城市近地层湍流与相干结构特性的实验分析

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1、摘要随着大气边乔层观测与理论模式的发展，水平均匀平坦下垫面上的近地层问题已经能用M-0相似理论较好地理解和分析．研究重点己转向对非均匀下垫面大气边界层特征和规律的解释．而在非均匀下垫面边界层中，城市边界层属于最最复杂的情形，是非均匀下垫面研究的重点和难点。而且城市是人口聚集的地方．研究城市边界层特征及城市上空污染物的扩散规律具有最为重要和迫切的现实意义。本文利用南京边界层综合观测实验测量的冬夏两季城郊边界层气象数据，分析得到了以下结果。(1)分别对冬夏数据进行逐日平均和总体平均，分析了各种气象平均量的日变化，城郊变化以及季节变化的差异。发现下垫面能量收支不平衡存在。计

2、算了一个能反应下垫面对湍流拖拽能力的参数一归一化摩擦速度。稳定边界层下的U和W频谱和kaimal经典值比较接近，不稳定边界层的u、v和W谱在高频端接近重合，低频端有所区分。其中W峰值频率出现比u和v大2个数量级，这种差异随着高度增加减少。(2)详细说明了复杂地形拟合平面以及平面倾斜角对通量数据的影响。总结了三种旋转方法．DR，GPFR，SPFR的原理和计算公式。发现郊区存在一个很好的单一拟合面，城市拟合平面比较复杂。分别利用GPFR和SPFR对两地通量进行修正，发现坐标轴修正能使w速度集中在0附近，消除了水平速度因地形影响而产生垂直分量，其中SPFR结果更接近我们对真

3、实垂直速度的假设(正态分布和短时剧烈变化较少)。C02通量对修正方案的敏感比其他通量要大的多。SPFR计算通量结果普遍小于GPFR。因为SPFR将垂直速度进行了分角度的多平面拟合，在每个平面都将对应风向水平风速因拟合平面引起的垂直分量脉动扣除，从而引起涡动相关计算的通量结果和总体平面拟合的差异。并且由于某些风向数据太少，分角度平面拟合在这些风向容易被测量随机误差影响，不如GPFR稳定性●强。(3)对冬夏两季市区党校的三层风速测量结果计算粗糙长度zO和零平面位移zd，结果说明复杂下垫面上M0相似的可行性。分风向东南边zo普遍较大，西北边较小，这和实际地形相符。同时，使用

4、根据地形和Ba城市形态学公式直接计算的统一和局地的z0、zd计算摩擦风速，和测量摩擦速度对比发现分区域的局地fetch分析和测量结果更接近，计算出的局地fetch绝对误差更小。稳定度参数、l，m在计算中可以忽略。由雷达廓线确定边界层高度和厚度，得出边界层高度摘要和夹卷层厚度白天高夜晚低，下午4点左右达到最大值，黎明前高度最低。(4)切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现，它表明湍流在表面上看来完全随机的运动中具有可检测的有序运动。本文通过处理南京浦口地区的大气边界层观测数据，分析不稳定层结条件下出现的高风速相干结构的特征。实验观测项目包括了铁塔分层的超声风速测量以及

5、风廓线雷达对边界层垂直廓线的测量。对在40m和2m高度分别测量的水平脉动风速时间序列数据进行400s的时间尺度上的小波变换，根据小波系数来识别和定位这种高风速相干结构。与多普勒风廓线雷达测量的风速垂直廓线进行对比后发现，这种方法确定的相干结构符合常规的认识，具有较长的时间尺度和较大的垂直尺度(接近边界层厚度)。计算3天的无量纲空间间隔约为6，即每隔6个边界层厚度的水平位置出现一个高速相干结构。对同时刻的垂直风速进行小波变换，发现与水平风速小波系数之间有较好反相关，即由水平风速定位出的相干结构和向下的垂直风速之间有较好对应，这和之前湍流中“阵风”现象的研究结论相似。这种

6、大尺度的高风速相干结构，对表面层的动量通量输送有明显的影响。对超声风速仪测量的风速脉动数据进行四象限分析，分类得到两种向下输送动量通量的运动：sweep运动(大水平风速的下扫运动)和ejection运动(小水平风速的上扬运动)。这两种运动在整个湍流活动中占主导地位，它们所占时间比例接近(约35％)，而且对动量通量输送的贡献也近似相等。前面定位的相干结构，通过对sweep运动的促进和对ejecnon运动的抑制来影响动量通量的输送。由于相干结构与垂直速度相互对应，它对热量通量的输送也有着一定的影响(抑制)。但由于尺度的关系，这种抑制作用体现得不是十分明显。关键词：城市边界

7、层频谱分析平面拟合粗糙长度误差函数拟合高风速相干结构动量通量。IIABSTRACT_一_———————————————————————————____———————————————————————————一AsobservationandtheoreticaldevolopmentoftheABL，surfacelayerofhomogeneouslayercanbeexplainedwellunderM·Otheoryofsimilarity．ResearchnOWfocusonunhomogeneousandunsteadysurfacelaye