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。     

大气边界层湍流速度场的层次结构分析

对大气边界层的速度脉动时间序列进行了统计分析,发现在大气边界层湍流场中存在She-Leveque(SL)层次相似律,以及在水平速度场、垂直速度场和不同条件下垂直速度场的层次相似律所满足的情况不同,并给出了对应的可能解释.结果指出大气边界层自组织结构的复杂性以及层次相似律对大气边界层湍流脉动描述的有效性.     

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.     

湍流混合动力学机理研究

在分析传统混合动力学机理基础上,通过宏观混合与微观混合时间量级的对比,提出了湍流条件下,涡流扩散主导宏观混合,分子扩散主导微观混合,而混合过程由宏观混合主导,欧拉数Eu可作为混合效果的控制指标,并通过3种不同容积反应器的混合搅拌试验,进一步证实了该指标的实用性。     

波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究

涡动沙纹很大程度决定着床面阻力和波浪衰减,针对涡动沙纹作用下的绕流结构具有强二维特性,建立了立面二维曲线坐标下的数值模型.利用国外公开发表的试验数据进行验证,表明模型能模拟波浪作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,对底层流动的紊动特性、床面剪切应力的随时间、空间的变化以及涡动结构的尺度分别进行了讨论.     

杭州市化工园区选址的气象环境与评估的数值模拟研究

城市化是国家社会发展的必然趋势，为了在新一轮城市总体规划中能保证杭州市的大气环境质量，优化不同空间尺度的城市规划，协调城市发展与保护环境的关系，本文利用一个三维非静力区域边界层数值模式，对一些典型天气条件下杭州地区的风场和气温的空间分布特征进行模拟分析，并以此为依据，给出选取化工园区的位置的评估意见。模拟结果表明，化工园区的选址宜考虑在杭州市的西南方向。     

泰山顶部近地层风的方差与谱分析

风在速度与方向上的不稳定性可引发结构振动并可导致损坏。山顶风较少受局地作用影响, 流场较稳定，作为典型风况对山顶风湍流脉动情形进行的观测和分析，对于研究建筑结构风载振动情形有着重要意义。在不同风况下对泰山气象站近地层风的风速和风向进行了同时、逐秒测记，所得样本经检验符合正态分布。计算表明，风向样本方差显著大于风速样本方差。绘制了各风速、风向样本自、互谱密度曲线图。谱图显示诸样本具有红噪声序列特征，不同样本自、互谱密度曲线具有相近形状，而以风速自谱曲线吻合程度最好，谱密度曲线在周期为4秒及2秒处有峰值。此后的研究应结合记录仪器的改进增加采样频率，对周期为2秒以下谱曲线作进一步分析。     

实验速度场测量技术及对流边界层特征研究

在对流槽中对对流边界层(CBL)温度场实验研究的基础上,进一步尝试通过实验技术测量速度场并分析研究CBL中的速度场特征。在应用PIV测量技术时选用铝粉作示踪粒子。实验证明了在混合层中速度分布明显具有对流边界层热泡特性;混合层顶部的速度分布很好地反应出夹卷层的结构特征;湍流速度特征量的垂直分布合理,与野外实测结果和类似的对流槽实验结果接近;误差分析表明示踪粒子的跟随性良好,粒子速度的测量结果能真实地反应流体的运动特征,从而得证了分析结果的可靠性。     

大气边界层气象学研究综述

文中回顾了大气边界层气象学的发展历史，总结了目前大气边界层气象学的主要进展，并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题，以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议，同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。     

对流边界层中泡状结构的大涡模拟研究

本文提出“连续垂直运动区”的概念，对边界层中的对流泡状运动进行了重新定义。由此将对流边界层划分为上升泡区、下沉泡区和环境气流区，并利用大涡模拟提供的对流边界层数值模拟结果研究这种泡状运动的结构。研究结果较好地解释了一些有关泡状运动结构方面的似乎相互矛盾的观测事实，并揭示了对流泡状运动的一些新的特征。