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《南京大学》 2017年
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城市粗糙子层中动量和热量的湍流交换特征研究

邹钧  
【摘要】:近地层是地表与大气之间直接进行物质和能量交换的薄层,其高度范围仅为离地几十米至一百米左右。由于直接与地面接触,近地层受下垫面的影响十分强烈。对于自然的均匀平坦下垫面而言,由于湍流通量不随高度变化,经典相似理论基本可以描述动量和热量的湍流交换行为特征。然而,在城市地区,由于建筑物等粗糙元的存在,城市近地层进一步划分为城市粗糙子层和城市惯性子层,在城市粗糙子层中湍流通量是随高度变化的。因此在城市地区,经典的相似理论并不完全适用。但是,现有的大气模式对于城市近地层湍流交换过程的描述仍然基于经典相似理论的参数化方案,误差很大。为了提高模式的模拟能力,我们需要对城市粗糙子层中的湍流交换特征有更深入的了解。本文将利用城市粗糙子层中的多层湍流观测数据,从湍流统计学特征、通量一梯度关系以及湍流行为特征等角度研究粗糙子层中动量和热量的湍流交换特性。通过对观测数据进行分析,本文得出以下结果:首先,本文分析了不同归一化观测高度的湍流统计学特征(σu,v,w/u*和σTr/Tv*),其中σu,v,w和σTr分别为湍流速度标准差和温度标准差,u*和Tv*分别为摩擦速度和湍流温度尺度。分析结果表明,在城市粗糙子层中,湍流统计学特征满足局地相似理论,σu,v,w/u*和σTr/Tv*和均可以表示为稳定度ζ的函数。对于σu,v,w/u*而言,其稳定度的参数化方案与均匀平坦下垫面的函数形式相同,随着稳定或不稳定的增加,σu,v,w/u*的观测结果逐渐增加。进一步分析发现,城市近地层中的σu,v,w/u*高于水平均匀下垫面的结果,且随着观测高度的上升,稳定度对σu,v,w/u*的影响逐渐增强。而对于σTr/T(?)*而言,其随稳定度的变化在近中性时出现分段的现象,在不稳定(稳定)条件下,随着不稳定度(稳定度)的增加,|σTv/Tv*|逐渐减小,减小的趋势与|ζ|1/3亏成正比,与均匀平坦下垫面的结果类似;但是在近中性条件下,当ζ → 0时,|σTv/Tv*|迅速增大,增大的趋势接近于|ζ|-1。除此之外,在稳定条件下,随着观测高度的增加,稳定度对σTv/Tv*的影响逐渐加强。其次,本文讨论了湍流通量—廓线关系及其积分形式在城市粗糙子层的应用。为了便于区分,本文将通量—廓线关系称为通量—梯度关系,而将其积分形式称为通量—廓线关系。对于湍流动量的通量—梯度关系而言,在不稳定条件下,经典的局地相似理论可以很好的表示城市近地层的动量—梯度关系;但是在稳定的条件下,观测得到的动量—梯度关系背离了经典的局地相似理论,且在城市粗糙子层中,随着观测高度的增加,观测值将逐步接近理论值。通过对这一现象的分析研究,本文给出了城市粗糙子层高度的估算方法,估算得到的粗糙子层高度在3.8倍平均建筑物高度。同时,本文研究发现,尽管在不稳定条件下,经典的局地相似理论可以较好的描述动量的通量—梯度关系,但是其积分形式——通量—廓线关系却背离了经典的局地相似理论。本文将其原因归结于空气动力学粗糙度Z0随大气稳定度以及观测高度的变化,并给出了Z0的参数化方案。在引入变化的空气动力学粗糙度之后,经典的局地相似理论便可以较好的应用于城市近地层动量的通量—廓线关系。除此之外,本文还分析了湍流感热通量的通量—梯度关系,分析结果表明由于逆梯度传输的存在,在城市近地层中感热通量的通量—梯度关系并不适用。最后,本文利用对南京测站不同风向源区域、不同观测高度的湍流观测结果,研究城市粗糙子层中湍流通量的垂直结构。发现在城市粗糙子层中,当观测点附近没有高大建筑物时,上层湍流通量大于下层观测结果;但如果观测点附近有高大建筑物建筑,上下两层湍流通量的观测结果几乎一致。本文通过对源区的选择,去除了附近高大建筑物的影响,进一步利用湍流交换效率以及动量和热量的四分量分析研究城市粗糙子层中上层湍流通量比下层大的现象。研究发现,在城市粗糙子层中,高层的湍流通量交换效率要高于低层,并且在白天湍流动量的传输主要以“上扬”的形式出现,而湍流热通量的传输以热空气上升为主导。同时本文从建筑物的加热作用,“遮挡”效应以及“尾流”效应等方面讨论了这一现象之后的物理机制。观测结果表明,在城市粗糙子层中进行的湍流通量观测,对整个城市近地层的湍流通量交换存在偏低估计。故而城市湍流通量的观测需在城市惯性子层中进行,如果观测仪器位于城市粗糙子层,则该观测结果需要被修正。本文得出以下结论:1、局地相似理论可以在一定程度上描述城市粗糙子层中的湍流行为;2、在城市粗糙子层中,湍流统计学特征、通量—梯度关系以及通量—廓线关系随观测高度增加而发生变化。在粗糙子层顶部局地相似关系逐渐趋近于经典相似关系,这表明惯性子层的存在。3、在城市粗糙子层中,利用局地相似理论获得的地表粗糙度并非常数,它随稳定度以及观测高度的变化而变化。4、在城市粗糙子层中的湍流观测存在偏低估计。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P433

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