边界层夹卷参数化及光学湍流特性的室内模拟研究

论文摘要

本文利用室内水槽模拟均匀下垫面大气对流边界层。利用模拟的结果,通过分析夹卷层的结构特征,结合实测数据,研究了均匀下垫面对流边界层的夹卷参数化和光学湍流特性。夹卷过程是夹卷层最为重要的物理过程,其对边界层的发展及边界层中的各种大气现象等都存在着非常重要的影响,是对流层与自由大气之间物质和能量交换的重要机制。对于夹卷过程,通常使用夹卷参数化进行描述,包括夹卷通量参数化,夹卷率参数化和夹卷层厚度参数化。但是现有的夹卷率和夹卷层厚度参数化方案存在很多不足,不能很好的解释模拟和实测数据。本文利用水槽模拟和野外观测数据,对夹卷参数化进行了研究,得到了新的物理意义完善的理查森数方案,基于该理查森数方案的夹卷率和夹卷层厚度参数化,可以很好的解释现有数据。本文得到的主要结果如下:(1)利用水槽模拟数据,对夹卷通量参数比进行了统计研究;对水槽模拟边界层的发生发展进行了分析,结果表明与实际大气的情况较为接近;对比研究了水槽模拟和数值模拟的边界层发展,两者的一致性很好,验证了水槽模拟的可靠性;(2)通过分析夹卷层的结构,引入了简化的夹卷层模型和新的夹卷层温度跃迁特征量,并得到了新的理查森数方案和夹卷率参数化方案。新的理查森数方案包含了逆温层梯度和自由大气稳定度的影响,物理意义更完善。新的夹卷率参数化方案避免了已有方案的缺点,与水槽模拟结果的一致性很好;(3)分析了现有夹卷层厚度参数化方案的不足,利用简化的夹卷层模型和新的理查森数方案,提出了新的夹卷层厚度参数化方案。该方案与水槽模拟和实测数据的一致性很好。对比研究现有参数化方案的参数化结果表明,在实际大气的复杂情况下,本文提出的新方案适用性最好。现有的边界层温度结构研究中,由于观测不易,对边界层中高层尤其是夹卷层了解较少,已有结果也缺乏翔实有效的实验验证。本文使用水槽成功的对光学湍流进行了模拟,利用实验得到的光斑图样对光学湍流特性进行了研究,对已有研究结果进行了验证,并通过分析大尺度结构的影响,对夹卷层温度结构特征进行了研究。类似研究尚未见报道,得到结果如下:(1)利用光斑数据对边界层各向同性湍流特征进行了研究,加深了对边界层尤其是夹卷层的湍流特征的了解。研究表明,混合层在水平方向较为接近各向同性,而在垂直方向较为偏离;夹卷层偏离于各向同性湍流,湍流特性与对流状况密切相关;(2)使用光斑数据,对现有的温度结构常数行为的研究结果进行了验证。结果表明,混合层标度律方案具有可靠性,而夹卷层方案并不能很好的解释夹卷层温度结构常数的行为。本文提出了一种新的夹卷层温度结构常数相似律公式,得到了模拟和实测数据的支持;(3)在前述研究的基础上,进一步分析了夹卷层结构和大尺度结构的活动。使用小波变换方法对对数光强进行了多尺度分解,研究了不同水平尺度结构的活动特征,从而对光斑进行了大尺度结构分解。利用光斑大尺度结构分解,通过将温度结构常数分解为大尺度结构贡献部分和各向同性小尺度结构贡献部分,并对这两者的贡献分别进行相似律归一化,成功的解释了夹卷层温度结构常数的行为,同时提出了一种可以解释夹卷层温度结构常数廓线行为的相似律方案。(4)根据温度结构常数的混合层标度律,提出了一种适合于室内水槽模拟的光闪烁测量方法,该方法相比常用的热通量方法,具有实时性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 大气边界层概述
• 1.1.1 大气边界层的一般特征
• 1.1.2 大气边界层基本结构
• 1.1.3 对流边界层演变的一般特点
• 1.2 大气边界层温度场结构特征
• r²'>1.2.1 温度结构常数C_r²
• 1.2.2 近地面层（Surface Layer）
• 1.2.3 自由对流层（Free Convection Layer）
• 1.2.4 混合层特点（Mixed Layer）
• 1.2.5 夹卷层（Entrainment Zone）
• 1.2.6 小结
• 1.3 夹卷层
• 1.3.1 理想边界层模型及夹卷通量参数化
• 1.3.2 夹卷率
• 1.3.3 夹卷层厚度
• 1.3.4 讨论与小结
• 1.4 大尺度结构
• 1.4.1 大尺度结构简介
• 1.4.2 大尺度结构分解
• 1.4.3 讨论与小结
• 1.5 边界层室内模拟方法历史
• 1.6 本论文的主要研究内容及创新
• 第二章 实验和方法
• 2.1 室内模拟实验
• 2.1.1 实验装置及流程
• 2.1.2 相似性考虑
• 2.2 其他数据及数据使用
• 2.2.1 Deardorff等水槽实验数据（data2）
• 2.2.2 Boers等外场观测数据（data3）
• 2.2.3 Aschurch观测数据（data4）
• 2.2.4 安光所水槽实验数据（data5）
• 2.3 数据处理方法
• 2.3.1 大气边界层测量及数据处理中的几个问题
• 2.3.2 室内模拟实验夹卷层的确定
• 2.3.3 小波变换简介
• 第三章 夹卷参数化研究
• 3.1 夹卷通量参数化
• 3.1.1 夹卷通量比
• 3.1.2 水槽模拟边界层的发展
• 3.1.3 数值模拟对比
• 3.1.4 小结
• 3.2 夹卷率参数化
• 3.2.1 夹卷层结构及夹卷层特征温度参量
• 3.2.2 夹卷率参数化方案
• 3.2.3 数据结果
• 3.2.4 讨论与小结
• 3.3 夹卷层厚度参数化
• 3.3.1 夹卷层厚度参数化方案
• 3.3.2 数据结果
• 3.3.3 讨论与小结
• 3.4 讨论与展望
• 第四章 光学湍流研究
• 4.1 边界层各向同性特征
• 4.1.1 功率谱无标度区间的确定
• 4.1.2 标度率廓线特征
• 4.1.3 混合层标度率特征
• 4.1.4 夹卷层标度率特征
• 4.1.5 小结
• 4.2 温度结构常数研究I:温度结构常数的测量
• 4.2.1 温度结构常数的测量方法
• 4.2.2 室内模拟实验温度结构常数的测量
• 4.2.3 其他方法的结果对比
• 4.2.4 讨论与小结
• 4.3 温度结构常数研究II:现有理论的验证
• 4.3.1 理论回顾
• 4.3.2 数据结果
• 4.3.3 讨论与小结
• 4.4 温度结构常数研究III:大尺度结构
• 4.4.1 理论
• 4.4.2 数据结果
• 4.4.3 讨论
• 4.4.4 小结
• 4.5 温度结构常数研究IV:应用──室内模拟光闪烁测量方法
• 4.5.1 室内模拟实验光闪烁测量方法
• 4.5.2 数据结果
• 4.5.3 讨论与小结
• 4.6 讨论与展望
• 第五章 下一步的工作计划
• 5.1 夹卷层细致结构
• 5.2 非均匀下垫面边界层模拟
• 5.2.1 水槽模拟方案
• 5.2.2 野外观测
• 5.3 风速剪切边界层模拟
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录 A
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
• 致谢