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。     

不同强风样本湍流特性参数的计算分析

在结构风工程中, 风湍流统计参数计算的正确与否直接影响到风荷载的计算精度。在实际风参数计算与分析中, 多选用风速较大的样本资料, 但过分强调大风可能产生不合理的计算结果。利用超声风速仪瞬时风速观测资料, 分别划分成相对强风和持续强风样本, 计算并比较其湍流统计特性参数, 发现湍流统计参数特性值 (湍流度、阵风因子、摩擦速度等) 与风速大小并不能很好匹配, 有时风速不大但其湍流特性值却很大, 反之也然。研究表明:选取的湍流风资料样本或统计方法不同, 都会影响风特性参数的计算结果, 进而影响到风荷载计算的精度。这一结果对于提高结构风工程中风参数计算与设计的科学性和合理性具有现实意义。     

不同下垫面的大气边界层湍流扩散特征

利用海洋、戈壁、城郊和城市4种不同下垫面上的湍流观测资料,运用多尺度湍流概念和方法计算分析了风速谱和扩散参数等湍流特征量。结果表明:下垫面的粗糙度对大气边界层湍流特征影响很大,随着粗糙度的增大,速度谱的峰值频率向高频方向移动,扩散参数增大。     

内蒙古奈曼流动沙丘下垫面湍流输送特征初步研究

分析了2000年7月21日～8月10日在内蒙古奈曼流动沙丘下垫面取得的近地面层湍流及辐射观测资料,讨论了无量纲湍流方差与稳定度参数z/L的关系,发现无量纲速度分量方差及无量纲温度、湿度脉动方差在不稳定层结下,均满足莫宁-奥布霍夫相似理论;同时还讨论近地面层能量的收支.发现流动沙丘下垫面感热通量与地表热通量最大值分别为170 W m-2及100 W m-2;潜热通量通常小于50 W m-2;流动沙丘净辐射最大值为400 W m-2左右.(Hs+Hl),与(Rn-G)的比值在晴天白天平均值为0.78左右,流动沙丘下垫面近地面层能量不平衡现象存在,其原因有待进一步研究.     

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。     

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。     

北京市郊区及城区边缘的大气湍流结构特征

为了比较城市边缘地区和郊区大气边界层中湍流结构的差异,本文分析了1986年春、夏两季在北京市城市边缘地区和郊区两处大气湍流观测结果.结果表明,由于城市边缘地区的下垫表面具有较高数值的粗糙度,使其近地面层大气受到较强的动力影响,在其湍流速度分量谱曲线;无量纲化湍流速度分量标准偏差,σ_u/u*,σ_v/u*和σ_w/u*;以及无量纲化湍流耗散率φ_ε等湍流特征量在近中性层结条件下显示出与大气稳定度的关系比较微弱.     

湍流不同尺度间的相互作用

湍流是由各种不同尺度的涡旋构成的。从整体上讲,存在Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ导得的惯性区结构函数的２／３次方定律和能谱的－５／３次方定律。这种幂律相关的湍流是由每种尺度上指数相关的局部相似的Ｂｒｏｗｎ运动所构成,从而从理论上解释了不同尺度之间的相互作用以及湍流系数Ｋ随尺度变化的规律,初步论证了大气不同层结下湍流系数的差别。结果对研究大气、海洋不同尺度间的相互作用有重要意义。     

重庆冬季大气边界层湍流扩散能力的初步研究

本文利用1989年12月16日至1990年1月14日在重庆市用三轴风速仪所测得到的三轴风速资料，分别计算了有风、静风、有雾时的大气扩散参数， 以及无雾有风条件下的湍流强度。文中对有风时、静风时、有雾时的扩散参数作了比较和研究，对无雾有风时的湍流强度作了分析。从而有助于了解重庆在有风、 静风或有雾时边界层内湍流扩散能力的大小。     

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.     

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。     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

地形湍流拖曳力参数化及在GRAPES中的应用

分辨率的限制使得不能被模式识别的地形称为次网格尺度地形,次网格尺度地形在热力和动力方面对实际大气有着不可忽略的作用,其效应只能通过参数化的形式回馈给模式。分辨率的提高使得与较小尺度地形相联系的地形湍流拖曳力凸显其重要性。数值模式中地形湍流拖曳力的参数化对完善模式物理过程和改善模式近地层预报效果具有积极意义,其方法包括有效粗糙度法和直接参数化法,而GRAPES模式中并未以任何方法考虑次网格尺度地形的影响。该文通过单柱模式比较了有效粗糙度法和直接参数化法的优劣, 发现后者在有些方面优于前者。最后,将应用于实际的一个直接参数化方案接入GRAPES中尺度模式中,进行个例模拟,并与NCEP再分析资料进行对比,结果表明:考虑地形湍流拖曳力方案对模式预报具有改进作用,尤其对局地低层风场具有积极影响。     

冬季增城丘陵灌木林基本气象要素与湍流特征

介绍了广州增城丘陵灌木林通量站的地理环境、仪器布设,并利用该站2014年12月—2015年2月的观测资料,分析冬季华南丘陵灌木林下垫面近地层的风、温度、气压、湿度和大气稳定度等基本气象要素特征,以及湍流强度、风速归一化标准差的统计特征及通量特征。结果表明:（1）冬季增城站以北向小风为主,风速多小于4 m/s,日平均温度变化剧烈,平均相对湿度为67.94%;（2）大气稳定度集中于“±” 0.5之间,以近中性为主;冬季平均湍流强度I_u、I_v和I_w分别为0.37、0.31和0.19;在风速小于1 m/s时湍流发展旺盛,随风速增大,湍流强度减小并趋于稳定;（3）风速分量归一化标准差δ_u/u_*、δ_v/u_*、δ_w/u_*与稳定度Z/L之间满足莫宁-奥布霍夫相似理论,并呈1/3次方关系,且随|Z/L|的减小而减小,在中性层结（Z/L→0）均匀下垫面,其值为常数,分别为2.286、1.757和1.174;（4）冬季增城站的能量耗散以感热为主,晴天尤为显著;阴天感热与潜热大小相当;平均日间吸收CO₂极值为0.236 mg/(m2·s)。      

夜间近地面稳定边界层湍流间歇与增温

在夜间晴空条件下，近地面大气湍流表现出很强的间歇性，这种间歇现象导致夜间气温短时的急剧下降，随后大幅度增温。近地面大幅度增温表明此时存在着很大的湍流热通量散度，常通量层的概念这时不存在。从各高度层温度和风速变化的曲线上分析，我们发现湍流大多在距离地面较高一点的高度上发生发展，然后向下层传递，尽管上层的湍流可能是由于下层的某一触发机制向上传递而引起的。湍流偶尔也出现自下向上传递的过程，但这一过程较少发生。湍流的这种上下传递说明稳定边界层大气经常处于非平衡状态，在运用相似理论研究稳定边界层大气结构时要特别注意这一情形。     

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。     

青藏高原热力异常对四川省及周边区域气象要素影响分析

利用方差统计方法分析了前期高原大气热源异常时四川及其周边区域的主汛期的位势场、相对湿度场、垂直速度场以及风场的变化。结果表明,当前期高原大气热源异常时,次年汛期四川及其周边区域的各要素场会出现显著变化。当前期高原加热场异常偏强,在次年的5-6月东北冷涡异常偏强、7-9月青藏高压显著偏强,而副热带高压的位置明显偏东;当前期高原加热场异常偏弱时,次年河套西风槽则异常偏强,青藏高压明显偏弱。其次当前期高原加热场异常时在次年汛期比湿场、垂直速度以及风场变率上都有异常。分析结果对于进一步理解青藏高原对四川及周边地区的天气及气候变化具有一定的意义。     

青藏高原热力异常对四川省及周边区域气象要素影响分析

利用方差统计方法分析了前期高原大气热源异常时四川及其周边区域的主汛期的位势场、相对湿度场、垂直速度场以及风场的变化。结果表明,当前期高原大气热源异常时,次年汛期四川及其周边区域的各要素场会出现显著变化。当前期高原加热场异常偏强,在次年的5~6月东北冷涡异常偏强、7~9月青藏高压显著偏强,而副热带高压的位置明显偏东;当前期高原加热场异常偏弱时,次年河套西风槽则异常偏强,青藏高压明显偏弱。其次当前期高原加热场异常时在次年汛期比湿场、垂直速度以及风场变率上都有异常。分析结果对于进一步理解青藏高原对四川及周边地区的天气及气候变化具有一定的意义。     

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003）提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。