湍流输送的非线性热力学性质

湍流输送是一种热力学不可逆过程,本文利用非线性热力学研究了湍流输送的特征.将热力学流对热力学力以平衡态作为参考态进行Taylor展开,可以得到湍流输送系数是系统宏观参量梯度的Taylor级数.线性湍流输送系数是Reynolds湍流闭合方案的K闭合湍流输送系数;而湍流输送系数非线性项则是系统偏离热力学平衡态所造成的热力学非线性效应.湍流输送系数这一热力学性质提供了一种热力学湍流闭合方案.线性湍流输送系数是正定的,湍流输送只能使系统宏观参量均匀化;而在远离平衡态的热力学非线性区,可能导致湍流输送系数负黏性现象.在最小熵产生态的条件下,热力学流对热力学力Taylor展开的各级系数间存在一种递推关系.利用这种递推关系大大减少了由实验确定的Taylor级数的系数个数.

HUBEX试验区近地面层的湍流输送

１９９８年淮河流域能量和水循环试验（ＨＵＢＥＸ）期间曾进行了１个月的近地面层湍流观测。分析不稳定条件下湍流的统计特性和谱特征，并与Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ相似理论进行了比较。结果表明，不稳定的时候各湍流量的统计特征与相似理论的预期相符。虽然不稳定条件下温度和湿度涨落的相关系数很高，谱的式样也相近．但湿度谱的峰值频率高于温度谱。协谱曲线的形状显示感热通量的谱峰较宽，表现出ｗ和Ｔ在较宽范围的强相关性，而水汽通量谱在高频段下降很快，说明水汽的输送更多地出现在低频部分。从谱相关系数可见，在近中性的时候，各尺度湍流涡的热量输送效率普遍较低，随着不稳定性增强而显著提高。分析还发现，不论不稳定性的程度如何，小尺度湍流的水汽输送效率都较低。水汽通量谱的相关系数随稳定度的变化不如热通量的谱相关系数大，表明近中性时除小尺度湍流外其他湍流涡的水汽输送效率高于热量输送。

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出:由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。

我国沙尘天气微气象学和湍流输送特征研究进展

基于风蚀起沙的物理机制,从微气象学角度回顾了国内沙尘天气的研究进展,介绍了沙尘天气过程近地面层微气象学特征,以及湍流通量演变规律和湍流作用对沙尘暴过程参数化的影响。同时,结合国外的相关研究,探讨了国内在沙尘天气研究方面存在的不足和今后的研究方向,如:开展沙尘暴过程数值模式湍流参数化方案的分析及与卫星和实验观测结果的比对研究;获取沙尘天气过程近地面层气象要素垂直廓线的精细分布,加深理解不同沙尘天气演变规律及特征;加强不同沙尘源区土壤湿度对起沙阈值影响的研究;开展不同粒径土壤的起沙率以及沙尘通量廓线演变规律的研究等。

东北林网地区廓线分布和湍流输送特征

本文根据在林网内和旷野对照点草地的温、湿、风廓线和湍流观测资料，就林网对廓线分布规律的影响和湍流输送特征进行了分析。结果表明：林网对近地面层风速的减弱，及增温增湿是明显的。林网地区近地面层存在空气动力学异常现象，其高度可达到或超过树高的３—４倍。林网对边界层的影响高度可达８—１０倍树高，并且对风廓线的影响要比对温度和水汽压廓线的影响更为明显。林网地区湍流宏观统计量σ_ｕ／ｕ、σ_ｖ／ｕ和σ_ω／ｕ比Ｐａｎｏｆｓｋｙ和Ｄｕｔｔｏｎ（１９８４）￣［１］著作中归纳的平原地区的结果系统偏低６—８％。σ_Ｔ／Ｔ的拟合系数旷野点比林网内大３０％左右。在相同稳定度参数ξ值时，林网内近地面层的感热通量明显比旷野对照点草地上大。

一个确定大气近地层湍流输送的计算方案

在相似理论的基础上，提出了一个确定大气近地层湍流输送特征（包括气象要素风、温度的垂直分布廓线，以及大气和下垫面之间的动量和热量通量交换）的计算方案。并与Ｂｕｓ－ｉｎｇｅｒ（１９７１）的迭代计算方案进行了比较，该方案计算结果较好，应用方便。

青藏高原不同地区湍流输送特征及其与气象因子的关系

利用第三次青藏高原大气科学观测试验数据,对高原不同地区感热、潜热交换等湍流输送特征进行了分析,并进一步对比研究了其与气象环境因子的相关关系。结果表明:(1)高原各站之间感热和潜热的差异性较大,但大多在雨季潜热会大于感热。干燥的狮泉河站属于高寒荒漠地区,降水极少,全年感热都远大于潜热,波文比年平均值可达到20.0;湿润的比如站和嘉黎站潜热在4~10月均显著大于感热,波文比在4~10月的数值范围在0.27~0.88。(2)高原感热和潜热通量的季节变化与高原季风所处的地理位置有密切关系,高原中部的感热通量在3~5月达到最大值,而高原西部则在4~6月最大,可能与高原季风的活动有关。(3)通过与气象要素的相关分析表明,高原西部狮泉河站感热与地气温差的正相关关系最为显著,全年的相关系数可以达到0.905,在4个季节相关系数也均大于0.79,这可能与下垫面是裸地有关;高原中部安多站和那曲站感热与风速的正相关在夏季最为显著,比如站感热与风速的正相关在冬季最为明显,而狮泉河站感热与风速在春、夏季均有着十分显著的正相关。

华北地区冬小麦田水热、二氧化碳和甲烷湍流输送特征的实验研究

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明,不稳定层结下,温度、湿度、CO2和CH4的归一化标准差随稳定度参数z/L的关系满足-1/3幂次关系.热量、水汽和CO2水平方向的湍流输送和垂直方向的比值与稳定度参数z/L存在一定的相关关系,但CH4没有类似特征.实验期间,感热通量数值较低,潜热通量较高;CO2在夜间表现出微弱的向上输送,其余时段为向下输送,可以认为实验站所在地区是碳汇;CH4的湍流输送整体为向下输送,无明显的日变化规律,可以认为是CH4汇.利用松弛涡旋累积法获取CO2和CH4通量的参数取值分别为0.61和0.30.

广州地区近地层湍流输送的特征

利用风温梯度观测资料，以相似理论为基础，采用迭代方法得到普适函数Φ（ｚ／Ｌ）的半经验表达式，对近地层总体输送系数的特征进行了分析，求得了与风速、温度的拟合关系，并利用实测资料对其适用性作了检验。

塔克拉玛干沙漠夏季近地面层湍流特征与热量和动量输送差异及成因研究

利用2016年7月新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站近地面层大气湍流实验观测资料,采用涡动相关、象限分析和频谱分析等方法,研究塔克拉玛干沙漠腹地强热力作用下近地面层湍流特征,对比分析热量输送与动量输送的差异,探讨输送差异的成因和物理机制。研究结果表明,近中性层结条件下,塔克拉玛干沙漠腹地近地面层湍流运动对热量和动量的输送作用类似;随着大气不稳定度增加,热量与动量的输送差异增大。在强热力条件下,湍流运动对热量的输送效率较高,但对动量的输送存在较大的随机性。输送差异形成的原因与湍流相干结构密切相关,在不稳定层结条件下,湍流相干结构以热羽为主,能够引起位温和垂直速度的同相位变化,但较难引起水平速度的相应变化。湍流运动的动力和热力响应物理机制不同,是热量与动量的输送差异及其随大气不稳定度增强而增大的主要原因。

南疆一次强沙尘暴的近地层特征和湍流输送分析

利用2006年4月10日沙尘暴过境期间塔克拉玛干沙漠腹地80m垂直梯度探测系统的实时资料,分析了该地区近地面层气象要素和湍流输送特征的变化过程。结果表明,沙尘暴过境期间,近地层风速有先降低后增大的过程,10m高度上动量向下输送明显,热量输送只有很小的上传趋势;沙尘暴过境前,近地面为弱稳定的逆温层,空气处于暖干的状态,10m高度上垂直气流表现为系统性的下沉运动,随着沙尘暴爆发,湍流交换显著增强,空气进入相对冷湿状态,气流有上升运动趋势,但强度不大,仍以水平湍能为主。

HEIFE戈壁地区近地层大气的湍流结构和输送特征

根据黑河地区地气相互作用实验研究(HEIFE)1988年POP和1990年PIOP实验的观测资料,分析了戈壁地区近地层大气的湍流结构,主要是风速分量和温度方差的相似关系,以及各有关量的功率谱和湍流通量的协谱。1988年POP期间发现的戈壁近地层大气中白天经常出现的水汽由上而下输送等特殊现象,在1990年PIOP中得到进一步的验证。文中分析了有关物理机制,认为这一现象和众所周知的“绿洲效应”是戈壁-绿洲这一地区性中尺度环流影响的两个侧面。

三种不同床面近地层湍流输送特征

为了深入理解土壤风蚀发生机制,利用风洞实验风速廓线资料,采用空气动力学方法,计算了干旱、半干旱地区不同类型地表近地层湍流输送随风速以及地表性质的变化特征。结果表明:地表越粗糙,风速越大,湍流输送越强,且湍流输送强度与地面粗糙元密度有关。

在观测质量控制下戈壁下垫面的湍流输送特征

利用敦煌地区戈壁下垫面2004年6月的原始湍流观测资料,评价了该站动量和感热通量的质量空间分布,在通量资料的质量控制下,初步确定了戈壁下垫面的湍流输送特征.湍流通量的质量评价显示,动量通量在白天和夜间都经常存在较差的质量,在白天出现的较差质量主要受湍流动量发展非充分的影响;动量和感热通量在大气处于不稳定时并且风向为东风或西风时质量总体较好.近地层的无量纲化各风速分量与稳定度之间基本满足1/3次幂关系,符合Monin-Obukhov相似理论.分析显示,测站周围的人工物对观测有明显的干扰.在剔除干扰后,戈壁下垫面的动量粗糙度约为0.59mm,附加阻尼在白天的变化比较离散,初步给出白天时取κB-1=3.1的建议.还讨论了不同的热力参数化方案在戈壁下垫面的适用性,κB-1=3.1的方案能够较好描述戈壁下垫面在夏季白天的热力输送。

六种近地层湍流动量输送系数计算方案对比分析

选取30多年来近地层湍流通量研究中具有代表性的六种参数化方案,应用GAME/Tibet试验中那曲通量观测站的实测资料,对比分析了各方案计算所得的湍流动量输送系数(CM)之间的差异。结果表明:六种参数化方案计算得到的湍流动量输送系数之间存在较大差异。对于那曲观测站稀疏短草下垫面而言,稳定条件下当理查孙数小于0.1时,除Businger71方案存在显著低估以外,其他各方案均能较好估算湍流动量输送系数;不稳定条件下,Dyer74方案对湍流动量输送系数的估算效果最好,其次为Wang02,Launiainen95和Louis82方案,Businger71方案误差较大。

青藏高原中部聂荣亚寒带半干旱草地近地层湍流特征研究

湍流运动是大气最基本的运动特征,是地气间能量物质交换的主要方式。利用2014年7月18日至8月31日青藏高原中部聂荣观测站的近地层湍流观测资料,分析了该地区近地层湍流统计特征以及近地层通量的日变化特征。结果表明:在不稳定和稳定层结下,风速分量归一化标准差σ_u/u_*,σ_v/u_*,σ_w/u_*与稳定度参数z/L满足相似理论的"1/3"定律,近中性条件下趋于常数,并表现为σ_u/u_*≈σ_v/u_*>σ_w/u_*;在不稳定层结下,温度、水汽密度和CO_2浓度归一化标准差σT/|T*|、σq/|q_*|和σ_C/|C_*|与|z/L|满足"-1/3"定律,在近中性层结下趋于常数,且明显大于青藏高原其他地区。湍流在风速0 m·s^(-1)<U<3 m·s^(-1)的环境中发展最为旺盛,垂直风分量的湍流强度较水平风分量更为集中,三个方向的湍流强度基本表现为I_u≈I_v>I_w。夏季潜热通量大于感热通量,CO_2通量的日变化以吸收为主,最强达到0.46 mg·m^(-2)·s^(-1)。

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。

黑河流域上游大气湍流特征分析

利用黑河流域上游阿柔观测站2008年6月10日至7月13日的近地层湍流观测资料,分析了该地区近地层方差和湍流谱的统计特征以及近地层能量交换特征.结果表明:黑河流域无量纲化三维风速、温度和湿度方差与稳定度的关系满足Monin-Obukov相似理论;湍流能谱基本符合Monin-Obukov相似理论,但个别能谱在某些频段存在谱隙,近地层湍流输送由于局地山谷地形影响出现大气湍流的非均匀和各向异性.夏季潜热通量大于感热通量,感热通量在夜间有明显向下输送的特点.

戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO2湍流通量呈逆输送特征,即CO2白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.199mg·m-2·s-1,整体上表现为碳汇;戈壁地区湿度小,其数值受水平来流的影响较大,日变化特征不明显;温度的归一化标准差与稳定度参数的关系满足Monin-Obukhov Similarity(MOS)理论;温度和CO2的能谱相似;互谱uc与uθ,wc与wθ相似;水汽和CO2的输送主要受水平方向湍流的影响.

青藏高原及周边地区近地层气候要素特征分析

利用中国气象局成都高原气象研究所建立的5个边界层站(湄潭、巴中、什邡、曲麻莱、狮泉河)2019年的观测资料,对比分析青藏高原及周边地区近地层大气要素变化和陆—气能量交换特征及异同点,探讨其原因。结果表明:(1)青藏高原及周边地区近地层大气温度、相对湿度、风速、感热通量、潜热通量、动量通量均符合一峰一谷的常规日变化特征,气压具有双峰双谷的日变化特征。(2)高海拔台站近地层温度日变幅(12℃)高于周边低海拔地区(4~6℃),季变幅与海拔高度的关系不显著。(3)相对湿度与温度关系密切,相对湿度的垂直结构和日变化都具有明显的区域差异,其垂直梯度夜间显著高于白天,峰值出现时间随夏、秋、春、冬季呈现季节性滞后,而谷值超前。(4)风速春季较大,夏、秋季次之,冬季小,季变幅略小于日变幅;低海拔区域的风速及其日变幅均显著低于高海拔区域。(5)低海拔区域气压季变幅(>13 hPa)远高于日变幅(2.5 hPa左右),而高海拔区域气压季变幅(>3 hPa)略低于日变幅(2 hPa左右)。(6)感热通量春季大、冬季小;感热通量和动量通量在高海拔区域均较高,二者具有较一致的日、季变化特征,表明大气动力因子对于陆—气过程感热交换起着重要的作用;潜热通量夏季高、冬季低,与海拔高度关系不明显,主要由测站所在位置、温度、湿度、地形、地貌等因素共同决定。