近壁湍流边界层相干结构形成的动力学分析

以壁面脉冲扰动来构建湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构理论模式,采用直接数值模拟的方法,研究了湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构形成的理论机制和演化规律.计算结果显示非对称相干结构比对称相干结构更容易增长,这是由于非对称型结构能在湍流边界层近壁区域诱导产生较大的展向扰动速度,且不同初始结构类型分布对湍流边界层近壁区相干结构形成的动力学机制不同所致,从而加深了对近壁湍流边界层单个相干结构形成的某种动力学机制的认识理解.     

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。     

大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及试验研究

该文在大气边界层多尺度湍流理论和湍流穿越理论的基础上，建立了大气边界层感热通量的非局地多尺度湍流计算方法，并选用1998年5～8月份第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）的大气边界层综合观测基地昌都站观测资料，分别用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法和经典相似理论计算感热通量。对计算结果的对比分析表明，用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法能计算出感热通量的逆梯度输送，也能计算出青藏高原近中性层结条件下明显的感热通量。此外，多尺度湍流理论还有待进一步发展完善，提高感热通量的计算精度。     

非线性多层行星边界层风场

本文利用小参数展开法研究非线性行星边界层,将其分为近地层和Ekman层,而Ekman层又分为若干层。在近地层中,取湍流粘性系数K为高度的线性函数;在Ekman层中,取K为逼近O′Brien[1]公式的分段常数。利用上下边界条件和分层界面上由风速连续和粘性应力连续而列出的衔接条件,求得了各层的风速和边界层顶的垂直速度的解析表达式,并计算和作图分析了特定的圆形轴对称气旋和反气旋的个例,得到了一些新的结论。例如,边界层中风速与其顶部风速的最大夹角远小于Wut的结果,只有25°左右,而近地层风速却远大于Wu的结果,50米处即可达地转风的一半左右。这些都与实测更趋于一致。再者,此个例还表明,Wu所得到的关于摩擦作用造成的边界层顶垂直速度在中心处达最大值,而我们得到的却是零,这与近中心处地转风很小,使边界层顶风速很小,因而风速切变很小,摩擦作用便很微弱的结论是一致的。由此可见,边界层中的风分布对湍流粘性系数是敏感的。     

北京地区严重污染物状况下的大气边界层结构与参数研究

利用北京３２５ ｍ 铁塔资料对出现在１９９８ 年９ 月２６～３０ 日的一次严重污染过程的边界层结构和决定大气污染物扩散稀释的边界层参数作了分析和研究。分析发现, 这段时间边界层稳定层结占绝大多数, 白天在近地面的不稳定层结上还时有逆温盖, 另外在此期间风速较小。利用此资料还得到了北京严重污染状况下决定边界层湍流的一套基本物理参数     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

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.     

自由对流与稳定层结边界层风廓线的解析表达和边界层顶抽吸速度

基于近年来对自由对流和稳定边界层湍流交换特征的研究,求解边界层运动方程,得到这两种层结下边界层风的解析表达式.所得廓线与边界层特性参数符合观测特征.还求出了这二种层结下边界层顶抽吸速度的解析表达及其与某些参数的关系.结果表明,抽吸速度与层结有关,其特征可从物理上加以解释.     

夜间大气边界层的高阶矩数值模拟

本文建立了一个二阶矩模式,用此摸式对Wangara资料进行了实例模拟.结果表明,该模式能模拟出夜间边界层发展以及湍流结构的一些主要特征.计算发现在夜间边界层发展过程中存在一种突变现象.     

风廓线雷达简介

风廓线雷达包括边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达、可移动风廓线雷达等系列产品 ,在气象、军事、航空、航天及全球变化研究等方面具有广泛的用途。其中边界层风廓线雷达在大气边界层空气质量、中尺度天气预报、垂直风切变、湍流、尾涡流研究等方面发挥着很好的作用 ,特别是在对飞行有严重影响的低空风切变、下击暴流的研究方面 ,目前还没有其它可替代的探测产品。边界层风廓线雷达是多普勒雷达的一个分支 ,它能可靠地提供从近地面到高空约 3公里高度处连续的实时水平风分量、垂直风分量、水平风分量垂直剖面图以及从近地面到高空约 1 5公…     

行星边界层湍流特征的非线性模式

本文以行星边界层理论为基础,设计了一个定常行星边界层湍流特征非线性模式。根据行星边界层湍流现象具有波动和团块结构的特点,在模式设计中引用了量子化概念,构造了一个适合于大气湍流运动的波函数用以闭合方程组,并在类比的意义下考察了该方案的合理性。采用WKB渐近方法与数值解相结合,对行星边界层湍流特征进行了定量分析,并且与实验资料以及其他作者的模式作了比较。结果表明,本文设计的模式有能力描述定常行星边界层内湍流运动的非线性特征。     

层积云覆盖的边界层数值模拟研究(Ⅰ):数值模式的建立

层积云是一种在湍流作用下形成的边界层云,在这种边界层中,层积云顶即边界层顶,云层和非云层耦合在一起,为了加深对这种层积云覆盖的边界层的理解,许多作者已经做了大量的野外观测和数值试验研究,然而在数值模拟研究中存在湍流和云物理模式相互脱节的现象,针对这种缺陷,本文在湍流控制方程组中引入云滴控制方程,发展了一个新的用于研究海区层积云覆盖的边界层的数值模式,所建模式具有如下特点：（1）实现了云物理模式与湍流模式的相互耦合;（2）实现了云滴分档凝结模式和三阶湍流闭合边界层模式相互耦合,利用所建模式对大涡模拟对比试验所采用的个例进行了数值模拟,数值模拟结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层微湍流结构和云微物理过程。     

大气温度微结构观测

1980年5月和9月在天津地区用铂丝电阻温度计测量了3000米高度以下大气的温度起伏。白天的测量结果说明了温度结构常数和谱的一些特征。 证实了结构常数廓线在对流边界层顶的介面层有一个可能由夹卷作用产生的极大值。文章还讨论了界面层C_T~2的平均值及其Wanaaard的计算方法,给出了界面层的厚度。 谱分析表明,对流边界层、自由大气中的强湍流带有较宽的惯性区。在自由大气中谱分析将受湍流间歇性的影响。在塘沽附近海面上边界层的上半部曾得到幂率为—2.5的谱。     

对流边界层中夹卷作用的研究

本文采用从大涡旋模拟结果得到的湍流交换系数K,用K模式对对流边界层的结构、发展以及其顶部夹卷作用进行了研究。结果表明:边界层顶部夹卷对对流边界层的发展有重要影响;另外,我们把这种从理论上来说仅适用于温度、湿度等标量的湍流交换系数K应用到风速分量的计算中,也取得较好效果。     

一次强飑线边界层气象要素模拟分析

使用WRF中尺度数值模式,分别选用两种不同边界层参数化方案（MYJ,YSU）,对2006—06—25洛阳地区一次强飑线边界层结构进行模拟,对比分析近地面层风场、温度场以及边界层日变化特征,结果发现：WRF模式基本模拟出了强飑线过程边界层变化特征;在边界层方案中,MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理。这表明,用WRF模式能较好地模拟预报飑线的边界层气象要素特征。     

Hilbert方法在大气边界层湍流特征分析中的有效性

介绍一种新的建立在经验模态分解(EMD)方法基础上的非线性、非平稳数据分析技术一Hilbert分析技术,并首次将其应用于大气边界层(PBL)湍流数据的分析,初步探讨了其在PBL湍流研究中的有效性.通过对城市与森林冠层上湍流资料的能量分布特征和统计平稳度进行分析、比较,结果表明:Hilbert谱分析能有效地对PBL湍流信号进行分析.它的边缘谱分析能够有效地探测PBL湍流信号的能量分布特征,统计平稳度分析也能有效地给出PBL湍流信号平稳性的定量化测量,这些将有助于建立合适的数据质量控制方法,以及对现有空气质量与扩散模式中扩散参数的计算加以改进.文中个例分析中,城市和森林冠层上空的湍流有一定相似性,湍流混合都比较充分,但森林冠层上湍流信号的能量更多地集中在大尺度湍涡,且扰动风速的高频部分具有更强的间歇性.对于相近高度的湍流信号来说,多数情况下,森林冠层上相同尺度的湍涡表现得比城市冠层上更不稳定,但湍涡的含能量要更低.     

关于行星边界层顶现象

近些年,我国气象工作者从不同角度发现,离地面1000—2000米存在一系列重要现象,如低空逆温、低空急流和低空活跃层。本文把这些现象联系起来,说明它们都是一种行星边界层顶现象,是行星边界层和自由大气大尺度运动相互作用的结果。由于行星边界层顶是对流层大气中的最活跃层,其变化特征对暴雨、强雷暴及寒潮等灾害性天气有显著的预兆性,故研究这层大气的演变规律,不仅有理论意义,而且对于短期天气预报也是需要的。 。     

采用隐式立方样条计算平流过程的数值模式及理想实验

本文介绍了一种用隐式立方样条求解平流方程的数值方法,并从理论上对其无条件稳定性进行了证明,在此基础上建立了一个在地形坐标系下的两维原始方程模式,模式在行星边界层参数化中引入了湍流动能方程,在模式顶部引入了吸收层.数值实验表明:模式有较好的计算稳定性,对较高的模式水平分辨率和复杂地形均有较强的适应能力;对复杂地形和下垫面非均匀热源条件下中尺度系统的模拟能获得合理的结果,并具有较高的精确度.     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

山地中尺度环流中的大气边界层湍流摩擦效应

建立了一个三维原始方程数值模式，模拟在光滑下边界和无滑脱下边界两种情况下，山区中尺度环流的演变过程，指出在弱层结条件下，边界层湍流摩擦效应有利于流场的分离和涡旋偶极子环流的发展；在强层结条件下，表面摩擦效应削弱了分离气流和涡旋性环流的强度，但使其范围扩大。边界层湍流摩擦效应引起的分离流场和尾流区环流与非粘性动力过程引起的流场分离现象，虽然从其表现形式上看完全相同，但是其形成则是由完全不同的物理机制所控制。边界层湍流摩擦效应在上述两种分离流场的演变过程中表现出完全相反的作用。地转科氏力的调整作用在山地背风坡上促进了气旋性辐合环流的发展，而抑制了反气旋性环流的发展。