混合层顶覆盖逆温层变化规律研究

论文利用无线电探空仪获取了合肥市西郊一百多份温度和湿度探空资料 ,统计分析得到该地区大气边界层覆盖逆温的特点 :覆盖逆温层底平均高度为 1 2 2 0m、覆盖逆温层的平均厚度为 2 0 0m、覆盖逆温层的温度跃变平均值为 0 .7℃等 .覆盖逆温层底的高度具有季节变化趋势 ,与太阳直接辐射的时间积分有较好的相关 .根据边界层高度和感热通量的关系 ,可知感热通量约占地面接收到的太阳直接辐射的 30 % .

大气边界层的室内模拟研究——夹卷层温度场结构分析

利用室内水槽模拟大气对流边界层,并用多探头测量和光学方法测量分析夹卷层的夹卷过程和温度场结构。测量结果表明,夹卷层的温度场不同于各向同性湍流场,主要原因是夹卷层中含有一些大尺度的相干涡旋。

对流水槽温度场和速度场的测量

根据室内模拟大气边界层的需要,开发了适合于水中温度场和速度场测量的快速响应设备。采用铂电阻传感器多探头测量温度场,速度场采用片光源流动显示及PTV数据处理技术。温度和速度测量设备响应快,分辨率高,为室内模拟研究提供了可靠的实验手段。文中分析了温度和速度测量的系统误差和偶然误差,并提出了速度测量改进方法。

湍流池湍流特征研究

在用于激光束传输和控制模拟实验的湍流池中温度脉动测量结果表明，原始温度变化曲线上有明显的斜坡（ｒａｍｐ）结构．温度三阶及五阶结构函数和理论预计一致，和大气对流边界层的测量结果相似．斜坡结构的出现对二阶结构函数的影响较小，加热面和冷却面附近有明显的猝发现象出现，温度脉动的峰度系数大于３，表现了较大的间歇性。

利用气象要素估算近地面光学湍流

本文根据近地面层湍流相似理论分析了我国东海海面和合肥市西郊一水库上方及水库附近地面上的气象参数与光学湍流参数一折射率结构常数Ｃｎ２。结果分析表明，折射率结构常数Ｃｎ２和大气稳定度很好地满足经验关系．由此可以得到：在陆地和海域上可以利用气象要素对折射率结构常数进行估算．

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究

利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热。利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度.采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征。相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,具有稳定的环流结构。非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同。为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输送。计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温差变小,水平输送也变小了。由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度。

白天混合层顶部夹卷层厚度的特征研究

本文首先对Deardorff的一阶模型给予解释 ,在此基础上根据对流边界层湍流动能方程 ,分析机械湍流和对流湍流对边界层发展的贡献 ,提出一个新的速度尺度———混合层顶速度尺度 ,定义了全理查森数 ,给出夹卷层厚度的参数化方案 ,并用Boers和Elotanta的雷达观测数据进行验证 .参数化方案与实验数据符合得很好 .当夹卷层厚度表示为夹卷速度或夹卷理查森数的函数时 ,该函数曲线随边界层发展表现为磁滞回线形状现象 ,文中对此进行了解释 .

对流边界层水平温度场特征的水槽模拟研究

利用对流水槽模拟分析了均匀下垫面自由对流边界层的水平温度场结构特征.根据几何相似、运动相似和动力相似等要求设置初始条件和边界条件实施模拟.对流水槽的尺度为1.5 m×1.5 m×0.6 m,先加入具有一定温度层结的去离子水,然后底部加热形成对流,模拟对流边界层的发生和发展.利用快速响应的温度传感器测量温度廓线和不同高度上的温度起伏;利用准直光闪烁原理获得光学湍流场.根据温度廓线和光学湍流场的结果得到对流边界层厚度和稳定度等参数.根据不同高度的水平脉动温度,利用AR谱方法分析水平温度谱峰值频率所对应的尺度,该尺度对应于对流边界层的准二维对流热泡的水平尺度.统计分析结果表明,自由对流边界层大涡的水平尺度在边界层的下部随高度的增加而增加,约在0.65倍边界层厚度处达到最大,然后随高度的增加又逐渐减小.物理模拟与数值模拟和野外观测结果符合一致.根据对流热泡的这种特征,提出了一个自由对流边界层的热泡模型.

城市大气边界层的综合观测研究--实验介绍与近地层微气象特征分析

介绍了南京大学大气科学系依托国家自然科学基金重点项目《城市边界层三维结构研究》在南京进行的两次城市边界层综合观测实验(时间分别在2005年夏季与2006年冬季),对实验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些城市近地层微气象学的基本特征,并对结果进行了讨论.主要结果为:市区气温明显高于郊区,体现出城市热岛效应的存在,且市区与郊区的气温差异随高度的增加而减小;2006年冬季观测期间,市区的风速比郊区约小1 m/s,反映出城市建筑物对气流的摩擦、阻尼和拖曳等作用,这些作用使得平均风速在城市上空衰减,并使一部分气流平均动能转化为湍流动能;市区白天的感热通量与郊区相当,但潜热通量远小于郊区,因此市区的鲍恩比远大于郊区.市区下垫面储热项在地表能量分配中占有较大份额,成为城市热岛效应的主要成因;夏季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高34%;冬季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高23%.这种夏季大于冬季、市区大于郊区的现象表明,由于冬/夏热力学性质和城/郊下垫面动力学性质的不同而引起湍流活动的差异;为了定量地衡量气流平均场转化为湍流场的效率,表述动量输送的强弱,我们引入了一个新的变量:归一化摩擦速度.对冬/夏两季和城/郊两地的比较发现,归一化摩擦速度具有很好的相似性和一致性,它表现为一个不随季节和时间变化的常数;通过比较水平湍流方差2uσ+2vσ与垂直湍流方差2σw的方法,来更直观地研究湍流能量在水平和垂直两个方向上的分配特征.在2006年冬季观测期间,市区的2σw/(2uσ+2vσ)平均值为0.16,郊区为0.14,市区湍流能量在垂直方向所占份额略高于郊区.

气象激光雷达的城市边界层探测

为了研究城市边界层结构变化特征,2005年7月利用气象激光雷达在南京城区做了城市边界层探测试验,就此次观测试验作了简要叙述并选取部分观测资料为示例,着重对气象激光雷达确定城市边界层高度垂直分布及逐时变化以及地面气象环境对边界层的日变化影响进行了初步分析.结果表明,主要由近地层对流混合形成的城市边界层高度具有典型的日变化特点,早晚比较低,日间有一个从低到高再到低的变化过程.提出了一种由边界层混合状态确定边界层高度的方法.分析结果表明,由气溶胶消光系数确定城市边界层高度比较准确.将MSL探测结果与同步的低空无线电探测仪的温度探测结果进行比较,结果表明,两者获得的实际廓线分布相当吻合,线性良好.就地表温度、辐射、湿度及云等气象要素对边界层垂直分布及时间变化的影响做了分析.结果表明,这些气象要素的分布对城市边界层高度的垂直分布及其逐时变化有明显影响.

我国春季大气沙尘气溶胶分布和短波辐射效应的数值模拟

利用已建立的区域气候模式与大气化学模式耦和的模拟系统 ,在气候模式中引入了起沙机制 ,同时建立了与气候模式连接的沙尘气溶胶输送模式 ,模拟沙尘的输送、扩散、沉降等过程 .通过对 1 998年 4月的模拟 ,分析得到中国地区沙尘气溶胶的主要源区分布情况、沙尘的浓度分布特点和光学厚度特征 ,并且将一次沙尘暴个例与同期卫星观测的气溶胶指数分布做了对比 .进一步模拟了沙尘气溶胶辐射效应 ,发现沙尘气溶胶能减少地面的辐射净收入 ,使南方的大气辐射收入减少 ,使北方的大气辐射收入增加 .

复杂地形近地面温度谱

本文统计分析了复杂地形近地面大量温度脉动功率谱，结果表明，在复杂地形情况下，不一定总能用Kolmgorov的湍流谱来描述，相当多的时间温度谱的幂率偏陡，在-5/3至-3之间，有时还会在惯性区出现两段-5/3幂率，其中频率高的一段强度更强。本文还讨论了偏离Kolmogorov的条件和原因。

对流边界层顶部夹卷速度参数化的模拟研究

提出一个关于夹卷速度的新参数化方案 ,即混合层顶部夹卷速度We 可由对流边界层特征量W 、θ 、zi及覆盖逆温强度 θ+ z确定 .对流槽实验模拟的测量结果证实了该参数化方案的合理性 ,并由实验数据拟合得出了参数化方案中的系数 .数值模拟结果表明此方案可直接预报对流边界层高度zi,并能很好地预报出zi 的变化过程 。

湍流通量参数化方案的非迭代方法研究

基于Hgstrm(1996)和Beljaars et al.(1991)的研究工作,沿用Louis et al.(1982)和Launiainen(1995)的思路,本文采用多元回归分析方法,研发了一种采用非迭代方法的湍流通量参数化方案。该方案直接用整体理查森数、空气动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度对稳定度参数进行参数化,从而避免了通过循环迭代计算Monin-Obukhov长度。该方案不仅有效地节省了CPU计算时间,而且其计算结果与迭代方案(BHH方案)的计算结果非常接近。

对流槽湍流涡旋结构特征的小波分析

为研究夹卷层的湍流特性 ,用对流槽模拟大气对流边界层并做湍流温度测量 .能谱分析表明 ,混合层湍流谱幂律接近“ - 5 / 3”次律 ;而夹卷层湍流谱幂律有明显的分段特征 .利用离散正交小波对其湍流脉动信号进行去噪和尺度分解 ,将原始信号分成均匀各向同性小尺度涡旋成分和大尺度涡旋成分 ,并对分解后的信号做能谱分析 .结果表明 ,不论是在混合层还是在夹卷层 ,小涡都能很好地满足Kolmogorov的“ - 5 / 3”次律 ;

近海面气层温度结构常数的模式和测量

文中采用一个边界层湍流模式估算海面上温度结构常数C2T,模式输入的参数是气温、海表面温度和风速。模式估算的C2T与1999年6月在东海实测的C2T相当一致,此外,还对估算方法详细进行了敏感性分析。认为在估算C2T时,对温度测量的精度要高,选用Thiermann公式比较好。

大气边界层各向异性的室内模拟研究

边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义。利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性。

正交小波变换研究复杂下垫面边界层的湍流特征

小波变换方法具有较好的时频局部特性,非常适合于分析非平稳的湍流信号。本文对35 m铁塔的超声风速测量数据进行了离散正交小波变换,计算了各向同性系数(ISO isotropy coefficient)及小波功率谱,以此对实验场所代表的水陆交际复杂下垫面的近地面层湍流特征进行了研究。ISO系数可以很好地描述实际大气在不同尺度的各向同性特征。根据ISO系数的分布,我们可以通过设定一定的阈值(ISO=0.7)来得到各向同性小涡的分离尺度(记为ISO0.7),即湍流的各向同性尺度范围。研究表明,下垫面对于边界层湍流各向同性特性具有相当大的影响,当风从不同下垫面吹过时ISO0.7尺度的均值具有较明显的差异。同时湍流度和稳定度对湍流各向同性也有一定的影响。对湍流小波功率谱研究表明,功率谱谱幂率在分离出的小涡所处的频段接近于-5/3。而当风从陆面吹过且湍流度较弱时,湍流小波功率谱小涡以分离尺度所对应的频率(fms)为界具有明显的两段趋势:高于fms的频段,谱幂率一般接近-5/3;而低于fms的频段的谱幂率接近-3/3。这反映了下垫面特征对湍流功率谱的影响。同时在不同的风向转变过程中下垫面对功率谱的影响具有差异。

对流边界层顶部夹卷层厚度特征及其参数化分析

运用大涡模拟结果分析并讨论了对流边界层顶部夹卷层厚度特征及其参数化.常见的参数化方案是建立归一化夹卷层厚度与对流理查森数(Ri*)之间的指数对应关系,但不同研究结果得到的幂指数有很大差异.分析表明:"Ri*方案"本身是造成这种不确定性的原因;另一种理查森数(RiN),即浮力理查森数,可以较好地表征夹卷层厚度.大涡模拟结果表明:"RiN方案"能够有效地减小夹卷层厚度参数化的不确定性.为消除湍流随机性对参数化的影响,我们对大涡模拟结果进行了时间平均处理,并用所得数据讨论了夹卷层厚度与浮力理查森数之间的关系.结果表明:两者之间有很好的指数对应关系,平均幂指数为-2/5;计算结果同时显示,幂指数仍然存在一定的变化范围(-1/3^-1/2).夹卷层厚度的这种特性反映出夹卷过程的复杂性,即兼有热泡和界面振荡的特征.

复杂下垫面近地面层湍流特征的研究

本文使用小波变换方法研究了下垫面对近地面层湍流特征的影响.研究表明,各向同性系数(ISO)可以很好的描述近地面层湍流各向同性特征的日变化,其中,ISO0.7等值线可以作为一条代表性曲线来直观刻画湍流各向同性的尺度范围.在对不同风向及风向转变过程中ISO0.7等值线的变化特征进行研究后发现,ISO0.7尺度范围主要受源区下垫面特征的影响:当风从陆面吹来时,ISO0.7尺度较小;从水面吹来时ISO0.7尺度较大;而从水陆混合下垫面吹来时ISO0.7尺度介于陆地和水面之间;当风向在水面风和陆面风不断转变并达到均衡时的情况与水陆混合下垫面的情况较为接近;当风向持续从一种新下垫面吹向原下垫面时,ISO0.7将逐渐从原下垫面对应的尺度范围过渡新下垫面的尺度范围.