非均匀下垫面湍流相干结构研究

In this project, we use wavelet analysis to analyze characteristic of coherent structures using a large dataset observed in Xilinhot National Climate Observatory and CASES99 Experiment, as well as other available data. Then the relationship between general statistical features of coherent structures and governing factors of isotropic turbulence will be analyzed, combining with turbulence statistical characteristics and turbulence spectra features. After this procedure, flux contributions on momentum and scalars of coherent structures will be quantitatively discussed. In consideration of topography and weather backgrounds of the experiment, generation mechanism of these coherent structures will be deeply discussed finally to find a probable physically based interpretation, according to existent turbulence theory...As expected results of this study, changing pattern of statistical parameters of coherent structures should be fully revealed, flux contribution of coherent structure should be quantitatively evaluated and their dominant impact factors will also be investigated. The interaction mechanism between coherent structures and isotropic turbulence should also be fatherly developed through this research.

本项目应用锡林浩特国家气候观象台以及CASES99实验等已获取的观测数据，应用小波变换提取白天近地层湍流大尺度相干结构，辅以湍流统计特性和湍流能谱特征研究，分析相干结构的统计特征与各向同性湍流控制因子之间的相关性，并定量计算相干结构对动量通量和标量通量的贡献。最终本项目将深入探讨相干结构的发生机制，结合现有的湍流模型和实验的地形特点和天气条件寻找合理的物理解释。..通过本项目的研究，湍流相干结构统计参数随风速、大气稳定度等要素的变化规律将得到充分揭示，湍流相干结构对通量交换的贡献及其主要影响因子将得到定量评估及深入讨论，相干结构与各向同性湍流之间的相互影响机制也有望得到进一步发展。

相干结构是现代湍流研究中的重大发现，它表明湍流运动并非完全随机，其中具有可检测的拟序结构，这种结构对通量输送有重要作用。本项目应用锡林浩特国家气候观象台以及城市边界层观测实验获取的观测数据，应用FFT滤波等技术提取了大风天气近地层气象要素观测数据中的阵风以及阵风相干结构，研究了阵风以及阵风相干结构的特性，讨论了大气稳定度对阵风相干结构的影响，并定量计算相干结构对动量通量和标量通量的贡献。研究结果表明阵风普遍存在于不同稳定度的层结中，弱不稳定及不稳定层结下阵风能量较强，中性层结次之，稳定层结最弱；阵风动能与湍流动能的比值在0~30%之间，随稳定度增加而减小，阵风摩擦速度随稳定度的变化与阵风动能类似；阵风相干结构存在于弱不稳定、中性和弱稳定层结；在不稳定层结和稳定层结，阵风的相干性较弱；湍流动量交换效率和热量交换效率在不同的大气污染过程中随稳定度的变化存在差异。.在本课题资助下，项目组于 2015年在苏州东山气象站开展了大气边界层观测实验，积累了近地层湍流观测数据、 边界层探空数据等宝贵资料，该数据集将会为城市下垫面大气边界层与大气湍流研究提供有力支持。