大气边界层湍流标量场的非线性统计特征分析和模拟研究

Scalar fields of turbulence have many particular characteristics compared with velocity fields. Atmosphere boundary layer is the best location for scalar turbulence research, which is always accompanied with passive scalar fluctuations of H2O, CO2 and other pollutants. The in-depth research of atmospheric scalar turbulence can improve the turbulence theory itself, and is also of great importance for applications of air pollution, weather forecasts, and climate prediction..In this program, we will use the turbulence data observed in 325 m meteorological tower etc., provide general statistical characteristics and nonlinear statistical characteristics such as coherent structure and intermittency of scalar turbulence in the atmospheric boundary layer, and investigate its statistical law. Meanwhile, we will develop the extraction method for ramp-cliff structure of scalar turbulence, establish the theoretical model on large-scale coherent structures and small-scale fluctuations, and discuss the empirical relationship between the statistical characteristics of small-scale scalar turbulence and the atmospheric boundary layer parameters. The research results will help to develop transportation and diffusion theory for atmospheric scalar turbulence, and to improve the turbulence parameterization scheme in atmospheric numerical model.

湍流的标量场具有很多不依赖于速度场的独特性质，大气边界层是研究标量湍流最好的场所，总是伴随着水汽、二氧化碳、污染物等被动保守物的湍流脉动，在风洞实验室中则很难进行相应的实验。深入研究大气标量湍流，既可以丰富和发展一般湍流理论，又可为天气气候、大气污染等方面的应用提供参考，具有重要的科学价值和实际意义。.本项目利用北京325米气象塔等实际观测资料，给出大气边界层中标量湍流的一般统计特征和相干结构与间歇性等非线性特征，揭示标量湍流的基本统计规律，发展标量湍流相干结构提取方法，构造标量湍流大尺度斜坡结构和小尺度脉动的理论模型，探讨标量湍流的小尺度统计特征量和大气边界层结构参数之间的半经验理论关系，为发展实际大气湍流中标量场的输送和扩散理论、改进大气数值模式中的湍流参数化方案提供科学参考。

大气湍流处于多时空尺度的大气运动中，比一般的实验室湍流更具有复杂性。大气边界层中总是伴随着水汽、二氧化碳、PM2.5、污染物等被动保守物的湍流脉动，大气标量湍流具有更加独特的性质。本项目取得了如下成果：(1) 二氧化碳相对来说比较难以形成斜坡结构，在温度，水汽和CO2场中，斜坡结构上升部分的斜率和上升部分的持续时间存在比较明显的标度率，三种标量场对应的幂指数相差不大；(2) 通过对能量耗散率和温度耗散率奇异谱的分析发现，湍流温度场的间歇性强于速度场，同时发现由于城市冠层中的大气湍流处于高雷诺数和高瑞利数的状态，其间歇性远强于一般的中等雷诺数的实验室湍流；(3) 利用集合经验模态分解方法（英文简称EEMD）分析过PM2.5湍流脉动的多尺度统计特征，发现长时间的PM2.5序列具有长程反相关性，说明被动保守物PM2.5的传输和扩散中存在着负反馈机制；(4) 采用交错调和级数来拟合和提取温度的斜坡结构，并探讨了风速相干结构的自相似特性。