不同下垫面大气湍流相干结构特征及其对地表通量传输的贡献

One of the most impotant progress in turbulence research is the finding of coherent structures in shear flow. It has been get more and more attention in the recent years for their great contributions on the transfer of momentum, heat and matters between land and atmosphere.The study on characteristics of coherent structure and their flux contributions could help us better understanding the nature of turbulence, but also be importance on the development of subgrid-scale in numerical model. Since the widely application of wavelet transform in the turbulence time series analysis, there are many studies on the dection of coherent structures and their contributions to the fluxes. Because of the inconsistence of algorithms used among various works and the lack of long-term observation data, it became impossible of comparison research among different surface type. In this study, the improved method will be developed with consideration of dissmilarity among scalars and difference of transferring machanisms for scalars.This method will be applied on the data from observation over various surface type with different hydrothermal and dynamical conditions. The characteristics of coherent structures, i.e. temperal scale, intermitent time, ramp intensity, and Tayler length scale, and their relation with thermal and dynamic factors. Their flux contributions will be studied with conditional averaging method.

近代湍流研究的重大进展之一是发现剪切湍流中存在相干结构，由于大尺度相干涡旋对地表-大气间的能量物质输送存在显著贡献，因此成为近年来大气湍流研究中的重要主题。对不同下垫面相干结构的研究，不仅有助于我们认识大气湍流的本质，并且对边界层参数化方案的发展与改进有着至关重要的影响。小波变换方法在湍流结构分析中的广泛应用，使相干结构特征及其对通量的贡献有了大量的研究，但由于使用方法的不一致，所得到的结果有着很大的差异，从而无法进行深入的比较。本研究拟在目前小波变换检测相干结构方案的基础上，考虑标量间非相似性，以及不同标量的传输机理，对方案进行发展；使用统一的小波变换方法，针对不同动力、水热性质下垫面观测得到的大气湍流资料进行分析处理，研究相干结构的特征，如周期、间歇时间、振动强度、发生频率、Taylor长度尺度，及其与动力、热力因子的相互关系；通过条件采样的方法，研究相干结构对通量的贡献。

相干结构是湍流运动中的重要特征，在地表能量与物质输送中有着重要作用。在目前所存在的大量研究中，由于所采用的算法不一致等原因，造成研究结果存在较大的差异，缺乏可比性。本研究利用多种下垫面湍流高频观测资料，研究其湍流统计量特征，并使用统一的、基于小波分析的相干结构识别算法对资料进行分析处理，研究其相干结构特征及与动力热力因子的关系及相干结构对通量的贡献。通过项目的实施，我们搜集了青藏高原高寒草原、江南原生草原、西北干旱区绿洲内农田和密西西比水库观测资料； 主要研究结果如下：1）系统分析了青藏高原高寒草原地气交换特征参数的季节变化和湍流统计量特征，发现了控制青藏高原水热交换的主要因子；2）研究了“绿洲效应”影响下，农田下垫面标量输送的相似性，发现在热平流作用下，热量和水热的输送存在较大的非相似性；3）通过对江南草地和青藏高原高寒草原相干结构特征及其对通量贡献的比较，发现无论对于动量还是标量，相干结构的对通量的贡献均是冬季较大，而夏季较小；4）进一步分析了各月通量贡献与动力因子和热力因子的关系，发现随着动力因子的增强，相干结构的贡献随之减弱，而随着对流运动的增强，相干结构的贡献随之增加，可见热力因子在相干结构的贡献当中起着主要作用；5）HHT算法在湍流系列分析中的可用性。