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南海大气边界层湍流结构及输送特征

姚菡  
【摘要】:本文对2009年8月31日-10月26日南海茂名海上观测平台塔基资料进行大气湍流统计特征分析,并利用涡动相关法计算湍流通量,进而考察南海大气边界层湍流结构及输送特点。然后将小波分析方法引入南海大气湍流研究中,辨识以及提取大气湍流中的相干结构,并利用小波系数谱分析相干结构的演变特征,最后结合天气形势、湍流及其输运特征,对大气湍流相干结构特征进行了初步分析。主要结果如下: (1)三个风速方向上平均湍流度分别为Iu=0.120,Iv=0.115,Iw=0.059。水平方向上湍流度绝大多数小于0.5,垂直方向上湍流度明显小于水平方向,基本上限定在0.3以内。 (2)风速和温度脉动的归一化标准差以及与湍流通量相联系的脉动量相关系数满足局地相似规律,而湿度归一化标准差及其与垂直速度分量的相关系数随稳定度的变化不满足幂率关系。这说明与水汽相联系的湍流结构及其通量输送更具有复杂性。 (3)风速和标量的湍流谱及通量谱均包含完整的谱形结构:低频含能区和高频明显的惯性副区。风速和温度的归一化能谱,在惯性副区内按照-2/3幂率关系分布,并收缩为一条直线。通量谱虽然在惯性副区按幂率分布,但谱线明显分离,且幂率关系也不完全符合-4/3次律。与其他下垫面实验相比,海洋平坦下垫面条件下湍涡在惯性副区内更符合各向同性条件:高频端风速分量的能谱密度比值sw(n)/Su(n)和Sv(n)/Su(n)很好的收敛于4/3。另外,本文的研究发现被认为与地形效应有关的能谱低频上翘现象在海洋平坦下垫面上也有发生。 (4)受下垫面热力特征影响,海上感热通量和潜热通量没有明显的日变化。感热通量主要由海面向大气输送,只有少数是由大气向海面输送且量值相对较小。动量通量随风速增大而增加,与水平速度平方U2近似呈线性关系,由此得到动量整体输送系数CD≈1.4×10-3。该结果略低于南沙海域基于大风条件得到的结果(CD≈1.54×10-3)。 (5)对湍流风脉动资料小波分析的结果显示,南海近海平坦下垫面大气湍流存在几十秒主导尺度的相干结构,并表现出多尺度的特性。相干结构尺度与文献中其他下垫面条件下的结果具有大致相同的量级,并且比实验室湍流相干结构的尺度大三个量级。利用小波变换提取的拟周期结构能够在数值和波形上很好地反映湍流信号的主要特征,体现了湍流中客观存在的某种中间尺度的相干涡旋。所提取的相干波形的量值大小反映了相干结构的强输运特征,而剩余的非相干信号则主要体现湍流中小尺度、不规则、强间歇性的部分。 (6)小波系数谱分析结果显示,在一定频段范围内,大气湍流相干结构生成周期和其生命尺度相近,相干结构主要以连续的方式产生;而在较小尺度上生成周期大于其时间尺度,湍涡的发生存在明显的不连续。 (7)大气湍流相干结构的生成和发展与天气形势,尤其是大气稳定度密切相关。阴雨天气对应不稳定层结条件,对流交换使不同尺度上涡旋结构被充分激发,湍流充分发展,涡旋强度大,尺度分布广;晴天夜间稳定层结条件下,湍流发展被抑制,间歇性强,涡旋强度小,能量在尺度上分布相对集中,相干结构在时间上分布较为离散。


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