稳定条件下盆地上空大气边界层湍谱特征

本文利用100m~3系留气艇携带超声风温仪在复杂的盆地地形上空对1000m以下大气进行观测所获得的资料,研究小风稳定条件下大气边界层湍流结构特征。结果表明,在双对数坐标中,纵向速度u谱,垂直速度w谱,温度T谱在惯性区均遵循Kolmogorov的-2/3次律;横向速度V谱有其特殊的情形;协谱uw,wT及近地层的uT协谱在惯性区服从-4/3次律。和平坦、均一、开阔下垫面不同的是谱的峰值频率向高频移动,且没有发现近地层具有的谱峰随高度的明显变化关系。     

一次梅雨锋暴雨的边界层热通量输送与湍流动能收支分析

利用中尺度WRF模式对于2007年7月一次典型的梅雨锋暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,对于边界层内的热通量输送和湍流动能的时空变化特征,以及湍流动能各收支项的分布及变化特征进行了分析。结果表明,降水发生时段内边界层热通量和湍流动能的时空分布特征与晴空日变化特征表现出显著不同,潜热通量随高度自下而上呈现"正—负—正"的分布,感热通量以负值为主,负值中心高度与潜热通量由负转正的高度相对应,湍流动能的发展高度与持续时间都有所增加,降水区近地面湍流动能弱于其他区域,但是在468 m以上高度则显著强于其他区域。降水区湍流动能的来源主要是平均风切变所产生的机械湍流,浮力作用与粘性耗散在降水期间消耗湍流动能,湍流输送作用将低层的湍流动能输送至较高的高度,使低层减小而高层增大,临界高度与湍流动能的大值中心高度对应。     

黄土高原复杂地形受中尺度运动影响的稳定边界层湍流特征

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,简称SACOL)2008年12月观测资料,研究了稳定边界层湍流特征.使用涡动相关资料研究湍流通量时,定义湍流的平均时间τ内的中尺度运动是造成湍流统计量变化范围大的主要原因,稳定情形? τ取几十秒至几分钟.对梯度理查森数大于0.3的强稳定情形的湍流尺度分解(MRD)谱分析表明,感热通量在112.4～449.9 s存在谱隙,尺度大于谱隙的中尺度运动造成了通量观测资料离散性大,甚至有支配性影响.动量通量的谱隙在112.4～224.9 s之间.弱风时,中尺度运动的影响更大,垂直风速标准差以0.1的比率随中尺度风速变化;垂直风速标准差同广义风速表现出很好的相关性,并随着广义风速消失而消失.三维风速标准差与摩擦速度呈很好的线性关系,垂直、水平、横风风速的无量纲标准差分别为1.35、2.54、2.21.对湍流动能的研究发现,在梯度理查森数大于0.3的条件下,仍然存在连续的湍流.以湍动能为依据,分析了湍流的平稳时间长度,其长度随稳定度变化而变化,2008年12月7～11日从133.5 s变化到856.2 s,湍流平稳时间长度反映了中尺度运动的发生频率.     

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。     

城市边界层动量和保守物通量的特征

利用2005年1-5月北京325 m气象塔47 m高度的湍流脉动资料(风速、温度、水汽和CO2),对城市边界层冠层内的湍流运动统计特征(相似关系、高阶矩、通量和谱等)进行了分析。其中,谱分析的结果表明,城市冠层内稳定度对湍流谱的影响比较小,而水平风速的影响比较大。因此,速度和温度的相似关系在夜间稳定条件下也成立。但是,由于水汽和CO2还受其他因素的影响,相似关系并不适用。更高阶矩的研究表明它们的陡峭度与偏斜度之间存在平方关系。而水汽和CO2之间也存在差异,它们的通量日变化特征明显不同,CO2通量的日变化更能体现人类活动的影响。同时,感热通量、潜热通量和CO2通量存在季节变化,尤其是潜热通量季节差异很大。     

南海卫星遥感海表湍流热通量资料的评估

利用现场观测资料、OAFlux的湍流热通量,评估了JOFURO（Japanese Ocean Flux Data Sets with use of Remote Sensing Observations）、HOAPS-2（Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite data version 2）、GSSTF-2（Goddard Satellite-Based Surface Turbulent Fluxes version 2）3种卫星资料在南海区域的表现。3套卫星资料可以说各有千秋,总体而言JOFURO和GSSTF-2资料的空间分布和时间变化与OAFlux资料整体上较一致,但是这两套资料都在很大程度上低估了海盆平均的潜热和感热,前者低估约10%~20%,后者则可以达到50%以上。HOAPS-2资料与现场观测资料有较好的一致性,但在时间变化上和其他资料的差异则较大,特别是感热方面,季节变化振幅、年际变化位相等都与其他资料不一致。通过比较我们发现,海南岛周边以及南海南部区域估算的潜热和感热释放偏小是造成整体偏小的主要原因。     

中国土壤热通量的气候计算及其分布特征

根据北京等6个热平衡站的资料，通过5种方案计算比较得出土壤热通量Qs动的气候计算方法Qs＝2．826·△θs-20＋0．486·△T－0．777这里△θs-20、△T分别为土中5与20厘米温差和地一气温差．该式相关比为0．897，平均拟合误差1．4wm-2。据此计算全国215站的土中热交换量，并分析其时空变化，得出一些有意义的结果。     

北京城区二氧化碳时空分布及湍流谱特征

利用北京325 m气象塔上安装的7层CO₂涡动相关系统在2014年12月到2015年11月的观测资料,分析了北京城区不同高度上CO₂浓度、通量时空分布及湍流谱的特征。结果表明:城市CO₂浓度日变化除了冬季都呈现双峰型,冬季由于人为碳源排放的大幅增加,双峰型不明显。每层的CO₂浓度、通量都有明显的季节变化:冬季最高,春末、夏季最低。CO₂浓度整体随高度的增加而降低。北京城区是CO₂源,CO₂通量的日变化不如CO₂浓度日变化规律明显。CO₂通量在47 m以下为负,47 m以上为正。通量在140 m以下随高度的增加而增加;140m以上随高度的增加而减少。根据对CO₂时空分布的分析可知:边界层CO₂浓度、通量强烈受到碳源、下垫面植被、大气稳定度、环境温度和天气过程等因素的影响。各变量谱与Kaimal等的研究结果接近:归一化速度谱和CO₂谱在惯性子区有－2/3的斜率,在低频区与稳定度参数（Z/L）有一定的关系。这说明复杂地形的城市下垫面的湍流谱结构与平坦地形相比没有太大的实质性差异。     

太平洋湍流热通量异常与中国夏季降水年代际变化

采用NCEP/NCAR再分析感热、潜热资料,利用EOF方法,分析了夏季太平洋湍流热通量年代际变化的时空特征及其与中国夏季降水的关系。分析结果显示,1951—2003年夏季太平洋湍流热通量距平的年代际分量的EOF前3个模态的方差贡献率分别为32.27%、12.52%、11.10%,且这3个模态分别与中国华北、华南和东北地区夏季降水的年代际关系密切;太平洋湍流热通量年代际异常EOF第1模态的时间系数与东亚夏季风指数年代际变化有显著的负相关。20世纪70年代中期以前,太平洋湍流热通量异常偏多,东亚夏季风偏强,对应华北降水偏多;20世纪70年代中期以后,太平洋湍流热通量异常偏少,东亚夏季风偏弱,对应华北夏季降水减少,干旱化趋势明显。     

绿洲灌溉对垂直湍流热通量影响的大涡模拟研究

为了研究湍涡对中尺度绿洲灌溉的响应,利用WRF模式大涡模拟模块（WRF-LES）在西北半干旱区绿洲区开展灌溉前和灌溉后两个大涡模拟试验（分别简称为BI和AI）,其中灌溉可能会改变绿洲非均匀强度。利用面积平均的办法计算湍流热通量并利用小波分析将湍流热通量模态分解到不同的尺度。结果表明灌溉增加了土壤湿度,引起绿洲内部非均匀强度增加,灌溉对垂直热通量以及通量频散都有较大影响。AI中的湍涡为网状,与BI中一致。AI与BI中的感热通量的频散高度都随着感热通量的减小而减小。AI与BI中感热通量小波能量谱尺度一致,但是BI中强度比AI小。潜热通量的频散高度依赖于感热通量,且潜热通量能量谱随高度减小。空间滞后相关系数的结果表明由于灌溉前地表加热较强,感热通量对地表热通量的响应高度在灌溉之前（BI）比灌溉后（AI）更高。灌溉后的通量模态的飘移距离小于灌溉前的。     

Different Turbulent Regimes and Vertical Turbulence Structures of the Urban Nocturnal Stable Boundary Layer

Turbulence in the nocturnal boundary layer(NBL) is still not well characterized, especially over complex underlying surfaces. Herein, gradient tower data and eddy covariance data collected by the Beijing 325-m tower were used to better understand the differentiating characteristics of turbulence regimes and vertical turbulence structure of urban the NBL. As for heights above the urban canopy layer(UCL), the relationship between turbulence velocity scale(V_TKE) and wind speed(V) was con...     

城市近地层湍流通量及CO2通量变化特征

利用北京325m气象塔47m高度上2006年全年连续观测获得的湍流资料,分析了北京城市近地层动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的典型日变化、月平均日变化和季节变化特征。分析结果显示:动量通量具有明显的单波峰日变化特征,在15时(北京时间)左右达到最大,季节变化中春季最大,冬季次之,夏、秋季最小;感热通量和潜热通量全年变化范围分别为-92～389W.m-2和-75～376W.m-2,其日变化也表现为单波峰特征。感热通量的日变化受城市下垫面和人为热源影响,入夜后虽然降为负值,但只略小于0。阴雨天感热通量和潜热通量均很小,降雨前后有明显区别。感热和潜热最大值分别在春季3月和夏季6月,最小值都在冬季1月;城市下垫面CO2通量总表现为正值,即净排放,最大值为3.88mg.m-2.s-1,不稳定情况下最小值小于-2mg.m-2.s-1。受到人类活动的影响,CO2通量的日变化特征在工作日与周末有明显区别;由于冬季采暖,CO2通量明显大于夏季;在夜间,CO2通量受进城车辆的影响也出现高值。     

Multifractal Characteristics of Intermittent Turbulence in the Urban Canopy Layer

The multifractality of energy and thermal dissipation of fully developed intermittent turbulence is investigated in the urban canopy layer under unstable conditions by the singularity spectrum for the fractal dimensions of sets of singularities characterizing multifractals. In order to obtain high-order moment properties of smallscale turbulent dissipation in the inertial range, an ultrasonic anemometer with a high sampling frequency of 100 Hz was used. The authors found that the turbulent signal could be singular everywhere. Moreover, the singular exponents of energy and thermal dissipation rates are most frequently encountered at around 0.2, which is significantly smaller than the singular exponents for a wind tunnel at a moderate Reynolds number. The evidence indicates a higher intermittency of turbulence in the urban canopy layer at a high Reynolds number, which is demonstrated by the data with high temporal resolution. Furthermore, the temperature field is more intermittent than the velocity field. In addition, a large amount of samples could be used for verification of the results.     

北京城市下垫面边界层湍流统计特征

分析了1998年10月在北京325 m气象塔47 m、120m及280m 3层取得的湍流资料,讨论了湍流宏观统计特征量等随稳定度变化的规律.结果表明,47 m及120 m观测到的感热通量的日变化基本一致,城市边界层中近地层高度可达100m左右,这主要是由于下垫面粗糙度很大所致.同时发现当冷空气来临时,边界层中的感热通量会有明显增大.     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究

利用新疆塔中站2006年4月、8月的三维风速。温度和水汽脉动资料,运用涡旋相关法计算得到了春、夏季塔中10m高度的动量、感热和潜热通量。结果表明,塔中地区地表热量输送以感热输送为主。春季每天的最大感热通量变化范围为120—320W·m^-2,月平均值为220W·m^-2;夏季最大感热通量的变化范围为140—340W·m^-2,月平均值为230W·m^-2。感热通量值在夜间为负,白天为正,符号的改变出现在日出、日落前后。夏季潜热通量最大值一般为20—60W·m^-2,平均值为27W·m^-2,潜热通量比感热通量小一个量级。春季动量通量的平均值为-0．063W·m^-2,夏季动量通量的平均值为-0．091W·m^-2。日变化规律比较明显,日出后,动量向下传输增大,在09-10时（地方时）出现一个最大值,随后动量向下传输并开始减小。     

Characteristics of Submeso Winds in the Stable Boundary Layer

The characteristics of submeso motions in the stable boundary layer are examined using observations from networks of sonic anemometers with network sizes ranging from a few hundred metres to 100 km. This study examines variations on time scales between 1 min and 1 h. The analysis focuses on the behaviour of the spectra of the horizontal kinetic energy, the ratios of the three velocity variances, their kurtosis, the dependence of horizontal variability on time scale, and the inter-relationship between vertical vorticity, horizontal divergence and deformation. Motions on larger time and space scales in the stable boundary layer are found to be nearly two-dimensional horizontal modes although the ratio of the vorticity to the divergence is generally on the order of one and independent of scale. One exception is a small network where stronger horizontal divergence is forced by a decrease in surface roughness. The horizontal variability, averaged over 1 h, appears to be strongly influenced by surface heterogeneity and increases with wind speed. In contrast, the time dependence of the horizontal structure on time scales less than one hour tends to be independent of wind speed for the present datasets. The spectra of the horizontal kinetic energy and the ratio of the crosswind velocity variance to the along-wind variance vary substantially between networks. This study was unable to isolate the cause of such differences. As a result, the basic behaviour of the submeso motions in the stable boundary layer cannot be generalized into a universal theory, at least not from existing data.     

大气边界层湍流能量交换特征研究进展

从一维湍流能量平衡方程出发,回顾了近几十年湍流能量平衡方程中的各项以及Karman常数k的研究成果,总结了大气边界层湍流能量交换特征的研究概况和热点问题,并对今后发展趋势做了展望。实验研究表明,湍流能量平衡方程中的各项在不同条件下有不同的形式;传统的能量产生和耗散的局地平衡假设存在不足,特别是在不稳定条件下,垂直的湍流输运和压力脉动对湍流能量收支起了非常重要的作用。Karman常数与Rossby数和Reynolds数无关,在比较光滑的下垫面上k近似等于040±001。