森林近地层大气湍流特性观测分析.
南京夏季城郊湍流特征对比分析
第13卷第18期2013年6月 1671—1815(2013)18-5108—07 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vo1.13 No.18 Jun.2013 @2013 Sci.Tech.Engrg.
南京夏季城郊湍流特征对比分析
王 旭 刘寿东 刁一伟 白 杨
(南京信息工程大学大气环境中心,南京210044)
摘要 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一2/3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。 关键词城市边界层 湍流特征 归一化标准差 谱特征 中图法分类号P434.5; 文献标志码A
城市是受到人类活动影响最强烈的地带,是一
种与人类关系极其密切的人工生态系统。伴随着
城市经济的快速发展,城市的密集化程度和乡镇的
城市化程度逐渐加剧¨ 。在城市化进程中,大量建
筑物的兴建和人类频繁活动的干预会对原有的自
然地表属性产生影响,使其粗糙度、反射率以及热
力等性质发生极大的变化,导致城市区域的地一气问
物质交换、能量平衡过程及湍流特征都会与其他地
区有很大差别 ],对城市气候与城市冠层内污染
物扩散特征影响巨大 。
近年来全球已经有一些针对城市下垫面的湍
通量-方差法估算沿海近地面层的湍流通量分析
第24卷第6期 2O08年12月 热带气象学报 JOURNAL 0F TR0PICAL METE0R0L0GY 、,01.24.NO.6 Dec..20o8
文章编号:10o4—4965(2008)06一O708—05
通量 方差法估算沿海近地面层的湍流通量分析
徐安伦 一,吴晓庆 ,许利明 一,李多扬
(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心,安徽合肥23003l 2.中国科学院研究生院,北京10o049)
摘 要:利用通量.方差法,通过确定速度和温度归一化标准差与稳定度之间的变化关系,估算出东南沿海
地区的湍流动量通量和感热通量。我们发现在中性条件下 并不像Til1maIl等认为是常数,而是随稳定度参
数按指数形式变化。与涡动协方差相关测量系统测量结果进行比较发现,通量。方差方法估算结果与测量值两者
符合得较好,相关性高,动量通量的相关系数为0.87,而感热通量的为O.95。利用该方法估算沿海近地面层的
湍流通量具有一定的代表性。
关键词:涡动相关法;通量一方差法;动量通量;感热通量
中图分类号:P433 文献标识码:A
1引 言
湍流动量通量和感热通量是行星边界层中研究
能量输送和大气与陆地、海面相互作用的两个重要
的参数。在实际测量中,有三种常用的方法:(1)
能量耗散率法,(2)涡动相关法,(3)通量 方
差法¨】。能量耗散率法是以湍流动能收支方程、位温
方差收支方程以及近地层相似理论为基础,在忽略
湍流输送项和气压相关项条件下估算通量。与涡动
相关法相比,能量耗散率法适用于海洋上移动平台
的测量。但使用过程中要考虑Taylor假定成立条件
和选用恰当的大气稳定度相似性函数。涡动相关法
是通过快速响应的传感器测量温度和风速脉动量,
在一定的时间间隔内(比如10分钟)计算湍流脉动
量的协方差来计算通量。采用该方法时,对传感器
安装的位置和方向以及数据采样频率和采样时间有
一定的要求,对移动测量平台的测量结果需要进行
夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测
第13卷第5期 2008年9月 气候与环境研究 Climatic and Environmental Research Vo1.13 NO.5 Sep. 2008
夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测
王新平 ’。 王琳琳 高志球 苗世光
1北京大学物理学院大气科学系,北京100081 2 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京 100029 3 民航华东空管局气象中心,上海200335 4中国科学院研究生院,北京100049 5 中国气象局北京城市气象研究所,北京 100089
摘要 利用2003年8月13 ̄26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3 层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等 湍流通量。结果表明:3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近,且3层高度上最大感热通量达 到200 ̄250 W・m~。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m・s_。。同时分析了由慢响应传感 器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明:受地表加热影响,320 m高度上气温和相对 湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明:城市下垫面的空气动力不均匀性比热力 不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明:1)夏季晴好天气情况下,北京 城市下垫面能量输送以感热为主;2)由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果 相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时问的演变。 关键词 城市大气边界层 近地层塔层湍流通量 涡动相关 文章编号 1006—9585(2008)05—0629一lO 中图分类号P404 文献标识码 A
Measurements of Atmospheric Boundary Layer Over Beij ing Area in Summer
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
中国环境科学201 1,31(9):1424-1430 China Environmental Science
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
邓雪娇’,李 菲,吴 兑,谭浩波,邓 涛(中国气象局广卅I热带海洋气象研究所,广东广州5 10080)
摘要: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、O.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PM1o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,PMl0与NO2之间的相关性很低.
关键词:污染过程与清洁过程;湍流交换特征{广州
中图分类号:X131.1 文献标识码:A 文章编号:1000—6923(2011)09—1424—07
Turbulence and mass exchange characteristics of typical clean and pollution process over Guangzhou region.
DENG Xue-jiao’,LI Fei,wU Dui,TAN Hao-bo,DENG Tao(Institute of Tropical and Marine Meteorology,China
MeteorologicalAdministration,Guangzhou 510080,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(9):1424 ̄1430
塔克拉玛干沙漠腹地近地层春季铅直湍流的小波分析
第31卷第4期 2008年12月 气象与减灾研究 METEOROLOGY AND DISASTER REDUCTION RESEARCH Vo1.31 NO.4 DeC.2008
文章编号:1007—9033(2008)04—0001—07
塔克拉玛干沙漠腹地近地层春季铅直湍流的小波分析
缪启龙 ,温雅婷1,2,段春锋
1.南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室,江苏南京 210044 2.解放军理工大学气象学院军事气象系,江苏南京211101
摘要:利用塔克拉玛干沙漠腹地近地层10 m高度处快速响应探测系统的湍流资料,对春季晴天和沙尘暴天气 下不同稳定层结的铅直湍流脉动进行小波变化及其方差分析,以期了解铅直湍流的尺度结构特征。结果表明,不 稳定层结条件下,春季晴天近地层的铅直湍流脉动以l2—17 s的周期为主,最小周期为l一1.5 s;春季沙尘暴时 最主要的周期则为6一lO s,最小周期为O.4—0.6 s。沙尘暴时不稳定层结的湍流尺度总体上小于晴天,较小尺度 波动振荡更加明显,湍流运动比晴天更加频繁。稳定层结条件下,春季晴天以10—16 S的周期振荡为主,最小周 期为1.3一1.8 8;春季沙尘暴则以11—2O s的周期振荡为主,最小周期为0.5—0.8 S。晴天稳定层结时的铅直脉动 比沙尘暴时周期小,小周期的湍流运动更明显一些,但周期更小的波动在沙尘暴天气时则多一些。 关键词:塔克拉玛干,沙漠腹地,近地层,湍流,小波分析。 中图分类号:P404 文献标识码:A
0引 言
大气边界层内的湍流运动是一种高频微尺度 运动。大气湍流是由许多不同大小的湍涡相互叠加
而成,与大气稳定度层结、大气层动力、热力及地形 植被扰动有着直接的关系,对研究近地面层物质、
能量的输送机制具有重要的意义,同时也是描述大
气湍流运动机理和结构的重要方法。湍流运动中包
含各种不同尺度的涡旋结构,其多种湍流的特征量 在时间上和空间上是随机的、不规则的,但统计特
北京城市下垫面边界层湍流统计特征
第26卷第2期 20o2年3月 大 气 科 学
Chinese Journal of Atmo,,;pherie Sciences VoL 26,No 2 Mar 20o2
北京城市下垫面边界层湍流统计特征
刘辉志 洪钟祥
{中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国塞重点实验室,北京100029)
摘要 分析了1998年l0月在北京325 rn气象塔47m、120m及280m 3层取得的湍流
资料.讨论了湍流宏观统计特征量等随稳定度变化的规律。结果表明.47 m及l20 m观测
到的雅热通量的日变化基本一致,城市边界层中近地层高度可达100 m左右.这主要是由于
下垫面粗糙度很大所致。同时发现当冷空气来临时,边界层中的感热通量会有明显增大。
关蕾词:城市下垫面;湍流:感热通量;北京
1前言
近几十年来,随着理论研究的深入、观测技术的进步和一系列大型大气边界层综合
观测实验的实施,大气边界层物理研究有了较大的进展。在水平均一、粗糙下垫面(比
如森林及高农作物)上空边界层大气湍流的研究取得了不少成果,但对水平非均一、粗
糙下垫面(比如城市)边界层大气湍流特征的了解较少,这主要是由于缺乏系统的观测
资料所致。城市作为人rq密集地区,工业污染物排放较集中,近些年来由于城市快速发
展带来的空气污染及局地气候变化,已经引起了人们的极大关注。因此研究城市下垫面
大气边界层显得尤为重要,这也是当今大气边界层物理研究的热点之一。只有弄清城市
大气边界层变化特征,才能为城市空气污染的预报与治理,为城市发展的台理化规划提
供科学的依据。
城市边界层近地层可分为两层,即粗糙次层和常通量层。粗糙次层内大气湍流是三
维的,流场受单个粗糙元及其总体的直接影响;粗糙次层以上(常通量层内)大气湍流
过程可当作水平均一下垫面来处理。因此测量湍流参数感应仪器应安放在粗糙次层以
上,这样取得的观测资料才可以代表整个粗糙下垫面,才能采用一般微气象学原理来分
青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析
青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析
第 卷 第 期 高 原 气 象. . 年 月 ,
文章编号: ???
青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析
吕雅琼 , 马耀明 , 李茂善 , 孙方林.中国科学院 青藏高原研究所,北京;
.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所西部气候环境与灾害实验室,甘肃兰州摘 要:利用 年 月 ~ 日期间系留气球低探空和无线电探空资料,分析了纳木错湖区大
气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合
及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达 ;在晴天条
件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层
内比湿变化呈 型变化,白天减小,夜间增大,早晨:。 出现峰值。
关键词:纳木错;探空观测;大气边界层垂直结构;湖陆风
中图分类号: 文献标识码:
相关的工作,游庆龙等 用纳木错塔站资料和自动
引言
气象站资料分析了纳木错贴地层风、温、湿等要
纳木错湖位于青藏高原中部,距拉萨市区素;吕雅琼等】。。用模式模拟了夏季湖陆风发,是仅次于青海湖的我国第二大内陆咸水湖。
展最为旺盛时期的边界层特征。这些工作分别描述 纳木错海拔高度高,平均海拔高度在 以上,
了点和面上的边界层特征,而对于大气边界层的垂
位于其南部的念青唐古拉山最高峰,海拔高度可达 直结构,则由于缺乏探空观测资料而未能描述。为
。 除了高海拔,这一区域的最大特征是地
了获得湖陆风影响下的边界层垂直分布, 年
形复杂多样,既有高原湖泊,高大山脉冰川,也有
月 ~ 日,我们在纳木错东南岸首次进行了为期
高原草甸和高原湿地,这些都是青藏高原上最具有天的探空观测。此次探空数据给我们提供了纳
代表性的下垫面特征,也是引起科学工作者更多关 木错湖区大气边界层结构的第一手资料。本文的目
城市近地层湍流特征分析
第31卷第4期
2011年8月 气象科学
Journal of the Meteorological Sciences Vo1.31,No.4
Aug.,201 1
邹钧,孙鉴泞,刘罡.城市近地层湍流特征分析.气象科学,2011,31(4):525-533. ZOU Jun,SUN Jianning,LIU Gang.Turbulence characteristics in the urban surface layer.Journal of the Meteorological Sciences 201 1,31(4):525—533.
城市近地层 ,向 IL 特征分析
邹钧 孙鉴泞 ’ 刘罡 (1南京大学大气科学学院,南京210093;2南京大学气候与全球变化研究院,南京210093)
摘要利用中国科学院大气物理研究所在北京的325 m铁塔观测资料,本文分析了47、140和
280 m三个高度的湍流统计特征。结果表明,城市近地层的湍流速度方差和湍流温度方差都较好
地满足局地相似关系,140 m和280 ITI的湍流特征非常接近,而47 m的湍流特征与之相比表现出 明显的差异,说明由于城市冠层动力和热力非均匀性的影响,粗糙子层和惯性子层的湍流特性不
同,其相应的参数化方案也应该不同。 关键词湍流特征;城市冠层;粗糙子层;惯性子层;局地相似
分类号P264 文献标识码A
Turbulence characteristics in the urban surface layer
ZOU Jun SUN Jianning ・ LIU Gang (1 School ofAtmospheric Sciences, ng University,Ⅳln ng 210093,China; 2 Institute for Climate and Global Change Research,N0吗tng University,Nnnjtng 210093,China
森林冠层上空标量的湍流-方差关系不相似原因的探析
自燕斜誊盈展 第1 6卷第7期2006年7月 907
森林冠层上空标量的湍流一方差关系
不相似原因的探析*
刘 罡 李 昕 蒋维楣 李 敏
1.南京大学大气科学系,南京210093;2.北京市环境保护局,北京100044
摘要 通过对大气边界层外场观测资料进行分析,计算了温度、水汽和二氧化碳浓度的湍流方
差函数.结果表明:水汽和二氧化碳浓度的湍流方差相似函数比温度要分散,并且独立于稳定度,
说明在森林冠层上空的大气湍流运动中,热、水汽和二氧化碳的输送是互不相似的.文中对这种
不相似现象的可能原因进行了初步的研究和探索,以期为将来更进一步的深入研究奠定基础.
关键词 湍流方差相似函数相似理论标量标准偏差
到目前为止,M—O(Monin—Obukhov)相似理论
对近地层内各变量之间相互关系的描述和处理仍然
是适用的.按照M一0相似理论,标量的方差能够
表示为大气层结稳定度的函数[】 ].在理想条件下,
对于所有的标量,这些函数都是相同的,并且这些
标量之间的相关系数都等于1.按湍流方差相似关
系考虑,在不稳定条件下,垂直速度的归一化标准
差( )与大气稳定度的关系符合1/3幂律,而标量 、 -,
的归一化标准差(例如 和O-q)符合一1/3幂律. 』* q 在稳定条件下,这些量的变化不显著,也就是说,
它们与大气稳定度的关系近似地保持一常数.
然而,当真实条件与M一0相似理论的假设偏
离较大时,可以预料,标量的相似性不会一成不
变,而它们之间的相关系数也将会小于1.为了做
更进一步的深入研究,有必要对不相似的原因进行
探讨.
本文对3个标量(温度、湿度和二氧化碳浓度)
的标准差做了计算分析,以对森林冠层上各标量不
相似的可能原因进行较为深入的研究和探讨.
2005—09一O1收稿,2005—12—07收修改稿
*国家自然科学基金资助项目(批准号:40333027,40205003)
E—mail:gangllu@nju.edu.CI'I 1观测资料
青藏高原东部与成都平原大气边界层对比分析Ⅱ——近地层湍流特征
第28卷第3期 2008年9月 高原山地气象研究 Vol 28 No.3 Seot.2008 Plateau and Mountain Meteorolozv Research
文章编号:1674—2184(2008)03—0008—07
青藏高原东部与成都平原大气边界层对比分析Ⅱ
——近地层湍流特征
李 英,李跃清,赵兴炳
(中国气象局成都高原气象研究所,成都610072)
摘要:利用中国气象局成都高原气象研究所设立在青藏高原东侧和成都平原的两个大气边界层观测站(理塘站和温 江站)2007年2—4月获得的湍流观测资料,分析和比较了这两个地区近地层湍流平均场特征,湍流统计特征以及湍 流通量变化特征,并对温江站能量平衡进行了初步的分析,得到了以下一些主要的结论:(1)理塘站和温江站风速均 值分别为3.17 m/s和1.57 m/s,理塘站风向在各个方向都较均匀,温江站风向频率以东北风居多。理塘站温湿压都
要低于温江站,且气温和气压的变化幅度均不如温江站明显。理塘站和温江站大气稳定度峰值分别位于±0.5和4-1 之间。(2)湍流在小于2 m/s的风速环境中发展最为旺盛。随着风速的增大湍流强度减小迅速,U>2 m/s后湍流强 度基本限定在0.5以内。理塘站湍流强度平均值分别为Iu=0.5453,Iv=0.5389,1w=0.1625;温江站分别为lu= 0.2809,Iv=0.2885,1w=0.1560。(3)两站无量纲化三维风脉动方差均符合Monin—Obukhov相似理论的“1/3”定律,
其最佳通用相似函数在稳定和不稳定条件下都可以拟合得到。在近中性时,理塘站A=4.3,B=4.1,C=1;温江站A
=2.0,B=2.1,c=1.2。(4)湍流通量都具有明显的日变化和季节变化特征。理塘站以感热为主,温江站则潜热占优 势,但到4月份两者都基本相当。理塘站2月和3月动量通量要大于温江站,到4月逐渐接近。理塘站感热、潜热和
