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。     

PM2.5浓度湍流特征和通量获取的实验研究

利用PM_2.5质量浓度测量仪E-Sampler的1 Hz高频采样功能, 采用涡动相关法, 计算山东省德州大气环境实验站2018年12月27日至2019年1月7日多次污染事件的PM_2.5浓度脉动和湍流通量, 探讨PM_2.5浓度湍流特征。结果表明, 实验观测期间PM_2.5浓度湍流通量均值为0.026 μg/(m²·s); 不同污染过程中PM_2.5浓度湍流通量传输方向不同, 表明不同污染过程的污染源汇属性不同。随着湍流统计特征量(如湍流动能、水平风速标准差、垂直风速标准差、水平风速、动量通量和感热通量)增大, PM_2.5湍流垂直通量呈现指数型减小的趋势, 即先急剧减小, 然后随各变量的增长变化不大。随着PM_2.5浓度增大, 其湍流通量绝对值呈现增加趋势, 因此PM_2.5浓度湍流通量的大小与PM_2.5浓度和湍流强弱有关。不稳定条件下, PM_2.5浓度归一化标准差与稳定度参数ζ = z/L 遵循-1/3幂次关系, 即 σ_c/C_* = 6.7(-ζ)^-1/3; 稳定条件下, 实验结果相对离散。另外, PM_2.5浓度脉动方差谱曲线在高频段满足-2/3幂指数率, PM_2.5浓度脉动与垂直速度脉动的协方差谱曲线在高频段满足-4/3幂指数率。研究结果表明, 利用E-Sampler的PM_2.5浓度1 Hz高频采样功能可以得到连续且有效的PM_2.5浓度湍流通量。     

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σ2u+σ2v与垂直湍流方差σ2w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σ2w/(σ2u+σ2v)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.     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速/温度仪,在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料,计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征.结果表明:湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z/L成正相关;湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z/L在不稳定层结时,成正相关,在稳定层结时近似成负相关;在不稳定和稳定层结大气中,利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算的湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性;无量纲湍流结构参数C2vz2/3σ- 2w和C2Tz2/3σ-2T是Richardson数的函数;湍流热力结构参数 C2T与感热通量 w′T′具有较好的线性关系.     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速／温度仪，在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料，计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征。结果表明：湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z／L成正相关；湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z／L在不稳定层结时，成正相关，在稳定层结时近似成负相关；在不稳定和稳定层结大气中，利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性；无量纲湍流结构参数Cv^2z^2/3σω^-2和CT^2z^2/3σT^-2是Richardson数的函数；湍流热力结构参数CT^2与感热通量——↑ω′T′具有较好的线性关系。     

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...     

森林及林木湿地上空近地层大气湍流特性的观测分析

利用森林及林木湿地下垫面层湍流观测资料，计算分析了拖曳系数，湍流强度，无量纲速度、温度、湿度方差和脉动方差随粗糙度、高度、季节的变化情况，及湍流量日的季节特征和线性相关系数的变化，给出了一些观测量值和特征分布。结果表明：与平坦地形相比，森林及林木湿地下垫面的湍强较大，且湍强随高度增加而减弱显；无量纲风速标准差在森林上方偏小，且随高度增加而增大；无量纲温度标准差在越接近|ζl|=0的时候，离散越大；森林上方的速度方差均大于林木湿地上方的速度方差；而森林上方的温度、湿度方差均小于林木湿地上方的温度、湿度方差；大部分湍流特征量随季节变化明显，日变化的季节特征也很明显，且最大值出现时间比平坦地形滞后；线性相关系数与不稳定度关系呈对数关系。     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。     

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。     

城市下垫面扩张对局地热力环流影响的模拟

采用WRF模式及其城市冠层参数化方案,选取2010年8月1日至3日晴天天气为模拟背景,两个算例分别为南京1993年土地利用类型及2010年土地利用类型分布。模式的模拟结果表明城市扩张使城区内2 m高度处气温有了一定幅度的增温,夜间24:00最大增温幅度达3 K。同时城市扩张使得城区风速明显减小,产生减速效应。对比两个算例风速的模拟结果,郊区风速均大于城区,风速低对物质的水平输送、扩散带来不利影响。由于城市热岛的影响,城区范围内产生有辐合上升的运动;随着城区面积的扩大,湍流动能强度及其影响范围也在扩大。2010年算例,正午湍流强度最大值与1993年算例相比较,由2.1 m~2·s2增至2.7 m~2·s2。城区内湍流运动较为强烈的区域,在一定程度上促进物质垂直方向上的输送与扩散。城市扩张后物质在城区上方垂直方向上湍流扩散得到加强,而在水平向下的输送受到抑制,更多地被阻隔在城市局地。     

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。     

吹吸扰动对湍流边界层多尺度相干结构的影响

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了风洞中施加局部周期性吹吸扰动平板湍流边界层近壁区域不同法向和流向位置的瞬时速度的时间序列信号．对平板湍流的扰动是通过平板上沿展向分布的一条窄缝引入的正弦振荡产生的．用子波分析对壁湍流脉动速度信号进行多尺度分解，用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测壁湍流多尺度相干结构，并提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形，研究不同频率的吹吸扰动对平板湍流边界层多尺度相干结构的影响，结果表明，扰动对边界层近壁区域平均速度分布、能量随尺度分布以及多尺度相干结构及其条件相位平均波形，都有显著影响，其中32Hz扰动影响最大．     

模型试验单孔爆破振动信号时频分析

以地下工程常见的直墙半圆拱形硐室为原型,借助胶结砂相似材料开展单孔爆破相似模型试验,并监测爆破过程中相似模型试件顶面的爆破振动信号,随后采用HHT法对3个方向爆破振动信号的时频特征进行分析。爆破振动监测表明,在3个方向爆破振动信号中,竖向爆破振动峰值最大,水平径向次之,水平切向最小。3个方向爆破振动信号IMF分量能量分布表明,爆破振动信号优势能量集中分布于主振频率所在的几个IMF分量。HHT分析表明,3个方向爆破振动信号集中分布在0.03~0.07 s时域内;爆破振动信号频域成分丰富,但其在频域内分布不均匀;对于水平径向,爆破振动信号集中分布在111~312 Hz频域内;水平切向集中分布在171~323 Hz频域内;竖向则集中分布在128~209 Hz频域内。     

湍流激励下单双层圆柱壳振动特性对比

基于随机理论,采用半解析半数值方法,以单双层圆柱壳模型为例,计算了湍流激励下单双层圆柱壳的输入功率谱密度和振动速度功率谱密度,对比分析了单双层圆柱壳的振动特性.结果表明：随着航速增高,湍流脉动压力激起壳体表面振动速度的自功率谱密度幅值变大,趋势基本相同;同一航速下,湍流脉动压力作为面分布力作用在壳体外表面上,由于双壳体的外壳较薄,因此双壳体振动速度响应大于单壳体的.     

湍流相干结构与壁压强脉动关联的小波分析

在风洞中同时测量平板湍流边界层的速度和壁面脉动压强,用小波分析法结合能量最大判别准则确定湍流边界层相干结构的时间尺度和壁压强脉动的时间尺度之间的关系．结果表明：压强脉动信号的小波能谱最大值对应的时间尺度与湍流边界层相干结构的特征尺度接近,可以利用壁面压强脉动信号的分析结果间接反映经过边界层的相干结构的时间特征．本研究选择复数Morlet小波作为小波母函数,有较好的分辨率．     

Spectra of L-band ionospheric scintillation over Nanjing

We report the spatiotemporal statistical characteristics of amplitude scintillation over Nanjing.A FFT method for computing scintillation intensity power spectra is briefly described.Using this method,the data with ISATM in Nanjing is analyzed.Spectra characteristic is presented and the irregularities property is discussed preliminarily.The results reveal that the power spectra obtained for Nanjing is consistent with theoretical modeling.At frequencies below the Fresnel frequency,the power density plotted on log-log scale is almost constant whereas above it asymptotes to a straight line.The spectral index ranges from 1.71 to 1.92,which has positive correlation with the S 4 index.Finally,the average drift velocity of irregularities is computed assumably and compared with that obtained for Xinxiang and Haikou.     

三边形桅杆杆身风荷载特性风洞试验研究

应用高频测力天平技术,分别对有附属结构和无附属结构的三边形桅杆杆身进行了均匀流和两种紊流下的风洞试验,得到了桅杆的平均风力系数、均方根力系数和顺风向、横风向及扭转向风荷载谱.分析了雷诺数、紊流度、风向角、附属结构等对风荷载系数的影响,对比了试验体型系数和不同国家规范关于桅杆及其附属结构体型系数的规定.谱分析结果表明,顺风向风荷载谱和脉动风速谱的基本特征相同,横风向、扭转向风荷载谱主要由低频部分的紊流激励谱和高频部分的旋涡脱落激励谱组成,无附属结构模型旋涡脱落谱有一个峰,峰值折减频率在1.8左右,带附属结构模型在90°风向角下出现两个明显的旋涡脱落谱峰,峰值折减频率分别在0.9和2.2左右,探讨了格构式塔架旋涡脱落谱的特性以及附属结构对其的影响机理.