大气边界层湍流的概率分布研究

论文摘要

本文分析了不同下垫面和不同稳定性条件下湍流标量场的概率分布特征。主要结论如下: 1.湍流观测量(温度、水汽和二氧化碳浓度)的概率分布可以用指数分布来描述。二氧化碳浓度、水汽和温度的概率分布通常会偏斜。相干结构是造成偏斜的原因之一,但是相干结构本身造成的偏斜很小,而间歇性,即时间序列中的极值会使偏斜度很大。温度的偏斜度可以用稳定度和下垫面来解释,水汽的偏斜受稳定度的影响较小,但是受到平流和霜的影响,而二氧化碳浓度的偏斜度还与其它因素有关,比较复杂。2.标量差的概率分布随着尺度的增大从指数分布向高斯分布逐渐变化。小尺度的指数分布说明小尺度上的间歇性,并且随着尺度的减小,间歇性增强。由于标量的输送,标量差的概率分布一般也存在偏斜。水汽差和温度差的偏斜度与稳定度有关,但是二氧化碳浓度的偏斜度还受到其它因素的影响。但是对于水汽,出现了多峰、重合和大脉动等现象。针对这些现象,从谱、相干结构、时间序列本身的概率分布和标量差的概率分布,分析了高频噪声的影响。得出结论:适当滤掉高频噪声,可以得到比较好的湍流时间序列,因此也可以得到好的概率分布。但是滤掉的高频过多,可能会产生新的噪声,甚至改变原时间序列的结构,使原变量的概率分布和变量差的概率分布都变得很乱。同时,也发现,线性趋势的存在会使原变量的概率分布出现双峰,但是不会影响变量差的概率分布。双峰的出现可能是因为线性趋势和去趋之后的时间序列中的结构有不同的产生机制,因而有不同的概率分布,两者的叠加就出现了双峰。3.湍流动能和标量通量的概率分布可以用指数分布来描述,但是通常会有很大的尾巴,这是由于湍流动能和标量通量时间序列中往往有很大的极值,反映了湍流动能和标量输送的间歇性,可以用幂函数分布来描述。湍流动能和标量通量的概率分布也会有偏斜。感热通量的偏斜度在稳定条件下基本上是负的,不稳定条件下是正的。水汽通量的偏斜度在稳定和不稳定条件下都是正的。二氧化

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 大气边界层湍流的复杂性
• 1.2 大气边界层湍流研究进展和问题
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 实验介绍、分析方法和数据处理
• 2.1 湍流观测实验介绍
• 2.2 概率密度分布函数
• 2.3 小波系数谱分析
• 2.4 湍流数据的预处理
• 第三章 湍流观测量的概率分布
• 3.1 温度、水汽和二氧化碳浓度的概率分布
• 3.2 相干结构对概率分布的影响
• 3.3 小结
• 第四章 标量差的概率分布
• 4.1 标量差的概率分布
• 4.2 水汽差概率分布的多峰现象
• 4.3 水汽差概率分布的重合和大脉动
• 4.4 小结
• 第五章 湍流动能和通量的概率分布
• 5.1 湍流动能和通量的指数拟合
• 5.2 长尾巴的幂函数分布
• 5.3 小结
• 参考文献
• 论文完成情况
• 致谢