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。     

加利福尼亚流系流场的季节性演变

本文利用三维数值模型(ROMS-Co Si NE)分析了整个加利福尼亚流系水平流场的季节性演变过程,研究了美国加州中部海域流场垂直结构的季节性变化特征,并探讨了其动力学机制。研究发现:(1)数值模型能够较为准确的模拟流场的季节性变化,与浮标观测数据以及前人的研究结果符合良好;(2)从表层到200m,加利福尼亚潜流向高纬度扩张,近岸上升流急流则向高纬度撤退,加州南部海域的中尺度涡更显著;(3)在加州中部海域,近岸急流的最大值(约15cm/s)发生在夏季,位于近岸的表层海域;加利福尼亚潜流最大值(约4cm/s)发生于冬季,出现在离岸100km的125m处;加利福尼亚流在春季达到全年最大值(约5cm/s),流轴位于离岸(400—600km)的表层海水。加利福尼亚流系的流场具有显著的季节性变化,研究进一步表明这主要受地转关系调控。     

4种大气稳定度划分方法的分析比较

大气稳定度可标明大气湍流的强弱，在研究大气扩散时，大气的稳定度是很重要的，因为污染物在大气中扩散、稀释的速率、距离和范围受到大气稳定度的直接影响。当大气处于稳定状态，污染物在大气中扩散速率小，范围窄，最大浓度落地距离较远。当大气处于不稳定状态时，则出现截然相反的情况。因此．有必要仔细分析研究大气稳定度的变化规律。     

利用LAP-3000型风廓线雷达资料对深圳地区湍流耗散率特征的研究

利用2010年1-2月深圳LAP3000型风廓线雷达资料, 对湍流耗散率进行了估算, 针对典型晴天条件下的湍流耗散率ε、折射率结构常数C₂ⁿ、水平风速和风切变, 分析了其时空变化特征。得出如下结论: (1) 深圳地区低空大气ε的量级在10^-7~10^-1 m^-2·s^-3之间, 与理论模拟值基本一致; (2) 时间分布特征为, 2 km以下ε有很明显的日变化特征, 夜晚和上午ε较大, 下午及傍晚减少;(3) 空间分布特征表现为, ε随高度大致呈递减分布;ε量级达10^-2.5 m²·s^-3所在高度可作为深圳地区2010年1月14-15日边界层顶高度的判断依据。     

大气湍流对天基遥感系统地面分辨率的影响

分辨率是所有光学成像系统最重要的技术指标之一.当成像系统与待成像目标之间存在大气湍流时,后者便会在不同程度上影响图像分辨率.天基光学遥感更加关心大气湍流对目标地面分辨率的影响.从大气湍流相干长度和到达角起伏两个角度,通过详细的公式推导和数值计算,分别讨论天基光学遥感系统成像过程中湍流对图像地面分辨率的影响.结果表明,地面分辨率0.5 m以上的甚高分辨率遥感成像需要考虑大气湍流因素.     

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（SST）异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向（而不是SST本身）之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋）,大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。     

南京夏季城郊湍流统计特性及湍流通量对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维结构试验中的湍流观测资料,对南京市委党校和南京信息工程大学观测场2个观测点的湍流统计量和湍流通量进行了对比分析。结果表明：城市平均风速大于郊区;城郊2地的湍流强度都呈现出Ix〉Iy〉Iz的趋势,水平方向上的湍强城郊相差不大,而垂直方向上,郊区的Iz要明显低于城市;城、郊的风速归一化标准差σu/u＊、σv/u＊、σw/u＊都符合MoninObukhov相似理论的＂1/3＂定律,城市的垂直风速归一化标准差大于郊区,而水平方向上的风速归一化标准差则明显小于其他下垫面;郊区风速归一化标准差与常熟农田的拟合结果较为相似,而城市风速归一化标准差与长白山森林的拟合结果更为接近;夏季城市以感热通量为主,而郊区湍流能量的输送以潜热通量为主,且城市的湍流热通量受太阳辐射的影响更大。     

高含沙分层流的试验研究

高含沙水流进入低含沙量河流中时,往往形成比较稳定的分层流.通过水槽试验研究了泥浆流同向分层流的深度比,界面剪力在分层流中的作用,闸门开启引起的双向分层流的速度,以及各种分层流的稳定性.     

大涡模拟模式研究对流层湍流

利用三维大涡模拟模式研究不同地面热力状况和风切变对湍流产生的影响，在对流层湍流发展过程中，这两种作用是同时存在的、同时起作用，水平风速的瞬时垂直切变可以在自由大气中激发湍流，但它不能维持很长时间，对流热泡也可以在自由大气中激发湍流，其湍流强度与地面的热量强度有关。     

黑河下游绿洲近地层湍流输送特征研究

分析2003年9月5-27日在黑河下游额济纳绿洲取得的近地面层湍流观测资料,讨论无量纲湍流方差与稳定度参数Z/L的关系.无量纲风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*在不稳定层结与稳定度Z/L满足1/3次方时,符合Monin-Obkuhov相似理论.在近中性时,σu/u*、σw/u*值比平坦下垫面的略小些,σv/u*值比平坦下垫面的略大.无量纲温度脉动方差和湿度脉动方差在对流状态下与Z/L满足-1/3次方,在稳定和不稳定层结下,随|Z/L|减小而增大.地面热量以感热输送为主,感热通量峰值约为250 W/m2,潜热通量的峰值为170 W/m2;夜间潜热通量较小,感热通量则出现负值.动量通量日间平均在0.2-0.3 N/m2,峰值为0.31 N/m2.黑河下游绿洲柽柳林动力学粗糙度比HEIFE戈壁及其他绿洲下垫面的大,中性时z0m=0.47551 m.中性状态下动量整体输送系数CD=22.2×10-3,不稳定层结时平均值CD=10.3×10-3,稳定层结时平均值CD=7.2 × 10-3.热量整体输送系数CH,中性状态下CH=3.2 × 10-3,不稳定层结时平均值为CH=3.3×10-3,稳定层结时平均值为CH=2.7×10-3.