱和温度谱及湍流的局地各向同性特征。结果表明:该研究区风速各分量的湍流强度随平均风速的增加而逐渐减小,当平均风速2 m/s时,风速各分量的湍流强度逐渐稳定且基本限定在0.5以内。在不同大气稳定度下,湍流速度和温度能谱曲线在惯性副区内逐渐有合并趋势且遵循Kolmogorov提出的-2/3定律,速度各分量谱在高频段均满足各向同性且符合低频限制理论。随着稳定度的增加,风速分量的能谱曲线逐渐降低且向高频端移动,风速分量和温度能谱对应的谱峰长度则逐渐减小。该研究区水平湍流尺度范围为9.0~600 m,垂直湍流谱峰波长为10.79~75 m。该结果介于草地和森林下垫面之间,与塔克拉玛干沙漠腹地的试验结果较为接近。     

南京夏季城郊湍流统计特性及湍流通量对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维结构试验中的湍流观测资料,对南京市委党校和南京信息工程大学观测场2个观测点的湍流统计量和湍流通量进行了对比分析。结果表明：城市平均风速大于郊区;城郊2地的湍流强度都呈现出Ix〉Iy〉Iz的趋势,水平方向上的湍强城郊相差不大,而垂直方向上,郊区的Iz要明显低于城市;城、郊的风速归一化标准差σu/u＊、σv/u＊、σw/u＊都符合MoninObukhov相似理论的＂1/3＂定律,城市的垂直风速归一化标准差大于郊区,而水平方向上的风速归一化标准差则明显小于其他下垫面;郊区风速归一化标准差与常熟农田的拟合结果较为相似,而城市风速归一化标准差与长白山森林的拟合结果更为接近;夏季城市以感热通量为主,而郊区湍流能量的输送以潜热通量为主,且城市的湍流热通量受太阳辐射的影响更大。     

沿海地区大气边界层扩散特征探讨

利用辽东湾近地层三轴风速仪资料分别计算不同稳定度的大气扩散参数及湍流强度。并将不同情况下的大气扩散参数及湍流强度进行了比较。结果表明：在地形相对平坦的辽东湾,在不同的稳定度下,σy和σx值均略大于同级布里格斯公式的计算值。在不稳定条件(C、B类)下,湍强值重大。     

Comparison of atmospheric turbulence characteristics and turbulent fluxes from two urban sites in Essen, Germany

From September 2006 to September 2007, the intersite variability of turbulence characteristics and turbulent heat fluxes was analysed at two urban stations in Essen, Germany. One site was situated within an urban residential setting while the other was located at the border of an urban park and suburban/urban residential housing. Therefore, the surroundings at both sites contributing to surface–atmosphere exchange differed in terms of surface cover and surface morphology. During the 1-year measurement period, 19% of data were characterised by stable atmospheric stratification. Since observations of urban turbulence characteristics under stable stratification are scarce, so far, this work adds additional input to this discussion. Turbulence characteristics, i.e. normalised standard deviations of wind components, were in agreement to empirical fits from other urban observations under both instable and stable atmospheric stratification. However, differences in magnitude of turbulence characteristics between sites were observable. Comparison of turbulent heat fluxes indicated typical urban features in the site located in the urban setting with increased surface heating and higher surface heat fluxes by about 30%. Also the temporal evolution of heat fluxes on the diurnal course was affected. Differences in momentum flux were of minor magnitude with about 6% variation on average between sites. Findings indicate that multiple urban flux measurements within one city may be characterised by general similarities in terms of turbulent characteristics but are still significantly influenced by differences in the surface cover of the flux footprint.     

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。     

大气边界层阵风相干结构的产生条件

壁湍流相干结构的发现是近代湍流研究的重大进展之一,从20世纪50年代开始,在大气边界层湍流中也发现了相干结构——对流云街,并进行了系统的研究。近些年来,人们发现在近地层湍流中也存在相干结构。利用北京325 m气象塔对城市下垫面中大风和小风天气的风速分析,发现较有规律的周期3~6 min的阵风,且有明显的相干结构,而对不同下垫面的阵风研究,均发现存在这种相干结构,这种阵风相干结构对通量输送有不可忽视的作用。本文利用2012年4月甘肃省民勤县巴丹吉林沙漠观测塔的超声风速和平均场风速、温度观测资料,对阵风相干结构的产生条件进行了分析。采用傅立叶变换,将三维超声风速按频率分成基流(周期10分钟以上)、阵风扰动(周期1到10分钟)、湍流脉动(周期小于1分钟)三部分,结合平均场的资料分析发现:阵风相干结构出现在静力中性、不稳定甚至略微稳定的条件下,或者说机械作用主导的大气边界层,阵风区就会出现相干结构,热力作用对其有抑制和干扰的作用。从而,阵风的相干结构和壁面相干结构都出现在中性条件下,是机械湍流的现象,都主导着动量能量的输运。阵风区的相干结构并不等同于对流云街,他们出现在不同的大气稳定度条件下且尺度不同。     

The Adaptation of the Atmospheric Boundary Layer to a Change in Surface Roughness

The adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in the underlying surface roughness is an interesting problem and hence much research, theoretical, experimental, and numerical, has been undertaken. Within the atmospheric boundary layer an accurate numerical model for the turbulent properties of the atmospheric boundary layer needs to be implemented if physically realistic results are to be obtained. Here, the adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in surface roughness is investigated using a first-order turbulence closure model, a one-and-a-half-order turbulence closure model and a second-order turbulence closure model. Perturbations to the geostrophic wind and the pressure gradients are included and it is shown that the second-order turbulence closure model, namely the standard k - model, is inferior to a lower-order closure model if a modification to limit the turbulent eddy size within the atmospheric boundary layer is not included within the model.     

Wavelet Analysis of Intermittent Turbulent Transport in the Atmospheric Surface Layer over a Monsoon Trough Region

The structure of the turbulence in the atmospheric surface layer over a monsoon trough region has been studied using structural analysis based on wavelet transform. The observational site is located at the eastern (wet) end of the monsoon trough region, characterized by high moisture in the atmospheric surface layer. On the average relative humidity varied from 70% to 100% during the experiment. The wind and temperature data, collected at Kharagpur (22°25' N, 87°18' E) at six observational hours of a day in June 1990 during the Monsoon Trough Boundary Layer Experiment (MONTBLEX), have been utilized in the study. The wind and instantaneous momentum flux time series were decomposed into 12 scales using the Haar wavelet transform. The eddies exhibited a large temporal variability generating intermittency in the energy and flux distributions. A criterion based on the isotropy has been suggested for separating the large eddies from the small eddies. At the separation scale the isotropy coefficient drops sharply. It is shown that the intermittency in the small eddies resulted from the spatial variation of energy, and deviation of velocity statistics from the Gaussian distribution known as flatness. The deviation from the -5/3 power law has been attributed to the increased mean values of, (i) the coefficient of variation of energy, and (ii) the flatness factor, in the inertial subrange. The decomposition of the instantaneous momentum flux time series reveals that the major contribution to the total flux arises from the large eddies. The quadrant analysis of the momentum flux shows that ejections and sweeps account for a substantial part of the total flux, and quantifies the relative importance of the various spatial scales that contribute to the transport of momentum.     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System. Part Ⅰ: Linear Phenomenological Relations and Thermodynamic Property of the Atmospheric System

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泡之间存在交叉耦合，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。     

试探大气边界层湍流运动的若干问题

对湍流运动的几个基本理论问题作了一定程度的探讨，并根据湍流动能方程分析了大气边界层湍流产生和发展的能量机制，以此为判据推导了滴运动的凡主范围和物理含意较为清楚的混合长表达式。     

广州市近地层大气的湍流微结构和谱特征

本文利用UVW脉动风速仪资料分析了广州市区近地层大气的湍流强度、相关系数、尺度和速度谱,并获得了不同稳定度条件下的速度谱模式.结果表明,城市近地层大气湍流在惯性副区接近局地各向同性、速度谱符合Kolmogorov相似理论;气流方向上下垫面粗糙度的增加,使沿海城市近地层大气湍流能量(特别是铅直方向)比平坦、均匀下垫面上的增加.     

山谷城市的近地层大气湍流谱特征

山谷城市地区的大气湍流结构研究至今报道很少.本文根据兰州市一次观测实验,对各风速分量谱、温度谱以及动量和感热通量的协谱进行了分析.结果表明,尽管仪器的安装高度较低(6.45m),湍谱特征仍与平坦均匀下垫面得到的一些典型结果基本一致,从而认为,在类似地区进行湍流通量等的直接观测时,对观测高度和地点的选择,可以不必象一些文献要求的那样高.