南极冰盖极昼期间近地面湍流特征的实验观测

根据我国首次在东南极大陆冰盖上获得的超声风温仪直接测量资料,采用涡旋相关法计算和分析了极昼期间雪面上的湍流强度、湍流动能、湍流感热、粗糙度、拖曳系数和归一化方差.结果表明,南极冰盖表面的粗糙度为4.3×10~(-4)m,拖曳系数为1.8X10~(-3),湍流参数有明显的日变化.     

地震面波与重力联合成像分析苏拉威西周缘壳幔热-流变学结构

苏拉威西岛位于苏拉威西海、班达海之间, 是研究海陆耦合、俯冲后撤等地球动力学问题的重要地区.本文利用这一地区24台宽频带地震台站记录的地震面波和背景噪声数据中提取出的面波频散数据和来自卫星的重力异常数据, 开展了地震面波与重力联合层析成像反演, 获得了苏拉威西周缘地区深至240 km深度的三维V_S速度模型.基于三维波速模型, 本文利用热-流变学方法, 计算了该区岩石圈底界的热流变学边界层厚度、黏性变化特征, 结果表明: (1) 苏拉威西岛岩石圈流变边界层东南厚、西北薄, 这可能导致新生代苏拉威西岛在陆壳碎块位移与重组过程中, 岛东支的东部北向速率最大, 岛北支西部北向速率次之; (2) 北苏拉威西海沟俯冲后撤板片上覆地壳对应S波波速低值异常区, 可能代表了富含流体的软弱板片, 推测苏拉威西俯冲带是一个慢速俯冲带, 且后撤过程不连续.

     

湍流强度定理和湍流发展的宏观机制

湍流是普遍存在而至今仍未被充分理解的自然现象. 简单回顾了湍流理论的发展历史和现状, 指出以不同层次利用和不同方法探讨湍流特征和机制的必要性. 为此利用非平衡态热力学理论将Reynolds湍流和Bénard湍流统一地表述在动量湍流输送定理和湍流强度定理中. 证明了流体湍流发展的宏观原因是速度剪切效应和温度剪切效应共同作用的结果, 速度剪切效应和温度剪切效应也是湍流场相空间轨线不断拉伸和折叠的宏观原因. 并以大气实验资料证明, 湍流强度唯象系数不仅是速度剪切的函数, 还是温度剪切, 即大气热力层结稳定度的函数. 从而以实验事实证明了湍流强度定理的真实性.     

我国西部高原地区近地层湍流特征的研究

通过对青藏高原第二次大气科学试验(TIPEX)得到的当雄湍流资料的分析,讨论了青藏高原地区的近地层湍流特征.结果显示:速度分量、温度和湿度谱大多满足相似理论的-2/3次方律;高原上无因次垂直速度方差在中性时与前人在平原地区得到的结果比较接近,但高原上无因次水平风速方差值大于平原地区值.在强不稳定层结时,高原观测结果显示无因次垂直速度方差和无因次水平风速方差符合-1/3次方规律.在稳定层结时,风速三个分量的方差都随稳定度z/L的增大有所增大.无因次温度和湿度方差在强不稳定条件下服从-1/3次方规率.稳定条件下无因次温度方差随z/L略有下降趋势,而后趋于常数,无因次湿度方差无明显的规律.在干季以感热通量为主要地面热源,湿季两者贡献相当,潜热通量略大于感热通量.得出了不稳定层结、稳定层结情况下高原的无因次温度结构参数和湿度结构参数与z/L之间的关系,得到了中性层结时整体输送系数的实测结果.     

等离子体湍流对电子的加速

本文讨论了等离子体湍流对电子加速的两种模型:（1）假定在空间中存在一个空间均匀的等离子体湍流区,当具有一定初始分布的电子束通过此湍流区时,研究湍流场对电子束的加速过程;（2）在某一封闭的区域中,存在着具有一定初始分布和空间均匀的等离子体,当某种类型的等离子体波突然传入此等离子体区,然后考察此区中电子的加速过程。在这两种模型中,可能存在着某种电子消失机制。假定湍谱是幂指数形式,我们给出了不同类型湍流扩散系数的普遍形式。利用较简单的数学方法,求解了包括消失过程的一维准线性动力学方程,对于给定的初始分布,得出了分布函数的解析解,并给出了平均能量时间关系的表达式。另外,对于特定的湍谱指数,解出了当平行电场和湍流同时存在时的分布函数。最后,对所得结果进行了数值分析和讨论。     

北京城区二氧化碳浓度和通量的梯度变化特征——I浓度与虚温

根据北京塔7层涡动系统2012年5月至2013年12月的湍流观测数据,分析了北京城区二氧化碳浓度在不同高度层次的日变化和月变化特征,并初步给出不同季节和日变化时间段内二氧化碳的浓度垂直廓线.结果表明:二氧化碳浓度整体随高度而下降;各观测层均有浓度的明显日变化,夏季最为明显,冬季相对平缓;近地层浓度直接受城市供暖、地表植被、交通运输等碳源影响,更高观测层浓度则受对流输送和天气过程影响较大;垂直方向上,冬季浓度变化范围最大,夏季层间浓度变化最明显;在一天中的任何时刻,近地面层二氧化碳浓度的日变化最低值一般出现在夏季,50m以上则出现在春季,浓度最高值总是出现在冬季;根据对二氧化碳浓度四季垂直廓线变化的分析可以看出,边界层二氧化碳浓度强烈受到碳源、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.     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数(η)控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg(η)成正比.流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素.全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90km,很好地验证了流变边界层的存在.研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小:由西部鄂尔多斯的约80km减少至渤海湾盆地的约20km.反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

夏季金沙江下游水-气界面CO2、CH4通量特征初探

河流是连接大陆和海洋两大碳库的桥梁,在全球碳循环中的作用举足轻重.金沙江作为长江的上游段,对区域碳循环及区域化学风化的影响非常重要.于2015年8月8-18日对金沙江下游水-气界面CO_2与CH_4通量特征进行监测与分析.采用顶空平衡法结合薄边界层模型估算法计算表层水体CO_2与CH_4的分压以及水-气界面的交换通量,并分析环境变量与其之间的相关性.研究发现,金沙江下游表层水体p(CO_2)平均值为2724.84±477.18μatm,表层水体p(CH_4)平均值为59.96±6.74μatm;水-气界面CO_2通量平均值为2.24±0.50 mmol/(m2·h),CH_4通量平均值为0.000163±0.00009 mmol/(m2·h),通量与分压趋势基本保持一致.表层水体p(CO_2)与溶解性无机碳浓度、碱度均呈显著正相关,而p(CH_4)与水温、叶绿素a浓度均呈显著正相关,CO_2通量与p(CO_2)、溶解性无机碳浓度、碱度均呈正相关,CH_4通量与p(CH_4)、风速均呈正相关,其他环境因素对通量的影响不明显,仍需进一步研究.金沙江下游水-气界面CH_4扩散通量较低,而CO_2扩散通量在世界主要河流中属于中等水平.     

瑞利数对热对流的影响——在地幔柱中的应用

本文分别在直角坐标系和柱坐标系下,研究瑞利数从104逐渐增大到107对热对流的影响,数值计算结果表明:瑞利数越大,地幔柱越窄,地幔柱上升速度也越快;源自上地幔的地幔柱半径的范围为90到210 km.根据峨眉山内带的半径推算出地幔的黏性系数约为3.8×1021 Pa·s,地幔柱平均流动速度为2.5 cm/a.