大气边界层湍流拟序结构及其统计特征研究

This project aims to study the turbulent coherent structure identification and extraction, and their statistical features. The coherent structure of the turbulent stress (momentum flux) and heat transfer (heat, water vapor and carbon dioxide fluxes) will be studied ,based on the data from the long-term observation on an 325m meteorological tower. Expected results congtains: (1) the development of extraction from observational data fitting method of sequence structure of atmospheric turbulence; (2) revealed turbulent noise in signal, chaos, coherent structures, intermittency and the non stationarity of the mutual influence; (3) given to the statistical characteristics of atmospheric boundary layer turbulence coherent structure, build the semi- empirical relationship between the establishment of statistical characteristics and structure of the atmospheric boundary layer parameters .

本项目主要从大气边界层湍流的观测数据（325米气象高塔的长期观测）出发，重点围绕湍流拟序结构的识别和提取、统计特征开展研究，进而探讨拟序结构对湍流应力（动量通量）和传热传质（热量、水汽和二氧化碳通量）的影响。预期成果是（1）发展从观测资料中提取大气湍流拟序结构的方法；（2）揭示湍流信号中噪声、混沌、拟序结构、间歇性和非平稳性的相互影响；（3）给出大气边界层湍流拟序结构的统计特征，建立统计特征量与大气边界层结构参数之间的半经验理论关系。

大气湍流无论在流动的上下边界层条件还是在时空变化和影响因素方面，都具有比一般实验室湍流更大的复杂性。深入研究大气湍流拟序结构，对于加深自然界湍流机理的认识，丰富和发展一般湍流理论，具有重要的科学价值和工程实际意义。本项目主要从大气边界层湍流的观测数据（北京325米气象高塔的长期观测）出发，重点围绕湍流拟序结构的识别和提取、统计特征开展研究，进而探讨拟序结构对湍流应力（动量通量）和传热传质（热量、水汽和二氧化碳通量）的影响。取得了如下成果：（1）总结了湍流原始观测中的十种常见数据问题。它们是缺测、频率异常、超出仪器有效量程、物理不合理、超出气候极值范围、野点、僵值、跃变、精度不足、谱不合理，项目给出了这十种数据问题的识别方法和解决方案，并发展了从观测资料中利用多尺度（基于傅里叶分析、小波分析和希尔伯特-黄变换）提取大气湍流拟序结构的有效方法；（2）揭示湍流信号中噪声、混沌、拟序结构、间歇性和非平稳性的相互影响；构造了湍流信号的随机-分形仿真模型，与实际符合很好；（3）给出大气边界层风速和标量湍流拟序结构（爬坡和斜坡）的内生和外生冲击特征、尺度相似性和标度律，以及它们的“长尾”分布和长程关联特征，建立了统计特征量与大气边界层结构参数之间的半经验理论关系（例如湍流间歇性指数与摩擦速度的关系等）。本项目的研究成果中，湍流信号的理论模拟在风能资源和风力发电研究中得到初步应用，标量湍流斜坡结构的标度律在空气污染物扩散模式中得到了初步应用。