特别选题
郑保锋,王宝民,王也,蓝长星,郑丹.近地面层湍流通量输送相似性及相干结构特征[J].环境科学学报,2023,43(1):284-296
近地面层湍流通量输送相似性及相干结构特征
- Characteristics of turbulent transport similarity and coherent structures in the atmospheric surface layer
- 基金项目：国家自然科学基金（No.U21A6001，41775015）；广东省重点实验室项目（No. 2020B1212060025）；广东省基础和应用基础重大项目（No.2020B0301030004）
- 作者
- 单位
- 郑保锋
- 中山大学大气科学学院，广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 510275;广东航天宏图信息技术有限公司，佛山 528200
- 王宝民
- 中山大学大气科学学院，广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 510275;广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，珠海 519082;南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），珠海 519082
- 王也
- 中山大学大气科学学院，广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 510275
- 蓝长星
- 中山大学大气科学学院，广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 510275;卡尔斯鲁厄理工学院气象和气候研究所，加尔米施-帕滕基兴 82467
- 郑丹
- 中山大学大气科学学院，广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 510275
- 摘要：利用2018年广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站70 m气象塔上涡动协方差系统连续观测资料，对不同大气稳定度条件下近地面层相干结构的统计特征及其对湍流通量相似性的影响进行了初步研究.结果表明：①无量纲风速标准差（稳定、不稳定）和气温标准差（不稳定）遵循莫宁-奥布霍夫相似理论；②湍流速度（u、v、w）谱、温度（T）谱、CO2和H2O浓度谱在惯性副区均满足-2/3定律.w-T协谱、垂直速度（w）与标量（CO2、H2O）浓度的协谱（w-CO2、w-H2O）在惯性副区遵循-4/3定律；③不稳定条件下，热力湍流对H2O和CO2标量具有很好的输送作用，而以动量通量输送为代表的机械作用在弱不稳定条件下对H2O和CO2的输送效果最好；④上冲和下扫运动对湍流通量输送起主导作用，且随湍涡尺度的变化略有差异，湍流通量输送对大气层结的依赖性较弱.
- Abstract：Using the eddy covariance data observed on a 70-meter meteorological tower located in the Guangdong Province Ring Pearl River Estuary Climate， Environment and Air Quality Change Field Scientific Observation and Research Station in 2018， we analyzed the characteristics of near-surface coherent structures and its influence on turbulent transport similarities under different atmospheric stability conditions. The results show that： ①the Monin-Obukhov similarity theory well describes the dimensionless standard deviations of turbulent velocities under both stable and unstable conditions， while its validity is challenged for the dimensionless standard deviation of temperature in stable conditions； ②the turbulent velocity （u， v and w） and scalar （T， CO2 and H2O） spectra follow the -2/3 law in the inertial subregion， while the cospectra （w-T， w-CO2， and w-H2O） depict a -4/3 law in the inertial subregion； ③under weakly stable conditions， scalars are mainly transported by shear-generated turbulence， while buoyancy-generated turbulence dominates the vertical transport of scalars in the convective boundary layer； ④the vertical flux transport is mainly associated with ejections and sweeps which are related to the vortex scales but relatively independent to thermal stratification.
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