下垫面非均匀性对大气边界层湍流输送影响的水槽实验研究

经典的Monin-Obukhov相似理论广泛应用于区域尺度甚至全球模式中有关边界层的湍流通量参数化中。大量实验表明均匀下垫面条件下建立的相似理论以及梯度通量关系和湍流特征等都不能很好地应用到非均匀下垫面上。因而对非均匀下垫面大气边界层的湍流输送和扩散理论的深入研究，对于完善边界层理论和提高当前模式的预报精度有重要的理论意义和应用价值。本项目在原有水槽和仪器基础上，实现非均匀下垫面和水平运动，新增局地温度廓线，大范围高空间分辨率流场测量和水槽中使用的涡动相关系统，实现非均匀下垫面大气边界层的流场结构和湍流特征的室内水槽模拟研究。通过改变下垫面的非均匀程度，温度层结和风速切变，分析非均匀下垫面大气边界层平均场和湍流场的特征，下垫面非均匀影响范围，湍流输送的特征。放置模型烟囱于对流水槽底部进行烟流扩散实验，测量流场和浓度场，分析烟流抬升特征。获得非均匀下垫面大气边界层湍流输送和扩散的参数化方案。

在本课题的资助下，我们对对流水槽设备进行改造，使之方便实现非均匀下垫面对流边界层结构的室内模拟；同时我们大大改进测量的技术，可以得到准确定量的结果，为数据的分析，结论的可靠性提供了保证。我们利用改进的对流水槽开展了（i）非均匀下垫面大气边界层结构特征的模拟实验，（ii）具有水平切变流场的对流边界层结构特征模拟, (iii)污染扩散实验研究，（iv）非均匀下垫面对流边界层光学湍流特征的模拟实验。得到如下的主要成果:.(1)非均匀下垫面会形成局地环流。对于两条状下垫面，会引发类似海陆风环流，由此分析了海陆下垫面对海陆风环流影响的特征，给出了海风发生的条件。海陆环流发生的起始阶段流场输送的特征不同于之后维持的情况，之后流场的输送达到一种平衡状态。.(2)成功实现具有切变和对流同时发生的大气边界层的水槽模拟。温度场和速度场具有与实际大气一致的特征，为以后的对流边界层水槽模拟的细致研究提供更为可靠的手段。.(3)非均匀下垫面对流边界层夹卷层湍流引起的光强闪烁特征与均匀下垫面情况有很大的不同，而在混合层中，两者没有差别。