大跨度平屋盖表面的特征湍流研究

首先介绍建筑特征湍流的含义及其表现的几种形式。然后重点对一种典型的特征湍流形式——锥形涡进行了探讨,给出了通过风压信息识别其特征参数的方法。最后,结合一大跨度平屋盖缩尺模型风洞测压试验,对锥形涡的涡心位置、作用范围以及运动模式等特征参数进行研究,并给出了定量结果。这些工作有助于更好地总结屋面风压分布的一些共性规律,并进一步提出符合屋面绕流特点的阵风荷载模型或脉动风压功率谱。

基于地基C波段垂直雷达的青藏高原大气边界层湍流特征研究

基于2014年7—8月那曲地区不同来源的边界层高度资料(包括C波段调频连续波垂直探测雷达(BLH_(CR))、L波段探空(BLH_(SD))、梯度塔观测及欧洲中心再分析数据集(BLH_(ERA5))),分析了边界层高度(BLH)、不同感热通量(SH)和稳定度(z/L或BLH_(CR)/L)条件下近地层和混合层湍流统计特征及湍流谱。主要结果如下:(1)BLH_(CR)、BLH_(SD)与BLH_(ERA5)互相之间有很好的相关,均方根偏差约为0.6 km。那曲地区BLH_(CR)的日变化较为明显,日较差中值为0.7—0.8 km。在北京时16时BLH_(CR)达最大,样本中值约为1.2 km。(2)随着感热通量增大,近地层垂直速度标准差(σ_(w))、温度标准差(σT)、温度与垂直速度相关系数(R_(wT))逐渐增大,σT增大速率呈线性,σ_(w)和R_(wT)的增大速率在感热通量超过一定阈值后逐渐减小。当-z/L<0.3时,σT和R_(wT)随-z/L增大迅速增大;-z/L≥0.3时增速明显趋缓。(3)混合层内湍流垂直速度方差(σ_(w)^(2))最大值出现在(0.25—0.3)×BLH_(CR)高度,平均值为1.2—1.3 m^(2)/s^(2)。强不稳定时混合层内σ_(w)^(2)略小于弱不稳定;σ_(w)^(2)平均值随感热通量增大而增大。归一化湍流垂直速度方差(σ_(w)^(2)/w_*2)随z/BLH_(CR)增大先迅速增大后逐渐减小,极大值出现在0.35×BLH_(CR)附近。(4)随着不稳定层结的增强,近地层和混合层的归一化垂直速度谱均谱峰左移,谱峰对应的归一化功率谱密度变大。强不稳定时湍流尺度变大、能量增强。

面向六孔径结构的大气湍流特征参数提取方法

大气相干长度是度量大气湍流对光波前影响程度的重要参数,在多个领域中具有关键意义。为提高其测量精度,提出一种基于六孔径K-means聚类算法的大气湍流特征参数提取方法,解决了在测量过程中出现光斑边界不清晰甚至粘连的问题。此外,建立了大气相干长度测量系统,系统选用小口径光学天线和六孔径掩膜装置,在增加了统计值的同时兼顾了系统的便携性。利用该系统对长春地区进行多日全天实验监测,其实验数据表明,全天测量呈现出的趋势及数值符合湍流强度变化规律,所提方法相较于传统的阈值分割算法的精确性提升了33.05%,相关实验可为长春地区的湍流监测提供技术手段。

考虑特征湍流影响的体育场悬挑屋盖脉动风压谱模型

基于风洞试验对体育场悬挑屋盖的脉动风压谱进行系统研究,旨在得到适用于此类结构的脉动风压谱模型,为风振响应分析提供必要的信息。通过对屋盖表面脉动风压进行谱分析,可知在屋盖前缘处的风压谱与来流风速谱较接近,但屋盖后缘处则差异很大,表现出明显的漩涡脱落特征。因此脉动风压自谱采用来流谱与漩涡脱落谱相结合的形式来描述,并通过权数因子体现屋盖表面不同位置处流场作用的特点。对于脉动风压互谱则用指数衰减函数来表示,并确定了适用于悬挑屋盖的衰减系数。为验证所提出风压谱模型的有效性及特征湍流对风致效应的影响,对系列悬挑屋盖结构进行风振响应分析,风荷载时程分别采用风洞试验测得的风压时程、基于建议风压谱模型模拟生成的风压时程、按拟定常假设生成的风压时程。基于建议模型得到的响应结果与试验结果基本一致,基于拟定常假设的风振响应极值偏小10%~15%,均方根值偏小30%~40%,脉动风压谱建模中不可忽略特征湍流的影响。

广州地区典型清洁与污染过程的大气湍流与物质交换特征

利用2004年5月至2005年8月在广州番禺观测的一套陆气相互作用资料，结合污染物浓度资料分析广州地区污染过程与清洁过程的湍流交换特征，重点分析了近地层稳定度、风、湍流能量、物质通量与污染物的关系．分析表明平均风速与平均湍流能量的相关系数高达0．9以上，风速越大湍流能量也越大；污染物浓度与平均风速、湍流能量的相关性较高，其次是与水汽通量，均呈显著的负相关关系．污染过程期间平均风速、湍流能量与水汽通量仅为清洁过程的0．48、0．59、0．51倍，不利于污染物平流与扩散的气象条件降低一半，导致污染物的累积可达3-6倍．污染过程期间污染物之间存在较好的相关，尤其是PM10与NO2之间的相关性较高；而在清洁过程期间，污染物之间的相关性显著下降，PM10与NO2之间的相关性很低．

不同下垫面湍流统计特征研究

利用戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面进行的湍流观测资料,使用相同的湍流数据采集和处理方法,研究了不同下垫面湍流统计特征。结果表明:在不稳定层结下,三个方向分量风速归一化标准差σu/u ,σv/u ,σw/u 与稳定度参数z/L呈1/3幂次关系;水平方向速度归一化标准差随地表粗糙度的增加而降低,垂直方向的速度、温度和湿度没有明显差异。文中给出了不同下垫面近中性层结下风速归一化标准差的数值。研究还发现:较湿润地区的湿度统计特征与温度的相似。

珠江河口底边界层湍流特征量研究

通过高频流速仪ADV和脉冲相干声学多普勒剖面仪PC-ADP对珠江河口崖门底边界层进行了三个测次潮内(25 h)顶点连续观测,利用观测数据计算分析了潮流底边界层内的湍流特征量及其时空变化。结果表明:1)对于半日潮流占优的河口,各湍流特征量均具有明显的四分之一周日的变化规律;2)湍流强度、床底应力和摩阻流速在潮内的平均值以位于河口湾的测点所测值最大,依次向上游递减,而湍动能耗散率则沿河口湾至上游逐渐增大;3)三个测次边界层内涡动粘滞系数的平均值分别为2.42×10-3m2/s、2.20×10-4m2/s和6.16×10-4m2/s,拖曳系数的均值为7.89×10-3、1.63×10-3和1.99×10-2,两者潮内的变化均非常显著,相差可达一到两个数量级;4)在充分混合的潮流底边界层内,湍动能生成与耗散基本处于局部平衡状态,三个测次湍动能耗散率均值在8.89×10-5W/kg^7.43×10-6W/kg之间。

青藏高原珠峰绒布河谷地区近地层湍流输送特征

利用2006年6月和2007年6月中国科学院HEST大气科学实验在珠峰绒布河谷地区获取的近地层湍流观测资料,分析了近地层湍流谱特征和方差统计特征,讨论了上下2层(2 m和8 m)基本气象要素和湍流通量的日变化特征。结果表明,珠峰地区湍流能谱基本上符合Monin-Obukov相似性理论在惯性副区的变化规律;由于山谷复杂地形和下垫面的影响,湍流方差统计值均小于高原其它地方;珠峰地区近地层感热通量白天下层大于上层,夜间相反;潜热通量一天内基本上上层大于下层。

疏勒河上游高寒草甸下垫面湍流特征分析

利用2011年疏勒河上游高寒草甸生长季(5-9月)的近地层湍流观测资料,分析了该区域近地层三维风速标准差统计特征及近地层能量交换特征。结果表明,研究区域无量纲化三维风速标准差与稳定度的关系满足Monin-Obukhov相似理论;在近中性条件下,高寒草甸下垫面无量纲化三维风速标准差近似表现为一常数,即σu/u*=3.50,σv/u*=3.30,σw/u*=0.96;通过最小二乘法(OLS)的回归直线,5-9月强制通过原点的OLS回归斜率分别为0.76,0.72,0.75,0.73和0.73;能量平衡比率(EBR)月平均值分别为0.90,0.85,0.86,0.88和0.93;能量闭合度白天大于夜间,EBR从早晨到下午呈增加趋势,并在日出和日落时段变化较为剧烈。在生长季节研究区净辐射主要消耗于潜热即研究区的蒸散,其次是陆地与大气间的感热交换,最后是地表热通量。

云贵高原西部大理地区近地层湍流特征分析

利用大理国家气候观象台2007年3—12月观测资料,采用涡动相关法等计算方法分析了该地区湍流强度、湍流方差、湍流通量等特征量的日变化和干湿季变化特征。结果表明,湍流强度干季大于湿季;湍流方差与稳定度满足1/3次方定律,风速方差在稳定条件下比不稳定条件下离散,水平方向比垂直方向离散;湍流通量有明显日变化特征,感热、动量通量干季大于湿季,潜热通量湿季大于干季,干湿季热量交换以潜热为主;干季能量闭合率大于湿季;不同风向条件下平均水汽密度存在差异。

青藏高原改则地区近地层湍流特征

分析了第二次青藏高原气象科学试验 (TIPEX) 1 998年 6～ 7月加强期在改则取得的湍流资料 ,讨论了近地层湍流宏观统计量、温度、湿度结构参数以及通量整体输送系数等变化规律 ,结果表明在不稳定层结下 ,湍流宏观统计量等随稳定度的变化满足过去在平原地区得到的相似关系。

珠江河口潮流底边界层的湍流特征量研究

通过高频流速仪ADV和声学Doppler剖面仪ADP对珠江河口虎门潮流底边界层进行了一个周日(25h)定点连续观测,利用观测数据计算分析了洪季潮优型河口潮流底边界层内的湍流特征量。结果表明,(1)底边界层内的湍流具有一定的各向异性,脉动分量概率分布为准正态分布;(2)对于半日潮流占优的河口,湍流脉动强度、底床切应力、摩阻流速以及湍动能耗散率等均具有明显的四分之一周日的变化规律;(3)边界层内床底切应力与摩阻流速的变化范围分别为1.8×10-2～3.5×10-1Nm-2和2.2×10-3～1.8×10-2ms-1,湍动能耗散率平均值约为1.9×10-5Wkg-1。

南京冬季城、郊近地面湍流特征的对比分析

利用2006年2月17日—3月2日南京及其郊区的近地层湍流资料,分析了城、郊下垫面的无量纲化风速、温度的湍流特征,验证了Monin-obukhov(M-O)相似理论在城、郊下垫面的适用性,并与其他城市和地区的观测结果进行了比较,结果表明:在市区和郊区无量纲脉动风速标准差随稳定度的变化虽然都符合"1/3"次方律,但城、郊有一定差异,尤其在水平方向更为明显。在非中性时垂直向的变化要比水平向更符合"1/3"次方律;σT/|T*|与Z/L关系在城、郊有一定差异,在不稳定时在市区和郊区分别按"-1/3"次和"-2/3"次方规律变化,而在稳定时市区按"-2/3"次方变化,郊区无普适函数关系。在稳定和不稳定条件下,城、郊σT/|T*|都随着|Z/L|的减小而增大。

河谷城市小风条件下的近地层湍流特征

利用兰州城市和郊区皋兰县冬季同期的湍流观测资料，分析了城市和郊区的湍流强度、脉动速度标准差和湍流的欧拉时间积分尺度等湍流特征量，并与其他地区的湍流观测量进行了对比，从而揭示了兰州河谷城市小风条件下的大气湍流特征。

不同下垫面温度和湿度湍流谱特征研究

利用相同探测设备、相同试验方法在戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面开展的多次重复湍流观测实验资料,采用相同的湍流数据采集和处理方法,研究了不同下垫面温度和湿度湍流谱特征。研究表明:归一化的温度和湿度谱的高频段满足-2/3幂次律,低频段谱曲线相对集中在较窄的范围内,不呈现随稳定度参数z/L规则散布;较湿润地区的湿度谱曲线与温度谱十分相似,谱形一致;平坦地形谱曲线比粗糙下垫面要开阔、平缓;粗糙下垫面的谱曲线较为尖锐,"拐点"对应的无因次频率约为0.1;高粗糙度下垫面的高频段谱曲线高于平坦地形,说明高粗糙度地区的局地湍流耗散较强。戈壁下垫面的低频段湿度谱数值明显高于其他地区。研究还发现,稳定层结下,由于大尺度过程和重力波的共同作用,在分析双峰数据时应慎重。

黄土高原半干旱草地近地层湍流温湿特征及总体输送系数

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年夏季晴天近地层湍流观测资料,分析了SACOL站近地层湍流温、湿统计特征,确定了大气动力学和热力学粗糙度长度,讨论了总体输送系数随大气稳定度的变化规律。结果表明,大气层结不稳定条件下,无量纲温度和比湿脉动方差与稳定度Z/L之间均满足-1/3次规律;大气层结稳定条件下,温湿脉动方差总体趋势是随大气稳定度增加而减小。水汽通量全天大于零,最大值为0.063 g·m-2·s-1,地表日平均蒸发量为1.9 mm。中性条件下,黄土高原半干旱草地动力学粗糙度长度为6.6×10-3m,热力学粗糙度为1.85×10-5m。大气层结不稳定条件下,CD平均值为4.4×10-3,CH平均值为3.9×10-3;中性条件下,CD和CH平均值分别为4.2×10-3和2.8×10-3;层结稳定条件下,CD平均值为3.1×10-3,CH平均值为2.1×10-3,表明总体输送系数随稳定度的增大而减小。

海陆风环流及其湍流特征模拟试验

本文建立了一个采用工程上实用的E－ε闭合方案的边界层模式。作为应用，模拟研究了海陆风环流、陆上和海上热力内边界层以及湍流特征。结果表明，海风环流中的湍流能量大于陆风环流中的。离岸不同距离处不仅湍流能量不同，而且影响其发展的主导因子也不同，岸边TIBL内由风切变支配，混合层内由浮力作用支配。陆上TIBL廓线不是光滑变化，其下风向伸展范围比夜间海上TIBL的大得多。地－气交换量与海风厚度和大小有关。文中还对几种晨间不同条件下的海陆风环流特征作了试验，结果与一般特性的观测事实一致。

云南大理干湿季近地层湍流特征对比分析

利用大理国家气候观象台2007年3月至2008年1月观测资料,采用涡动相关法等计算方法分析了该地区湍流强度、湍流方差、湍流通量等特征量的日变化规律和干湿季变化特征。结果表明:湍流强度干季大于湿季;湍流方差与稳定度满足1/3次方定律,风速方差在稳定条件下比不稳定条件下离散,水平方向比垂直方向离散;湍流通量有明显日变化特征,感热、动量通量干季大于湿季,潜热通量湿季大于干季,干湿季热量交换以潜热为主。

青藏高原东部土壤冻融过程中近地层湍流统计特征分析

利用玛曲黄河源区气候与环境综合观测研究站的湍流资料,分析了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中近地层湍流统计特征的差异。结果表明,冻融过程中不同阶段近地层湍流输送特征表现出一定的差异性;各个阶段不稳定层结下无量纲化的风速分量脉动方差与稳定度符合1/3次方律,近中性条件下无量纲化的风速分量脉动方差近似为常数,水平方向上的风速分量方差随地表动力学粗糙度减小而呈现逐渐增大的趋势,垂直方向上的速度脉动方差变化不大,说明下垫面的物理特性对水平速度分量方差的影响比垂直方向明显;冻融过程中不稳定层结下无量纲化的温度、湿度和二氧化碳脉动方差与稳定度符合-1/3次方律,温度和湿度的拟合系数表现为冻结状态下的值小,而冻结前和融化后的值大。

天津城市边界层湍流统计特征

利用2008年2月1～28日在天津气象塔上观测的超声风、温资料和常规风、温及湿梯度资料,计算了天津城市边界层无量纲湍流速度方差、湍流温度方差、感热通量、动量通量和湍流动能。结果表明,在不稳定层结条件下,40m高度上无量纲湍流速度方差和湍流温度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似理论,在220m高度上只有垂直方向上的湍流速度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,其他变量均不遵循这一规律。城市复杂下垫面特征主要影响风速的水平分量方差,对风速垂直分量方差影响不大。湍流通量和湍能均具有明显的日变化特征。