气-水热力边界层研究进展

本文概述了迄今在实验室和现场已获得气-水热力边界层所具有的各种物理、化学、生物等持性的研究成果。这些成果对进一步拓宽研究领域,探索内在的客体结构,研究其输送机制和发生机理等具有一定的启迪作用。文中还对未来应当加强研究的几个问题进行了初步探讨。     

太平洋涌浪分布特征及其对海-气边界层的影响

本文对海-气边界层波致风机制的相关理论进行了阐述,并利用ERA-40再分析资料给出了太平洋谱峰速度、波龄、波陡等描述涌浪和波致风机制物理量的年际和季节空间分布特征。分析表明:东太平洋赤道地区等海域涌浪速度最大且涌浪由南向北传播明显;太平洋波边界层高度基本呈现出东高西低的分布形势;波致风机制主要发生在赤道热带海域,北半球夏季波致风机制偏强,冬季偏弱,南半球反之;北半球北部海域夏季更易发生波致风机制,赤道附近海域相反;南海为风浪与涌浪组成的混合浪,对其波候等相关研究有必要分开进行讨论。     

千岛湖水温垂直分层的空间分布及其影响因素

湖泊热力分层及热力循环深刻影响深水湖泊生态系统。随着全球气候变暖,湖泊热力过程会发生显著变化。作为深水水库型湖泊,千岛湖的热力过程与水环境的变化紧密相连,为了分析千岛湖水体水温、湖泊热力分层参数(温跃层深度、厚度和强度)的分布,探讨温跃层深度与水温、水体透明度以及水深之间的关系,本文根据2014年7月份与2015年5月份对千岛湖全湖60个采样点的水体理化指标的垂向分布调查数据,计算得到千岛湖热力分层参数,进而分析其时空分布特征及主要影响因素。结果表明,千岛湖水体水温垂直分布呈现正温分布,春夏季全湖范围内均存在不同程度的温度分层现象,温跃层深度、厚度和强度均从上游河口向下游敞水区逐步增大,这种空间变化的趋势在7月份比5月份更显著。水温、透明度和水深是影响温跃层深度的主要因素。夏季湖泊热力分层稳定期温跃层深度与表层水温(0—2m)存在显著负相关关系,与透明度和水深存在正相关关系。     

利用监督分类快速提取分层设色图件中数据的方法

为了快速将分层设色图件中象元的颜色值转化为具有实际意义的属性标识或物理、化学参数值,从而提取分层设色图件中包含的数据,作者提出了根据不同颜色分量(RGB)构建颜色特征空间,基于最小距离监督分类方法快速提取分层设色图件中数据的方法。使用该方法对东半球海域海面水汽分布数据进行提取,取得了良好的效果。该方法可以广泛应用于物理海洋、环境科学、地质调查、地理信息系统建库等多个行业领域的数据提取工作中。     

黑潮区台风域海-气热输送量的计算

根据1972和1974年经过黑潮区的两个台风个例,计算和分析了台风各部位在不同的海气条件下热量输送的垂直分布特点。表明,在台风前部信风带中,热量垂直输送限于700hPa以下,在1000hPa处有约167.47—209.34J/(cm~2·h)的最大值,700hPa以上热量向下输送;在台风中心区,热量输送量最大,在1000hPa处接近420J/(cm~2·h),在850hPa附近可能有热输送量的最大值,其上随高度减小;在台风后部偏南气流中,向上热输送量较小;各层最大值不超过84J/(cm~2·h)。     

雨滴对水-气界面溶解氧与pH扩散影响的平面光极观测方法

水-气界面是一个重要的物质交换过程界面,对生态系统及生物地球化学循环过程有着重要影响。自然界的降雨可以改变水体表面平衡状态,提高气体在界面的通量交换速率,使得水体界面溶解氧和pH的水平、垂直方向浓度分布发生变化。本文利用平面传感膜具有高时空分辨率、可提供两维浓度分布信息的特点,开展了雨滴对水-气微界面层中的氧气扩散和pH值分布变化模拟实验,采用双参数平面光极同步测量获取低溶解气体在水-气界面的两维分布浓度变化。实验结果证明在受风速、温度影响较小区域,降雨过程对调节表层水体的溶解氧含量和pH值变化具有重要作用,雨滴可以打破水-气界面的微表层平衡机制,促进大气中氧气在表层水体的溶解,使得水面垂直方向23 mm内的溶解氧平均升高2.3 mg/L;降雨对水面12 mm之内表层水体pH值产生的影响较为明显,pH值平均降低了0.2~0.4个单位,表明降雨雨滴促进大气在水-气界面的迁移进程,溶解的CO₂使得表层水体向酸性方向转化。本文提出的基于平面光极两维观测方法为评估低风速、高降雨或低降雨区域的海岸带溶解氧和pH值的变化提供高空间分辨率的水-气界面实时观测新的技术支撑。     

水-汽离子通量的顾函数计算值

作者近十年来在研究痕量金属离子的水-汽界面转移时，发现宏观热力学无法解释转移机制，而微观量子化学及键参数与离子转移浓度之间，却存在函数关系——顾函数。即水蒸发时水汽带出的Zn2+等离子浓度C（μg／L），正相关于比电子亲和常数IZ／Z（eV）（与水合力相关），负相关于离子体积V（3）及配位数N（与水合数相关）。本研究运用顾函数方法进行水-汽离子通量（F）计算，结果表明，世界海洋的F=C×0．35（1012g/a），黄海的F=C×0．42（109g/a），揭示了自然规律。水汽化学离子浓度测定的可靠性，已由生物毒性实验证实。     

象山港水交换数值研究──Ⅰ.对流-扩散型的水交换模式

以溶解态的保守性物质作为湾内水的示踪剂,建立了对流－扩散型的海湾水交换数值模型。数值模型使用参数化的方法把重力环流和潮振荡的垂向剪切作用的水平混合效应包纳在水平二维的示踪剂对流－扩散方程中。在空间网距较小时,模型的稳定性和守恒性均可满足海湾水交换研究的需要。     

关于二平行流束之间层流边界层流动方程式的解

通过选取一以两层流束分界面上的流体速度平动的坐标系,证明两流束中的层流边界层流动可以劈分为两个与沿平板的边界层流动完全相同的流动并且应用已有的澡平板边界层流动的精确解,可以给出具有不同密度、不同粘性与不同速度的二平行流束之间层流边界层流动方程式的精确解。就Ｌｏｃｋ讨论的情况,应用本文提出的方法所得到的结果跟Ｌｏｃｋ所作的数值计算作了详细的比较。     

On Algebraic Perturbations in the Atmospheric Boundary Layer

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - A simple model for the development of submesoscale perturbations in the atmospheric boundary layer (ABL) is proposed. The growth of perturbations is...     

Helicity and Turbulence in the Atmospheric Boundary Layer

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - Helicity is inherent in many circulating motions and structures in the atmospheric boundary layer (ABL), where it is continuously reproduced due to the...     

Determination of Vertical Refraction in the Atmospheric Boundary Layer

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - Classical methods for determining vertical refraction have been developing for more than 300 years, but their accuracy does not correspond to the...     

海气边界层监测系统设计

介绍了以RS-485为控制总线的海气边界层监测系统设计.通过RS-485总线,监控主机与数据变送器和智能传感器可以直接进行通信,简化了系统结构,实现了系统测量节点的分散控制和集中管理.给出了系统主控制板的硬件组成框图,描述了硬件设计原理和通讯协议设计,给出了主程序流程图.经过实际应用表明,该系统具有安装使用方便,可靠性...     

Bulk Models of Sheared Boundary Layer Convection

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - This paper discusses approaches to constructing bulk convective boundary layer (CBL) models based on the concept of complete mixing. Large-eddy...     

Current Dynamics of Estuarine Circulation in the Lateral Boundary Layer

High spatial resolution measurements of current velocity performed by the shipboard mounted Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) in the lateral boundary layer of the southern Gulf of Finland during two 5-day periods are described and analysed with a focus on the dominant dynamics. The measurement site represents a small (15×20 km), relatively deep (up to 100 m) bay opened to large-scale estuarine circulation. The measurement period was characterized by calm winds and a strong seasonal pycnocline (Brunt-Väisälä frequencyN=6–9*10⁻² s⁻¹). The quasi-steady velocity field revealed polarization of currents along the shore whereas an intensive baroclinic coastal jet was observed over a cross-shore scale of 1–2 km. The level of vertical separation of the alongshore flow coincided with the pycnocline at the coast, but was shifted below it in the offshore region. The cross-shore flow was considerably weaker and showed a three-layer structure with an opposite phase between the first and second surveys. It is suggested that the observed jet resembles a non-locally forced eastward propagating coastally trapped wave. In the offshore area the alongshore flow field satisfies local geostrophic balance quite well, except in the pycnocline where strong vertical stratification exerts considerable vertical stress. As vertical velocity shear is well correlated with vertical stratification, the horizontal advection prevails over vertical mixing. Horizontal inhomogeneities of density distribution are partly explained by vertical velocities with an estimated magnitude of less than 0·6 mm/s and the spatial pattern following bottom topography.     

海上风的边界层模式

由于航海、海上开发作业等对海洋上风和海浪的预报提出越来越高的要求,而海浪、风暴潮等海洋水文要素的数值计算和预报,迫切需要解决海洋上风场的精确计算。但是,复杂的海面结构,大气稳定度的影响以及风、浪之间动量的交换等,使海上风的理论计算遇到很多困难,至今大部分工作是依靠统计方法。利用天气预报的形势场计算地转风或梯度风,以及它与海面摩擦、大气稳定度的经验订正关系。     

Nonlinear Model of the Ekman Boundary Layer in the Generalized Vorticity Equation

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - Approximations are proposed for the Ekman thickness scale, in which the Coriolis parameter is replaced by absolute vorticity to consider the variability...