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。     

大气折射率湍流结构系数C_n~2的观测试验

以美国ＮＯＡＡ波传播实验室估算大气折射率湍流结构系数的模式为基础，经过数值试验和观测对比调试，给出了一个得到我国雷达测值验证的实用的估算模式．     

用连续子波变换提取城市冠层大气湍流的相干结构

切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现,它表明湍流在表面上看来不规则运动中具有可检测的有序运动,这种相干结构在切变湍流的脉动生成和发展中起着主宰作用.因此识别和提取相干结构对于认识和研究湍流是非常重要的.用数字滤波法将包含相干结构的大尺度信号提取出来以后,再用子波分析,根据子波能量极大值的判别方法,分别确定出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构的频率或时间尺度,然后由确定尺度上的连续子波反演公式,提取出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构所对应的波形.     

南沙海域近海层大气湍流结构及输送特征研究

本文根据南沙群岛渚碧礁的一次大气湍流观测资料，分析研究南沙海域的湍流热通量输送、方差相似性、风速各分量谱、温度谱及各湍流通量协谱等大气湍流结构和输送特征，并与陆地下垫面上的结果作了比较，得到了一些有关南沙海域大气湍流输送及湍流结构的新认识。     

华东沿海高标准农田大气湍流特征的观测分析

为评估Monin-Obukhov相似理论和涡度相关系统在高标准农田的适用性,利用南通高标准农田水稻下垫面涡度相关观测数据,分析了大气稳定度、湍流方差相似性、湍流谱特征、湍流强度和湍流动能等。结果表明：该高标准稻田上方大气呈现白天不稳定、夜晚稳定的昼夜变化特征;Monin-Obukhov相似理论在该高标准农田适用,三维风速归一化标准差随大气稳定度的变化符合“1/3”次方规律,温度、比湿、CO₂密度归一化标准差随大气稳定度的变化在大气不稳定时符合“1/3”次方规律;在惯性子区,三维风速的湍流能谱符合“-2/3”次方斜率,垂直风速与温度、湿度和CO₂密度的协谱符合“-4/3”次方斜率,可见涡度相关系统能够观测该高标准农田的水热和CO₂通量;三个方向上的湍流强度均随风速增大而减小,且水平方向湍流强度大于垂直方向;湍流动能随风速呈二次函数增大,呈现昼高夜低的日变化特征,大气中性时达到最大,且以动力湍流贡献为主。研究结果可为揭示华东地区高标准农田生态系统与大气之间的物质和能量交换特征以及机制提供参考。     

大气折射率湍流结构系数C2n的观测试验

以美国NOAA波传播实验室估算大气折射率湍流结构系数的模式为基础，经过数值试验和观测对比调试，给出了一个得到我国雷达测值验证的实用的C2_n估算模式。     

植被冠层湍流代数应力模式

从植被冠层湍流时空平均雷诺应力方程出发，根据植被冠层内有关参数化的准则，建立了湍流代数应力模式，并用玉米和小麦两种作物地的实测资料对模式进行了验证。     

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。     

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。     

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     

Turbulence Measurements above a Pine Forest

Eddy fluxes of momentum, sensible and latent heat, and turbulence spectra measured over the Thetford Forest during 10 days in the Spring of 1973 are described. The measured total heat flux (H + λE) for 122 20-min periods agreed closely on average with independent estimates from an energy balance method. There was evidence that the energy balance data gave small systematic overestimates of available energy during the hours before noon, compensated by slight underestimates for the remainder of the day. A comparison of measured wind speeds and friction velocities in neutral stability confirmed the validity of the aerodynamic method for estimating momentum fluxes at heights of a few roughness lengths above the canopy. In stable conditions the log-linear wind profile $U=(u_{?t}/k)({? ln}((z-d)/z_{0})+←pha(z-d-z_{0})/L)$ with α = 3.4 ± 0.4 provided a good fit to the data. Spectra in unstable conditions were generally more sharply peaked than those measured by other workers over smoother terrain: differences were less marked in the case of vertical velocity in stable conditions. Temperature spectra in these stable conditions showed high energy at relatively low wavenumbers, and wT cospectra showed a cospectral gap; both of these results were associated with an intermittent sawtooth structure in the temperature fluctuations.     

Turbulence Statistics Measurements in a Northern Hardwood Forest

Tower-based turbulence measurements were collected in and over a mixed hardwood forest at the University of Michigan BiologicalStation (UMBS) UMBSflux site in the northern summerof 2000. Velocity and temperature fluctuations were measured at five levels within the canopy (up to the canopy height, H = 21.4 m), using one- and three-dimensional sonic anemometers and fine-wire thermocouples. Six additional thermocouples were distributed over the canopy-layer depth. Three-dimensional velocities and sonic temperatures were also measured above the canopy at 1.6H and at 2.15H on the AmeriFlux tower located at the UMBSflux site. Vertical profiles of buoyancy flux, mean horizontal velocity, Reynolds stress, and standard deviation and skewness of velocity components were calculated. The analysis of these measurements aims at a multi-layer parameterization framework of turbulence statistics forimplementation in Lagrangian stochastic models. Turbulence profiles and power spectra above the canopy were analyzed in the context of Monin-Obukhov similarity theory (MOST) and Kolmogorov theory, as determined by stability at the top level (2.15H), to assess the extent to which surface scaling is valid as the canopy top is approached. Velocity spectra were computed to explore the potential of estimating the viscous dissipation rate, and results show that the high frequency range of the spectra above the canopy exhibits the roll-off predicted by Kolmogorov theory. Similarly, velocity standard deviations above the canopy converge to MOST predicted values toward the top level, and spectral peaks shift with stability, as expected. Within the canopy, both turbulence statistics profiles and spectral distributions follow the general known characteristics inside forests.     

The Spatial Variability of Turbulence above a Forest

Summary The spatial variability of turbulence above a forest has been examined. Two measurement towers were erected 800 m apart within a heterogeneous mixed forest located in the north east of the Netherlands. The measurements of u ^* /u were analysed and subsequently used to test a surface layer model. The model simulated the magnitude of the measurements reasonably well, but measured trends were not always reproduced by the model. The variable (du/dz)/u did not adapt as quickly to the new surface as u ^* /u. This is in agreement with Schmid (1994), and can be explained by a local decrease in mixing length. It is recommended to adapt the mixing length near a surface transition to improve the accuracy of surface layer models of heterogeneous landscapes. Received September 8, 1997 Revised April 15, 1998     

大气湍流的混沌吸引子特征

采用时间延迟技术,利用高性能的超声风温仪和红外湿度脉动仪所测得的大气湍流脉动资料,重构相空间中的湍流吸引子,估算了其相关维D2和最大Lyapunov指数λ1。结果表明,在不同地点、不同时间以及不同大气稳定度条件下,大气湍流的最大Lyapunov指数λ1均大于零,说明大气湍流的确具有混沌特征,且存在低维奇怪吸引子,其维数在3～7之间,视变量的不同(动力变量还是非动力变量)而不同,且受大气稳定度影响。首次使用了湍流动能来重建湍流吸引子。     

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。     

One-Equation Turbulence Modelling for Atmospheric and Engineering Applications

A new algebraic turbulent length scale model is developed, based on previous one-equation turbulence modelling experience in atmospheric flow and dispersion calculations. The model is applied to the neutral Ekman layer, as well as to fully-developed pipe and channel flows. For the pipe and channel flows examined the present model results can be considered as nearly equivalent to the results obtained using the standard k– model. For the neutral Ekman layer, the model predicts satisfactorily the near-neutral Cabauw friction velocities and a dependence of the drag coefficient versus Rossby number very close to that derived from published (G. N. Coleman) direct numerical simulations. The model underestimates the Cabauw cross-isobaric angles, but to a less degree than the cross-isobar angle versus Rossby dependence derived from the Coleman simulation. Finally, for the Cabauw data, with a geostrophic wind magnitude of 10 ms^–1, the model predicts an eddy diffusivity distribution in good agreement with semi-empirical distributions used in current operational practice.     

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.     

模拟氮沉降对温带阔叶红松林地氮素净矿化量的影响

采用埋置PVC管的树脂芯方法原位测定了不同氮形态及其剂量作用下长白山阔叶红松林地0～7 cm和0～15 cm土壤氮素净氨化、净硝化和净矿化量的季节和年际变化规律.近3年的观测结果表明,对照处理不同土层氮素年净矿化量中以净氨化占主导地位,约占净矿化量的53％～72％,高剂量NO3-N的输入使该比例减少至37％～66％,而NH4-N的输入却使该比例增至86％～92％.随着模拟氮沉降量增加,土壤氮素年净矿化量也随之增加,尤其外源NH+4-N输入对净矿化量的促进作用更为明显,但随着施肥年限的延长,这种促进作用逐渐减弱.与林地0～15 cm土壤相比,氮沉降量增加对0～7 cm土壤氮素净氨化和净矿化量的促进作用更为明显,尤其是NH4Cl处理的促进作用更大.通过将实验结果与前人报道的野外原位观测整合,逐步回归分析后发现土壤氮素年净矿化量随着氮素年沉降量的增加而增大,氮沉降量对不同区域森林土壤氮素年净矿化量的贡献率约为38％;大气氮沉降量、森林有机层pH及其碳/氮比值可解释不同区域森林表层土壤氮素年净矿化量一半的变化.研究结果将利于有效预测区域林地氮素净矿化量特征及其对环境变化的响应.     

大气湍流的非线性动力学参量与其经典统计量之关系

本文利用大气边界层近地层中观测得的风和温度时间序列讨论计算了湍流的非线性动力学统计参量与其经典统计量的关系。初步结果表明:当层结稳定参数z/L处于-0.7相似文献