白洋淀湿地夏末大气边界层温湿廓线特征对比分析

2005年9月北京大学与中国科学院大气物理研究所联合在白洋淀湿地地区开展非均匀下垫面的大气边界层综合野外观测实验,利用新型高精度温湿度探空系统分别在陆地和水面两种下垫面进行连续观测。实验结果显示水陆两种下垫面的大气边界层结构具有明显特征：不同时刻、不同高度出现多层逆湿、逆温现象及清晰的边界层顶位置。同时发现该地区的陆地下垫面上空湿度较水面大、温度较低;水面上空湿度较小,温度较高,且水面上空边界层厚度要大于陆地。作者从盛行风向、局地能量平衡、陆气相互作用等方面对实验结果进行分析,结果有助于研究和了解夏秋季节白洋淀湿地地区大气边界层特性和演变规律,为进一步认识白洋淀湿地的水循环及能量平衡提供了参考。观测结果也检验了北京大学自行研制的新型高精度温湿度探空系统的性能。     

均匀剪切稳定分层流动中湍流特性的数值研究

采用大涡模拟的方法,研究了均匀剪切稳定分层流动.主要对不同梯度Richardson数下湍流动量和标量输运特性进行分析研究.结果表明:随着梯度Richardson数的增大,湍流动能减小,湍流势能增大；垂向热通量和雷诺应力减弱,流向热通量增强；并且在强分层情况下,存在动量和热量的逆梯度输运现象.     

扰动近地层湍流互谱特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料, 对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析, 重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示, 低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致, 基本遵循外层标度律(OLS)模型; 高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响, 湍流互谱低频能量显著增强, 且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值, 峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系, 主要的3个涡旋尺度分别为800, 400和200 m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响: 上层大于下层, 不稳定时大于稳定时。     

青藏高原中部地区不稳定大气边界层高度的确定与分析

利用1998年第2次青藏高原大气科学实验（Tibet Plateau Experiment, TIPEX）当雄大气边界层加强观测站的湍流观测资料,计算了青藏高原中部地区不稳定大气边界层的高度;结合低空探空获取的温度随高度的探测资料,对比分析了高原边界层演变规律,以及实验站干季、雨季不同时期的高原边界层发展规律异同;讨论了高原边界层厚度受高原地形的影响。得到高原边界层演变规律及高原边界层发展迅速,持续时间长等特点。     

南京夏季城郊湍流特征对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,对比分析了南京夏季城市和郊区下垫面的湍流特征。结果表明:①郊区大气层结呈现规律性的日变化特征,而城市大气几乎全天处于不稳定层结状态;②不稳定层结下,城市、郊区三个方向无量纲风速标准差与稳定度参数均呈1/3幂次关系;城市无量纲水平风速标准差小于郊区,而在垂直方向无明显差异,郊区略小于城市;③城、郊下垫面归一化风速谱曲线在高频段随无因次频率满足-2/3幂次律;低频段谱曲线集中在相对狭窄范围内;郊区风速谱曲线要比城市开阔且平缓;城市风速谱有明显拐点,水平风速谱和垂直风速谱拐点对应的无因次频率分别为0.007和0.01;④南京城、郊的垂直风速脉动含能涡区的特征尺度均小于水平风速脉动含能涡区,湍流动能在垂直方向上主要分布于小尺度湍涡。     

应用三维代数应力通量模型模拟分层流

根据分层流紊动扩散能力在水平与垂直方向存在明显差异的特征,建立了三维代数应力通量模型。模型以有限体积法离散,SIMPLEC方法求解速度、压力和温度耦合方程组。对某分层流试验数值模拟计算表明,计算结果与实测值吻合良好;对于各向异性的分层流,代数应力通量模型与双方程k-ε模型相比,更好地保留与模拟了其基本物理特征,所得结果更趋合理。     

基于时间序列分析的地表温度变化过程探讨

地表温度是地表与大气相互作用过程中的最重要的物理学参量之一。然而地表温度是一个动态的热平衡参量,受到地表能量平衡过程特别是大气湍流的影响,是一个动态变化的时间序列过程参量。为研究地表温度受大气湍流影响的机理和规律,选择西藏当雄和北京顺义地区为试验区,开展野外观测试验,对两个试验区的大气湍流通量数据和地表温度连续观测数据进行时间序列分析。定义了一个表征地表温度变化特征的参量——地表温度变化特征量,并通过时间序列分析的方法,分别对两个试验区的数据,建立了传递函数模型,并通过系数的置信区间讨论了两地模型的有效相等性。     

Thorpe分析法、垂直上升速度扰动法计算湍流参数的比较

 基于1998 年中国南海季风实验期间(5 月5-25 日,6 月5-25 日)科学#1 号考察船上的高分辨率气球探空数据,分别采用Thorpe 分析方法和利用气球垂直上升速度的扰动计算湍流参数的方法,计算对流层和低平流层湍动能耗散率ε和湍流扩散系数K。Thorpe 分析法是从温度的角度考虑,根据Thorpe 尺度L_T与湍流参数之间的关系计算湍流参数,而利用垂直上升速度的扰动计算湍流参数的方法是从速度的角度考虑,利用垂直上升速度的扰动σ_W与湍动能耗散率ε之间的关系计算湍流参数。通过对两种方法及其计算结果进行比较发现:在垂直结构方面,不论是月平均结果还是日平均结果,两种方法计算出的ε和湍流扩散系数K 均是在10 km 以上而在对流层顶以下较大,在对流层顶以上较小;两种方法计算出的K 的峰值高度均在15 km 左右;在数值范围方面,ε的取值均在10-6 ~10-2 m²·s^-3,K 的取值均在0~10 m²·s^-1,但是采用垂直上升速度的扰动计算湍流参数的方法求得的湍流参数小于Thorpe 分析方法得到的湍流参数;峰值高度方面,采用Thorpe 分析方法所得ε的峰值高度在15 km 左右,而采用垂直上升速度扰动方法所得ε的峰值高度在17 km 左右。     

悬移质含沙量的垂线分布规律探讨

初步探讨了二元明渠紊流扩散的时均结构和悬移质含沙量的垂线分布规律。研究结果表明，紊流垂向扩散系数的分布自边界附近向水面逐渐增大，在水面附近达到最大值；建立的含沙量垂线分布与近年来实测得到的水流脉动强度的生垂线分布规律相同，即最大值位于临底附近，由此向水面附近逐渐衰减但不等于零，向床面层快速快速衰减趋向于零；悬浮指标在垂线上是一个变量。     

Optical turbulence profiling with single star SCIDAR technique

In order to characterize optical turbulence, we have developed a single star SCIDAR （SSS） for measurement of the distribution of Cn^2 with height. The SSS consists of a 40 cm telescope and a CCD camera for fast sampling of stellar scintillation pattern. Spatio- temporal auto and cross-correlation functions of the single star images are computed, providing vertical profiles of optical turbulence intensity C2（h） and wind speed V（h）. Using this new SSS experiment, profiles of turbulence can be obtained from the ground to the top of atmosphere, allowing the determination of seeing, isoplanatic angle and coherence time. Detailed characteristics of atmospheric optical turbulence are important for active and passive imaging, astronomical site testing, adaptive optics, laser communications, target tracking and designation, and laser beam control. We plan to improve the robotization of the SSS to be able to use it routinely even under harsh weather and altitude conditions that we expect to encounter on the high Tibetan plateau or at Dome A in Antarctica. SSS will also be applied for the site testing campaign of the future Chinese extremely large telescope.     

青藏高原近地面层气象要素变化特征

利用第2次青藏高原气象科学实验(TIPEX)1998年5-7月改则、当雄和昌都3个大气边界层加强观测站获取的近地面层观测资料,分析了青藏高原西部、中部和东部地区近地面层风速、温度和湿度的日变化特征及其廓线规律,给出了青藏高原地区地表空气动力学参数和地表温度变化规律,讨论了高原近地面层湍流通量特征及逆湿现象。     

小型热浮力烟流的铅直扩散特征

本文用立体摄影方法研究了小型热浮力烟流的铅直扩散特征,结果表明:热浮力烟流的铅直扩散能力受自生湍流的影响较大:自生湍流的作用随距离的增加而减小;在近源处,自生湍流的作用随大气稳定程度的增加而增大.因此进行近源处污染浓度预测时,必须考虑热浮力烟流自生湍流的作用.     

大气光学湍流、模式与测量技术

折射率结构常数是研究光波在大气中传播的一个重要物理量.本文介绍了大气光学湍流的描述方法,近地面层、边界层和自由大气层光学湍流模式,大气光学湍流廓线的测量方法,以及国内外在该领域研究的重要成果.     

从不稳定到近中性大气边界层的大涡模拟

用大涡模拟方法对不稳定到近中性层结的大气边界层情况进行模拟。模拟条件为：地面运动学热通量0.0001～0.2 K·m·s^-1、地转驱动风速0～15 m·s^-1,对应的无因次稳定度参数 - z/L 为0.0062～368。模拟结果显示,大气边界层直到 - z/L＝0.668的近中性情况,其热通量和动量通量等仍保留着典型对流边界层的基本特征,可由模式较好地求解,且在近地面与观测结果相符较好。对更接近中性的情况,模式分辨率限制了对边界层湍流特性的求解。在大风、弱不稳定边界层条件下模拟发现有滚动涡现象出现,其稳定度范围大致对应- z/L 的取值0.668～24.6。     

非柯尔莫哥洛夫湍流大气信道中的高斯脉冲型量子光束偏振度

利用湍流系综平均量子偏振度模型,研究了斜程非柯尔莫哥洛夫信道中传播的高斯脉冲量子光束的量子偏振度起伏,并且得到了线性偏振量子光束偏振度的解析方程。由数值研究得出,地面湍流强度越弱和单脉冲光子数越高,传输量子场的偏振度受大气湍流的扰动就越小;脉冲持续时间较长的高斯脉冲光束的偏振度的空间均匀性较小,且受湍流干扰较大;非柯尔莫哥洛夫谱幂律参数越大,量子场偏振度受干扰越小。     

C_n~2探空仪的可靠性实验与数据处理方法

在天文台选址及激光工程中,需要对大气湍流垂直廓线作深入定量的研究。高灵敏度温度脉动探空仪主要用于大气湍流垂直廓线的测量,它是由单片机、高灵敏度温度脉动仪及发射机等部件组成,具有灵敏度高、结构紧凑、体积小及质量轻等优点。C2n探空仪升空后,为保证探测与传输的数据准确可靠,有必要在地面对其进行严格的检测与调试,并对C2n探空仪的可靠性实验与接收的数据处理方法作一些探讨与分析。     

城市水泥下垫面／郊区下垫面湍流统计特征分析

为探讨城市水泥下垫面和郊区下垫面上的无量纲速度方差及温度方差与稳定度的关系,对2006年2月18日至3月10日南京市委党校楼顶和南京大学浦口校区观测站三层高度上的湍流资料的统计特征进行了对比分析,发现在不稳定层结下,城市水泥下垫面上的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*比郊区下垫面小,两者随稳定度z/L的变化基本符合1/3次律,但不能直接用Panofsky等提出的乡村下垫面条件下的经验关系式来表示。城市水泥下垫面上的无量纲温度方差σT/T*大于郊区下垫面。同时,在郊区30m高度附近的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*满足1/3次律,2m高度则不满足1/3次律。40m以下高度σT/T*与-z/L之间满足-1/3次律。     

高斯-谢尔光束通过湍流大气任意粗糙目标的散射统计特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和任意粗糙目标模型,考虑大气湍流对激光从发射机到目标和从目标到接收机的影响,研究部分相干高斯-谢尔光束经任意粗糙目标散射后的统计特性.我们假设相位结构函数占优,推导了接收场处互相关函数的表达式,平均强度以及波前相干长度大小,并对此进行数值模拟.结果表明,接收面的平均强度与粗糙面的横向相关长度与表面高度均方根有关;接收场的波前相干长度与湍流强度、表面粗糙度、传播距离和光源相干度有关.     

气压脉动仪及湍流大气中的气压脉动频谱特征研究

基于自制气压脉动仪在内蒙古科尔沁地区大气边界层与大气环境综合实验站2019年夏季的观测资料,计算气压脉动特征参数,分析气压频谱及气压标准差特征.结果表明,自制气压脉动仪能够反映气压的快速变化,频率响应接近1 Hz;气压脉动方差谱曲线在0.0006～0.5 Hz的频率范围内满足n?2标度率,峰值频率低于风速和温度;不同稳...     

不同沙尘天气微气象和沙尘演变规律的对比研究

利用内蒙古浑善达克沙地沙尘暴实验探测资料,给出2004年春季多次沙尘天气过程近地面微气象学要素、湍流通量及沙尘浓度的极值对比,重点分析了3月27-28日强沙尘暴过境时近地面微气象学要素和辐射分量的变化特征。结果表明： 沙尘天气过程中,白天近地层温差均有不同程度的降低,夜间逆温强度减弱;净辐射与感热通量较晴空值均有不同程度的削弱。沙尘天气过境时,动量通量显著增加,动力湍流与热力湍流配合,有利于加强沙尘源区的局地起沙和沙尘的垂直输送过程。3月27-28日强沙尘暴过境时,伴随地面水平风向的转变,沙尘浓度迅速增加,风速及其垂直梯度增大;在沙尘暴增强阶段,近地层降温达7℃,比湿出现极大值,净辐射和感热通量降为负值。当沙尘浓度达到最大值后,净辐射上升至零,反映了夜间沙尘气溶胶对低层大气和地表的保温作用。