（大气物理学与大气环境专业论文）合肥地区与东南沿海近地层大气湍流特性研究.pdf

摘要 合肥地区与东南沿海近地层大气湍流特性研究 摘要 我们利用合肥3 5 米铁塔系统测量了近地层不同高度的温度、湿度、风速、 风向、辐射、地温、地表通量等大气参数，并用c s a t3 三维超声风速计和1 i 7 5 0 0 h ，o c o s 分析仪得到高频采样的温度、风速、水汽含量、二氧化碳含量脉动数 据。在东南沿海移动式大气参数测量系统中测量了一层高度上的同样的大气参量 和脉动量。 对合肥3 5 m 塔处夏季和秋季以及东南沿海秋季数据进行了统计对比分析，利 用功率谱分析方法分析了湍流大气速度场和温度场的起伏特征，得出不同稳定度 下惯性区谱幂率的分布情况，以及不同参量，如谱幂率、标度指数、耗散率、c ： 等与大气稳定度的关系。 对东南沿海湿度起伏对可见光波段c ：影响进行研究，用实测的湿度起伏量 计算了c ：中的湿度起伏项和温湿相关项，结果发现对于可见光，相对于温度起伏，湿 度起伏和温湿相笑项的贡献都很小。 研究了湍流大尺度相干结构，运用小波分析实现了识别大尺度温度斜坡结构 的方法，以解释惯性区谱幂率偏离5 3 的可能原因。 文章最后研究了近地层大气光学湍流模型，运用b u l k 方法，利用常规气象 参数估算出东南沿海和合肥地区近地面光学湍流四，结果表明该方法r 口j 行。可 利用卫星海表面温度数据作为输入参数对海面卜进行进步研究。 关键词：大气光学湍流，折射率结构常数，功率谱分析，小波变换，斜坡结构 f | 嗣科学院硕上学位论文 合肥地| x 与自：由甜 ；f j 卫工地层人t t 湍流特卅研究 c h a r a c t e r i s t i c so f a t m o s p h e r i co p t i c a lt u r b u l e n c ei nt h e s ur f a c el a y e ri nb o t hh e f e iz o n ea n ds o u t h e a s tc o a s t n i eq u n ( a t m o s p h e r i cp h y s i c sa n da t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ) d i r e c t e db y ：x i a o q i n gw u a b s t r a c t a td i f f e r e n th e i g h t so f t h eh e f e i3 5 mt o w e rs y s t e m ，w e v em e a s u r e dt h et e m p e r a t u r e ， h u m i d i t y , w i n ds p e e d ，w i n dd i r e c t i o n ，r a d i a t i o ne t c 。a l s ow eg e tt e m p e r a t u r e , w i n ds p e e d ，县o a n dc qd e n s i t yf l u c t u a t i o n sw i t hh i g hs a m p l i n gr a t e sb yc s a t 33 ds o n i ca n e m o m e t e ra n d l i 7 5 0 0h 2 0 c 0 2a n a l y z e r b ym o b i l ea t m o s p h e r i cm e a s u r e m e n ts y s t e mi ns o u t h e a s t s e a s h o r e ，w eg e tt h es a m ev a r i a b l e sd a t as e ta to b eh e i g h t w eg e ts o m er e s u l t so fs t a t i s t i c s ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fv a r i a b l e s ，w h i c hi n c l u d e s s u m m e ra n da u t u m nd a t ai nh e f e i a n dt h ea u t u m nd a t ai ns o u t h e a s ts e a s h o r e s p e c t r a la n a l y s i sa r e p e r f o r m e dt oa n a l y z ew i n ds p e e da n dt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n s ，w eo b t a i nt h es p e c t r u me x p o n e n t ( i ni n e r t i a ls u b - r a n g e ) d i s t r i b u t i n gb e h a v i o r sw i t hd i f f e r e n ts t a b i l i t y ；m e a n w h i l e ，w eg e tt h e r e l a t i o no f a t m o s p h e r i cs t a b i l i t yw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，s u c ha ss p e c t r u me x p o n e n t ，s c a l i n g e x p o n e n to fs t r u c t u r ef u n c t i o ni nv e l o c i t yf i e l d ，d i s s i p a t i o nr a t e ，ge t c w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c to f h u m i d i t yf l u c t u a t i o no nf o rv i s i b l ew a v e l e n g t hi ns o u t h e a s t s e a s h o r e ，u s i n gm e a s u r e dh 2 0d e n s i t yf l u c t u a t i o nd a t a t h eh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r e - h u m i d i t y c o r r e l a t i o nt e r mi n 研a r ec o m p u t e d t h er e s u l ts h o w st h a tf o rv i s i b l ew a v e l e n g t h ，b o t h h u m i d i t ye f f e c ta n dt e m p e r a t u r e h u m i d i t yc o r r e l a t i o nt e r me f f e c to n i so b v i o u s l yl e s st h a n t e m p e r a t u r ee f f e c t w o r k i n go v e rl a r g es c a l ec o r r e l a t i o ns t r u c t u r e ，u s i n gw a v e l e tt r a n s f o r mt oi d e n t i f i c a t i o n t e m p e r a t u r er a m p l i k es t r u c t u r e ，g i v i n gs o m ee x p l a i n so fp o s s i b l er e a s o n so ft h ep h e n o m e n at h a t p o w e rs p e c t r u me x p o n e n td e v i a t e d 一5 3 i nt h ee n d ，w es t u d ym o d e l so fa t m o s p h e r i co p t i c a lt u r b u l e n c e ，a p p l y i n gb u l km e t h o dm o d e l a n dm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r sd a t at oe s t i m a t ec ：i nh e f e ia n ds o u t h e a s ts e a s h o r e t h ea n a l y s i s s h o w sb u l km e t h o dm o d e li sf e a s i b l e n e x tw ew i l lu s es e as u r f a c et e m p e r a t u r ed a t ab ys a t e l l i t ea s i n p u tp a r a m e t e rt od of u r t h e rr e s e a r c h0 n i ns e a - a i rb o u n d a r yl a y e r 摘要 k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i co p t i c a lt u r b u l e n c e ，r e f r a c t i v ei n d e xs t r u c t u r ec o n s t a n t ，p o w e r s p e c t r a la n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，r a m p l i k es t r u c t u r e 围科学院硕上学位论文合肥地k 与尔i 萄甜 海近地层人气湍流特件研究 _ 一_ _ 一 日i j 舌 我们生活的地球被大气所包围，广义地讲，整个地球大气系统都可以看作是 处在具有宽广尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实 际应用价值。大气湍流以近地层大气表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆 动，就是湍流运动的具体表现。大气湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能 使大气中的动鼍、热= 阜= 、水汽、污染物等产牛强烈混合和输送，能对建筑物、飞 行器等产生作用和影响，还会使大气折射率发生微小起伏从而导致光波的振幅和 相位发生变化。湍流是一种开放的、三维的、非定常的、非线性的、并具有相干 结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于一身。自从1 8 8 3 年r e y n o l d s 做了著 名的实验以来，一百多年里一直是科学的前沿和挑战性问题之一。 常常需要边界层湍涡大小和运动尺度办面的信息，遗憾的是，要得到一张边 界层快照是很难的。我们发现，对空间某一点进行长期测量比较容易，而要进行 瞬时的大范围观测却很难。因此可以利用安装在观测塔上的气象仪器，当湍流通 过传感器时，便能为我们提供一张边界层随时间变化的记录。利用观测塔和移动 测昔系统，获得不同下垫面的近地层大气参数和湍流脉动信息。 我们通过实验测鼍和理论分析相结合，研究了合肥地区与东南沿海近地层大 气湍流变化特征。文章分为两大部分：综述部分利研究部分，综述部分一章，研 究部分五章，下西简要介绍一下各章节的主要内容： 第一章简要阐述了大气湍流基本概念以及近地层大气湍流研究方法。 第二章简要介绍了合肥地区与东南沿海测量系统，包括所采用传感器分布情 况、仪器的技术指标、数据的采集流程和传输方式等。 第三章对大气参数进行了统计对比分析，并分析了不同稳定度下惯性副区谱 幂率的分布情况，以及不同参量，如谱幂率、标度指数、耗散率、a 等与人气 稳定度的关系。 第四章是湿度起伏对可见光波段c ：影响进行的研究，并对东南沿海实验点 湿度起伏谱和温度起伏谱进行了初步分析。 第五章对湍流结构及其小波分析进行研究。介绍了湍流大尺度相t 结构，分 形布朗运动，条件采样分析方法等，运用小波方法识别并提取温度斜坡结构。 i v 前吉 第六章研究了近地面折射率结构常数的模式，用常规气象参数估算合肥地区 和东南沿海近地面光学湍流c ：。 最后是全文的总结，归纳了文章的主要研究成果。 v 郑重声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签名： 蟊群 日期： w 7 5 2 - 口 ， 筇一章人气湍流基木 1 8 【念和方法 第一章大气湍流基本概念和方法 本章简要阐述了大气湍流基本概念及近地层大气湍流研究方法 大气无时无刻不处于运动状态，边界层大气运动的基本特征是湍流运动。湍 流运动具有_ 维、非线性、耗散性、随机性和扩散性特征，冈此湍流运动能量以 非线性方式由大湍涡向小湍涡传递，最后耗散于分子运动热能。质量、动量和热 量等还可通过湍流进行输送。湍流的统计理论、? | ，经验理论和湍流模式理论是湍 流理论发展阶段的几个代表性成果。 1 1 大气湍流基本概念 1 1 1k o l m o g o r o v 局地均匀各向同性湍流假定 k o l m o g o r o v1 9 4 1 年的研究成果至今仍然用到湍流研究的工作之中。在三维 实际大气的随机场中，南于大气具有非常高的r e y n o l d s 数，湍流从与边界条件 相比拟的非均匀各向异性尺度到与分子粘性起重要作用的尺度伞被激发出来。这 时，湍流就由各种尺度的扰动组成，其中小尺度涡旋可能是各向同性的，大尺度 涡旋是各向异性的。k o l m o g o r o v 建立了局地均匀各向同性湍流理论并提出了两 个相似性假设1 5 u 1 1 6 8 1 l ： 假设l ：当r e y n o l d s 数足够大时，存在一个高波数区，其中湍流处于统计平 衡状态，其运动的统计特征只决定于流体粘性系数i - 和单位质繁单位时间内扰动 的能量耗散率f ，对于满足这个假设的扰动的尺度范围称之为“准平衡区”。扰 动能量耗散牢占是指扰动能量f t j 人尺度向准平衡区小尺度的传输速率，能量无衰 减地逐级传输直到最小尺度而耗散为分- 了热运动能量，占定义为 f = 三1 一瓦a u i 譬1 ) 2l ，j v l u 量纲为m 2 s 3 ，式巾u 为速度起伏量，在此基础上可以定义准平衡区扰动的特征 长度r 、特征速度和特征时间0 r = ( u 3 , o c ) 1 4 u 0 = ( 惦) 们，0 = ( u s ) ( 1 1 2 ) 其中特征尺度即通常所谓的内尺度，存此尺度上惯性力和粘性力的作用相当。第 一假设成立的条件为湍流的外尺度或最大涡旋的特征尺度l 满足： l r ( 1 1 3 ) 假设2 ：当r e y n o l d s 数足够人时，在准平衡区扰动尺度内还可以划分出一个 惯性予区，其尺度范围满足 r ， ( 1 1 4 ) 对于惯性子区内的扰动，分子粘性作用可以忽略，扰动的统计特征只依赖。丁其能 量耗散率s 。 局地均匀各向同性概念的意义在于，解决了大气湍流场的非均匀各向同性问 中国科学院硕上学位论文合肥地i 与尔南爿 淘近地层人气湍流特付研究 题，保留了为克服三维网难得到的最有价值的一个概念一均匀各向同性概念。只 研究小尺度湍流的局地性质而放弃研究湍流的整体性质。因而具有相当普遍的现 实意义和应用价值。 1 1 2 泰勒假定 在湍流研究中，为了将窄间甲均与时间甲均联系起来，泰勒1 9 3 8 年提卅了 一个著名的“冻结”湍流假设1 6 3 j ，即当平均流动速度u 相对来说足够大，湍流 脉动速度u ( ，) 满足 甜( ，) u ( 1 1 5 ) 湍流仿佛被“冻结”了一样，以定常的速度u 平移。所以在空f 开j 固定点测得的 物理量随时间的变化等于在同一时刻所测空间分布的变化，即有“t ( f ) = u ( x u ) ， 或者t = x u 。 有了泰勒假设，就可以从时间序列分析湍流的窄间结构，- 口j 以将频率谱和波 数谱联系起来，因此这个假设在湍流的实际测量中被广泛应用，应用泰勒“冻结” 假设的条件是式( 1 1 5 ) 。 1 1 3 结构函数和湍流谱 随机场的窄间统计特性一般用相关函数【6 0 1 b ( 亏，弓) = 或结构函数 e ( 亏，五) = 表示。 ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 根据k o l m o g o r o v 局地均匀各向同性湍流假定，结构函数与相关函数问的关 系为 p 。( i ，乏) = 2 最( 0 ) 一e ( 亏一五) 】 ( 1 1 8 ) 随机场的相关函数鼠( 亏，乏) 与随机场的功率能量谱衔度函数矽( 后) 之间互为 f o u r i e r 变换。有 色( 尹) = ，c 。s ( 后尹) 矽( 詹v 后 ( 1 1 9 ) 尹= 亏一五 结构函数与功率谱密度之间存在关系 见( 亏，五) = 2 ) ( 1 一c 。s ( e 尹) ) 矽( 詹肼 ( 1 1 1 0 ) 在局地各向同性情况下，有d 。( 再，五) = q ( 厂i ，吒) 以及矽( 后) = 矽( 盯) ，则有 d ( r j ，2 ) = 8 n f ( 1 一剿髟似) x 2 d t r ( 1 i i1 ) o k ， 2 第一章大气湍流基本概念和方法 其逆变换为： 嘶) = 志芹见( 协2 办 ( 1 1 1 2 ) 根据k o l m o g o r o v 局地均匀各向同性假定，二阶折射率结构函数满足三分之 二定律。 见( ，) = c ：，2 ( 1 1 1 3 ) ( 1 1 1 3 ) 式代入( 1 1 1 2 ) 式，得到在惯性区内三维折射率k o l m o g o r o v 谱为： 。( 七) = 0 0 3 3 c , ；k 一“3 ( 1 1 1 4 ) 一维和三维谱之问的关系为： 州扯丽1 鲁 ( 1 i 15 ) 这样，惯性区内维折射率k o l m o g o r o v 谱为： 甲。( 七) = 0 0 2 5 c , 2 k 。 ( 1 1 1 6 ) 1 1 4 湍流的间歇性及其间歇性模型 已有许多实验结果证实存在不满足k o l m o g o r o v 湍流理论的现象。产生这种 现象有可能存在两个因素，一是所谓的外问歇性，与外部边界条件有关。如温度 斜坡结构，即在短时间内温度变化迅速的结构带有突变的边缘，在f o u r i e r 频域 中直接贡献- 丁高波数的f o u r i e r 振幅而不需要经过许多中间级串过程。这样南j ： 这些结构的存在产生能量级串短路，使得惯陀子区的涡旋运动可能被人尺度相下 结构污染。二是所谓的内问歇性，即惯性区内的能量耗散率并不是常数，而足在 空间分布具有不均匀性。1 9 4 1 年，k o l m o g o r o v 通过唯象的方法，提卜h 的湍流理 论，简称k 4 1 理论。指出在惯性区内，相隔距离为r 的两点分量形式的速度方差 的统计距( 速度的结构函数) 对r 呈幂次规律变化，这就是湍流的标定律，其标 定指数为岛。人们提出许多唯象模型来对k o l m o g o r o v 湍流理论进行修正。q 阶 速度结构函数的标度指数乒，分别为【3 9 】： ( 1 ) k 6 2 对数正态模型 岛5 ( 号+ 3 q 9 2 ) ( 1 1 1 7 ) 间歇性参数0 2 ，= - r z = 2 一彘 中国科学院硕上学位沦文 合肥地i 与尔南井 海近地层人气端流行竹研究 ( 2 ) 模型 乞2 詈+ ( 3 一d ) ( 1 一尹q 分形维数d 与概率因子之问有：3 一d ：罢曼 l n ， ( 3 ) 分形湍流模型 岛2 ( 1 1 1 8 ) ( 1 1 1 9 ) ( 4 ) s h e l e v e q u es l 模型( 层次结构模型) 乞= 罟+ 2 - 2 ( 3 ( 1 1 2 0 ) 此模型下的耗散率符合对数p o i s s o n 分布 尽管过去的3 0 多年中关于标度指数涌现了大量的理论模型，如b 模型，层 次结构模型等，但是湍流间歇性和标度律的机理仍不十分清楚，近年来发现它们 与混沌和分形有着密切的联系。背后可能隐藏着重大的非线性复杂系统的理论问 题。人们还发现间歇性还会导致所谓反常标度规律的出现。充分发展的人气湍流 尺度很宽，多种运动模态都能被激发，是研究湍流问歇性和标度律的理想对象， 存在着不少具有挑战性的课题。 1 1 5 热力湍流和动力湍流 近地面层湍流主要依赖局地表面粗糙度、太阳热辐射和地形地貌，这些冈索 影响地气能量交换，造成了近地血大气风和温度在垂直方向上的不均匀分布，一 定条件下形成了近地而湍流。热埘流和风切变是产生湍流的主要原因。 根据湍流形成的原凶口j 分为两种湍流，一种是动力湍流，它起凶于有规律水 平运动的气流邋到起伏不平的地形扰动所产生，它们主要取决于风速梯度和地面 粗糙度等；另一种是热力湍流，它起冈于地表面温度与地表面附近的温度不均匀 产生浮力，形成气团垂直运动。有时以动力湍流为主，有时动力湍流与热力湍流 共存，且主次难分。这些都是使人气f f l 污染物迁移的主要原因。 在风力作用下，由于地面摩擦、地形起伏町引起小尺度湍流，其强度随风速、 地面粗糙程度或地形起伏特征及大气稳定度而变化。地面越粗糙，风速越大，近 地面大气层越不稳定，动力湍流越强；它一般局限于大气低层。但高大地形引起 的山地波( m o u n t a i nw a v e ) 可波及高空和下游较远的区域。动力湍流也可由大 气中的风切变产生，当风的垂直切变超过某一临界值时，空气就会自发地产生小 尺度波状起伏或涡旋，即切变湍流。风切变越大，切变湍流越强。存静力稳定度 很强的气层内( 例如在锋区、对流层项或平流层中) ，晴空湍流( 切变湍流的一 种，clea rairt u r b u l e n c e ，简称c a t ) 的爆发十分厉害。此外，在气旋、高 4 3 一 g g x g 一3 一i d一1 j ，l 菊一章人气湍流基本慨念和方法 空槽、切变线及急流附近，也常产生动力湍流。 由空气热力因素引起的热力湍流，它主要是指由于空气中水平温度分布的不 均匀性，例如地表的热力性质不一致，相邻地区升温或降温的幅度不同等；或由 于空气中垂直温度分布差异所造成的大气层结1 i 稳定引起的空气对流。前者主要 发生在低层，地表面相邻地段的热力性质差异越大，湍流就越强，同时具有明显 的日变化：一般口m 前湍流很弱，口m 后湍流逐渐增强，影响的高度也不断扩大， 午后湍流最强，波及的高度最高，随后又逐渐减弱和降低：后者常与天气系统相 联系，湍流可以出现在对流层的中、高层，一般叮通过积状云的发展米判断，人 气越彳i 稳定，热力湍流越强。 可以从湍流动能力程理解热力湍流和动力湍流的联系和差别。对j ：水平均匀 的下垫面，近地面湍流的动能方程为： 一 t ， 一 一 旦竺：一磊石皇竺+ 墨i 否一旦石i s 一土旦兰竺( 1 1 2 1 ) a ta za zdi j z 式中e = 芝| 、2 w 2 ) 为动能，u 为平均风速，。为平均位温，p 为压力脉 动，占为湍流动能耗散率。 上式左边表示局地湍流动能变化，右边第一项表示风剪切的贡献，第二项表 示浮力的贡献，第三项和第五项表示湍流输送和压力相火的贡献，第四项表示粘 性耗散。在不同稳定度条件下，风速剪切和浮力对湍流能量的贡献发生变化。 1 1 6 分形布朗运动( t h ef r a c t io n a ib r o w n ia nm o t i o n ) 分形布朗运动f b m ( f r a c t a lb r o w nm o t i o n ) 足l9 6 8 年m a n d e l b r o t 和n e s s 两人提出种数学模型，它主要用于描述自然界的山脉、云层、地形地貌以及模 拟星球表面等不规则形状。 f b m 是前i 朗运动的拓广，l j 时它又是理想的不规则扩敝和分形随机行走的 基础。为了更好地理解f b m 的原理与方法，首先需要对布朗运动作简要介绍。 布朗运动足1 8 2 7 年英国植物学家r b r o w n 发现的，它是一种随机运动，粒 子的运动方向随时改变，其运动轨迹是一条无规则的折线，不受什么约束和支配， 研究布朗运动的历史是非常有趣的，至今成为人们的话题。本世纪初，包括爱因 斯坦、佩林等在内的科学家对斫j 朗运动作了深入研究，发现了斫j 朗运动的来源， 并通过布朗运动的研究，产生了2 0 世纪的儿i 页重大发现。这些发现是：首次确 证了原子的存在；阿伏加特罗常数的测定；建立描述量子力学随机性的数学模型， 以及经济学中小型波动的形象性等等。布朗运动已被用来建立随机过程的数学模 型。在物理学、数学、生物学、无序理论、通讯、控制、高分子科学以及经济管 理等学科领域都有重要而广泛的应用。 1 9 2 3 年，德国数学家n w i e n e r 建立了布朗运动的数学模型，后来人们的研 究大都是基于维纳的这一模型。实际上，布朗粒子的轨迹由大量无规则可循的折 线组成，是一种处处连续但处处不可微的曲线，是一种无规分形曲线，它也具有 自相似性，但这种白相似忡具有统计的忡质。 分形布朗运动是对变鼍t 的个单值函教( 般，t 为时间) 。它i 口j 以用来表 示山形的起伏、也可以用来表征某种经济变量的波动，简记为b h ( t ) ，其中， h 为在0 与l 之间取不同值的指数，h 与曲线的波动有关，h 取值接近于0 ，则 曲线的起伏程度将显得平缓。 5 中国科学院硕上学位论文合肥地f 与尔t c j e , t 泡近地层人气湍流特性研究 分形布朗运动( f b m ) 是分形几何中的重要内容之一。它是一种随机、零i i ， 均、连续、非平稳过程。其h u r s t 指数h 为0 h i ，增量x ( r + t ) x ( t ) 呈正 态分布，平均值为零，方差为r 2 h 。 删( 卅) 一抛) ) = 面1 7 1p 万u 2 幽 其p 阶的结构函数为： ( 1 ( f + ，) 一x ( ，) 1 9 ) = 。h 当指数h = i 3 时，即与k 4 1 理论描述的湍流理论相 上均满足p 3 的线性标度律。 1 2 近地层大气湍流研究方法 ( 1 1 2 2 ) ( 1 1 2 3 ) 致其各阶统计矩理论 1 2 1m o n i n - o b u k h o v 相似性理论 边界层是人气的低层部分，依赖于日变化和气象条件，人气边界层高度一般 从地面至2 0 0 到2 0 0 0 m 的变化，其热力学特性直接受地气问相互作用的影响， 每天天气条件的变化也支配着该层的特性。相似理论是边界层湍流模式的基石。 它采用量纲分析和物理模型来确定特征尺度，如m o n i n o b h u k o v 长度就是一个 用来描述表面层的热和动量与大气进行交换的特征尺度。 相似尺度最通常的类别台m o n i n o b h u k o v 相似，混合层相似，局地相似，局 地对流相似和罗斯叭数相似。当涉及这类意义明确的卡h 似尺度类别时，最适合应 用有关的尺度变量作为量纲分析中的关键变量。 m o n i n o b u k h o v 相似性假说的实质内容是：近地面层的湍流应力远大于分子 粘滞力，地球自转的柯里奥利力及气压梯度力可以忽略，大气结构主要依赖水平 风速剪切和垂直向上的湍流输送。在这样的条什下，平均场和湍流场的性质仅取 决于高度z 和浮力参数，摩擦速度和地嘶温度通量等参数。垂直方向上的动量通 量、热量通量和水汽通量随高度的变化很小，可以看作常数。湍流结构可用摩擦 速度( u = 一“w ) 、特征温度( 7 ：= 一w g u ) 、特征比湿( 纵= 一w q u ) 等几个 关键特征量表示。 大气稳定度是判断湍流结构的笑键因素，资料表明，湍流的发生和发展与大 气稳定度密切相关，不稳定的大气层结有利十湍流的发展，m j f l l 性或稳定的大气 层结，会抑制湍流的发展。 大气稳定度作为反映湍流活动的主要指标，有的将不稳定因子与稳定因子之 比成对组合，形成无量纲比，如r e y n o l d s 数、r i c h a r d s o n 数等作为稳定度参数。 有的稳定度参数如静力稳定度，则不是无量纲形式。 m o n i n o b u k h o v 长度( l ) 是边界层巾一个有用的尺度参数，定义为： ：堡 ( 1 2 1 ) 堙( w 或) ， k 是v o nk a r m a n 常数( 0 4 ) ，l 是大气层结密切相天的量，由于中性层结时j0 0 ， 6 第一章人气湍流基木概念和方法 故实用中常用无量纲量z l 代替l 作稳定度参数。 影响大气扩散的主要因子是湍流运动。湍流运动的强弱与大气稳定度有关。 目前，判定大气稳定情况的方法有p a s q u i l l 方法、风向脉动标准差法、温度梯度 法、风速比法、梯度理查逊数法、总体理查逊数法、城市稳定度分类法、莫宁 奥布霍夫长度( l ) 法等 3 0 】。用z l 表示大气稳定度，不仅包括了动力因子与热 力因子的影响，还包括了浮力冈子和高度的影响，冈此它是确定大气稳定度较好 的方法。表1 2 1 是大气稳定度分类标准。 表1 2 1大气稳定度分类标准 zd t - 一 三 d z 不稳定 一o 0 5 0 中性 一0 0 5 0 1 2 2b u l k 方法 b u l k 方法，也称整体空气动力学方法，是相似理论的具体应用。即湍流通最 可以通过交换系数与某两高度层上的风、温、湿和地表的温度和湿度差值联系起 来。 整体空气动力学通量表达为： ih s = 一p c e g u ( t 一五) 聊= 一尸k e 甜( g 一纵) ( 1 2 2 ) l f = 一p g ”2 其中u 、t 、q 分别为参考高度处的风速、温度和空气比湿，通常高度为1 0 m 。 五、q s 分别为表面温度和表面湿度，唧为空气定压热容( 取c ，= 1 0 0 4 7 j ( k g k ) ) ， k 为水的蒸发潜热( 取l f = 2 5 x 1 0 6 j 姆) ，巴为拖曳系数，g 和e 分别为温 度和水汽的整体交换系数，整体交换系数的量级在1 1 0 。3 ，f a i r a l l 3 1 及国内学 者蒋国荣 5 l 】、赵呜等 7 3 - 7 5 1 对其参数化方案进行了研究。 根据在近地面边界层内的风速、温度、比湿的垂直廓线得m 风速、温度、湿 度的特征尺度u 、z 、q 。分别为 u k 玑5f 耳瓦f 厕 l ：f _ 竺掣 ( 1 2 3 ) l2 丽币i f 万两 z 。7 a q k 舢2f 可习丽 7 q - 同科学院硕上学位论文 合肥地似尔南 f 海近地层人气湍流特忡研究 其中a t = 丁一瓦为两层的温差，a q = q q s 是两层湿度差，v o nk a r m a no 雨v , 数o k 取0 3 5 ，l 是m o n i n o b u k h o v 长度，由手= z l ，可得出稳定度参数善。标革粗糙 度z o r 、和风速相应的动量粗糙度o 利用f a i r a l l e ta 1 1 9 9 6 给出的式子求出。 关于风速、温度、湿度的无量纲廓线函数眠、的形式，可以采用f a i r a l le t a 1 ( 1 9 9 6 ) 给出的综合了b u s i n g e r - d y e r 廓线和充分对流情况的方案1 4 1 。 上： 垒生 堙( z + o 6 1 t q 。) 重力加速度g 取9 8 ，鼠是虚位温。 ( 1 2 4 ) 1 2 3 涡旋相关法 通量是指甲位时削通过甲位面积的流体某属性量的输送。边界层气象学关心 的是动量、热量、湿度、质量和污染物的湍流输送【刚。根据定义，通量可表示为： 式中协为感热通量，脚为滞热通量，r 为动量通量，p 为空气密度，c ，为空气 定压热容，为水的蒸发潜热。由上式，理论上| 口j 以通过在一定时间内同时测 量垂直风速脉动w 和其他脉动量，计算协方差直接得到通量，这种方法即称为 涡旋相火法。 涡旋相关法是理论上最基本、最完善也最直接的通量测量方法。这种方法精 度很高。但是这种方法所需的仪器是复杂的、精密的和昂贵的，而且感应头过于 灵敏，极易受昆虫、降水、支架晃动等影响产生观测误差。 我们采用的开路涡动协方差系统运用c s a t 3 超声风速仪测量三维风速和超 声虚温，l 1 7 5 0 0 分析仪测量大气中的c 俄e o 的气体密度和大气压力，c r 5 0 0 0 数据采集器采集这些变罱并计算定时间内的变鼍的均值和方差协方差，然后计 算通量【2 9 】1 4 2 】。表1 2 2 为涡旋卡h 关系统n s 流程图。 超声风速仪测量的是声速而并不是真正测量温度。声速依赖于温度并和空气 中的水汽含量有一定的关系。为了狭得真实的温度脉动而不是声温脉动，根据 s c h o t a n u se la 1 ( 1 9 9 3 ) ，对湿度影响进行了修正： w t = w z 一o 5 l t w q ( 1 2 6 ) 8 翌y 胪础一砒 一翟州 胁所 仁 第一章人气湍流基术慨念取j 方法 表1 2 2 涡旋相关系统n s 流程图 设定缺省值 n = l 设定保存通量标志为真( s a v e f l u x f l a g - - t r u e ) 设定保存时间序列标志为真( s a v e _ t i m e s e r i e s f l a g = t r u e ) 初始化变量 没定s d m ( 同步测量仪) 时钟速度 每0 i s 进行扣而 c r 5 0 0 0 面板温度测量 c s a t 3 测量 l i 7 5 0 0 测量 保存摩尔密度( 为以后计算摩尔浓度所川) 将l i 7 5 0 0 摩尔密度数拥转换为质量密度 测量电池电压 将c s a t 3 诊断信息转换为独立的警告标志 保存数据表中的数据以进行延迟校正 是存的甭据茎。兰un兰t兰=a兰na兰log兰_爹del差一 墩出缓存数据实时校i f 测量值 加载偏移两个扫描的c s a t 3 数据 加载偏移两个扫揣的l i 7 5 0 0 数据 根据风速转换c s a t 3 数据：( w i n d _ e a s t u y ，w i n d n o a h = u x ) ：、絮：二：三三二兰三 协方差计算过程中止协方差计算过程运行 ( d i s a b l e f l a g _ o n ( 1 ) = t r u e ) ( d i s a b l e f l a g o n ( 1 ) 2 f a l s e ) ：- 竺兰竺，兰! 兰兰竺尘翌r 对警告标志计数中止对警告标志计数运行 ( d i s a b l e f l a g _ o n ( 3 ) - - t r u e ) ( d i s a b l e f l a g _ o n ( 3 ) 2 f a l s e ) 重新设定c s a t 3 诊断程序保存最有意义的四个比特位值 蕈新设定l i 7 5 0 0 诊断 鼋序 计算l i 7 5 0 0a g c 值。诊断光路上灰尘、露珠、雨霉、花粉等的 影响，a g c 值随着光路中的杂质增多而逐渐增大到1 0 0 。 将l i 7 5 0 0 诊断信息转换为独立的警告标志 ：、弋! ：三：三三二兰三二 协方筹计算过程巾i 二 协疗筹计算过程运行 9 中图科学院硕上学位论文合肥地k ，0 尔l 妇并 沟近地层人气湍流 十竹研究 ( d i s a b l e f l a g _ o n ( 2 ) - - t r u e )( d i s a b l e f l a go n ( 2 ) 2 f a l s e ) 是、否一兰一 芝塑一 s c a n c o u n t 2 s c a n c o u n t + ! 对l i 7 5 0 0 的警告标志计数中止对l i 7 5 0 0 警告标志计数 ( d i s a b l e _ f l a g _ o n ( 4 、= t t l j e )( d i s a b l e f l a go n ( 4 ) = f a l s e ) 根据最有意义的四个比特位值，重新设定l i 7 5 0 0 诊断程序 根据声温( t s o n i c ) 计算开尔文温度t ，利用t 计算l i 7 5 0 0 所测 得的c 0 2 和h 2 0 的摩尔浓度值 利用t s o n i c 和l i 7 5 0 0 所测得的水汽摩尔密度，计算水汽压 计算干洁空气和湿润空气密度 、_ ! 竺m 彳 向时间序列数据表发送一份文件 标记，使得能够将数据分割为2 4 小时间隔。 ：_ 、三兰竺? 到：，f e v e n _ m i n ，f l a g _ o n - - - t r u ee v e n m i n f l a go n 2 f a l s e 保存经过延迟校正后的时间序列数据 加载用来和校j f 后数据进行协方筹计算的数组 在线调用协方差计算数据表( c o m p _ c o v ) n 三竺笤器爹 加载计算的协方差值 依据c s a t 3 相对方向。计算岁盘 风向 调节c s a t 3 相对方向在+ - 1 8 0 度 范围 根据协方差值计算通量 将干空气密度转换为g m “3 计算w p l 修正值和修正后的通量 调用f l u x 数据表 对于湍流通量，对气体成分的影响进行修正是必要的。一是因为对标量的质 量含量转变为体积含量( 如绝对湿度【即- 3 】) 时会引入类似于比湿或混合比的参 数。二是因为密度差别会导致垂直风速带动的上升粒子数和下降粒子数不同，但 1 0 第一章大气湍流基本概念和方法 依据质量守恒，则需要对总为正值的垂直质量流动进行修正。根据w e b be ta 1 ( 1 9 8 0 ) ，对标量成分的通量进行修正的通式为： c = 砑堆爱一w p v + ( 1 呐) - 万孚 ( 1 2 7 ) p o l 上式称为w p l 修正。其中，c 为修j f 后的标量通量，成为该标量的密度，岛为 干燥空气密度，风为水汽密度，：监：1 6j ，盯：垒。右边第一项为未经w p l m v p d 修正，直接进行协方荐得h 的通骨，右边第：项为气体通罱经过w p l 变换的潜 热修正项，第三项为气体通量经过w p l 变换的感热修正项。 经过以上修正，可以知道，我们的涡旋协方差系统通量经过以下步骤得出通 量： l s = p c 尸w t 。= p c ，( w 。t 一o 5 1 t w q ) j 脚一i r g a = p l r w q ( 1 2 8 ) lf c i r g a = w 。q - - vi f ，2 i r ：p 而 所一i r g a ，f c i r g a 分别为没有经过w p l 修正的潜热通量( 单位为【m 2 】) 和二 氧化碳通量( 单位为 m g ( m 2 s ) 】) 。有 h l w p l = 剧i r g a + 红d w p l h l + 红d 一1 印，一t t s f c w p l = f e i r g a + c 0 2 一w p l h l + c 0 2 一w p l h s ( 1 2 9 ) 其中，剧一w p l ，f c 一印，分别为经过w p l 修正后的潜热通量和二氧化碳通量， 吃d w p l 一脚，红d w p l 一胁分别为潜热通量w p l 变换的潜热修正项和感热修正 项，单位为 w m 2 】，c 0 2 一w p l h i ，c 0 2 一w p l h s 分别为二氧化碳通量w p l 变换 的潜热修正项和感热修正项，单位为 m g ( m 2 5 ) 】。 1 2 4 小波分析 近些年发展起来的小波分析，是种时间和尺度双局部化的数学方法。它通 过将信号与一个小波基函数进行卷积，对信号在时间空间与尺度空间同时进行 分解。与傅立叶变换相比，小波变换有许多优点。相对于傅立叶变换只能处理平 移不变的线性系统，小波方法则- 日j 以处理非平移不变线性系统。而且，小波方法能 在改变频谱结构的同时改变窗口的大小和形状，因此被称为“数学显微镜”。在湍 流研究中已在许多方面得到了府用。 由于高频谱密度具有幂指数变化趋势，我们必须进行对数一对数线性分析， - 同科学院硕上学位论文合肥地i x0 力、l 如爿 泓近地层人气湍流牛十付研究 f f t 频谱是等频率间隔的，此时频谱密度的高频部分的数掘冗繁，而低频部分的 数据明显不足，线性拟合时无疑过多地考虑了高频部分的作用，拟合结果很可能 与拟合方法有关而失去客观性和可靠性。另一方面，当湍流不满足局地均匀各向 同性条件时，折射率的起伏存在着严重的问歇性，是一种非平稳过程。而f o u l e r 频谱分析恰恰仅适用j j ：平稳过程。 小波变换频谱分析可以解决一卜述两个问题：小波变换具有平移和伸缩两大特 征，使用正交小波基的小波变换。其伸缩比满足指数律，因此小