大气边界层湍流的多尺度统计特征及其统计建模

Turbulence in the atmospheric boundary layer can excite many eddies with different scales at high Reynolds number. The multiscale motions bring lots of difficulties to numerical simulations. Until now, the atmospheric numerical simulations can’t well describe these sub-grid eddies. Although the commonly used CFD models can be used to describe the multiscale motions, they cost many CPU times in the simulations of turbulence with complex terrain. Thus, these models are not suitable in some engineering practices. Instead, the multiscale statistical modeling is designed to simulate turbulence in the atmospheric turbulence. However, many multiscale statistical models are based on the study of isotropic turbulence while the atmospheric turbulence is generally non-isotropic. . In this program we will use the multiscale analysis of non-stationary time series proposed in other disciplines to analyze the multiscale characteristics of turbulence in the atmospheric boundary layer. The relations between the multiscale characteristics and boundary layer parameters will also been studied. Basing on above results, we will construct three kinds of multiscale statistical models (including map models, scale differential models and spectral models ) which can describe the non-isotropic feature of turbulence in the atmospheric boundary layer. These models will be evaluated by the engineering standard. Except the application values in the domains of weather, air pollution and wind engineering, our research can also give a better understanding of the nature of atmospheric turbulence.

大气边界层湍流包含有各种尺度的湍涡运动，这种多尺度湍涡运动对于地气之间的物质能量交换有重要作用。现有的大气数值模式难以全面准确地模拟湍涡的多尺度运动。有些计算流体力学方法（例如直接数值模拟和大涡模拟）虽然能模拟湍涡的多尺度运动，但仅局限于模拟工程上简单的流动，难以用到具有复杂边界且空间范围较广的大气边界层湍流。近年来，大气边界层湍流的多尺度统计模拟作为一种有效的替代方案，日益受到重视。然而，大多数统计模拟均基于各向同性湍流的研究成果，而大气边界层湍流是典型的非各向同性湍流。本项目将借鉴在物理学等领域提出的多尺度分析方法，系统研究大气边界层湍流的多尺度统计特征及其与边界层参数的关系。在此基础之上，构建能反映大气边界层非各向同性特征的多尺度统计模型，并评估该模型的应用价值。本项目的研究将为天气气候、大气污染以及风工程等方面的应用提供参考。

大气湍流是一种随机的高度非线性的多尺度现象，具体表现在具有多尺度的非高斯、间歇性以及多重分形特征。以往的大气湍流多尺度统计特征研究，多是单独分析各种多尺度特征，很少系统的研究并建立各多尺度特征之间的联系，也较少研究多尺度与边界层参数的关系。本项目利用成熟的非平稳和非线性时间序列分析方法，通过分析草原、山地、城市等不同下垫面下塔层观测的高频湍流风速和温度数据，系统研究了大气湍流的多尺度非高斯特征、小尺度间歇性特征和多重分形特征，并基于多重分形随机过程理论，建立了各多尺度特征之间的定量关系及其与边界层参数的定性和定量关系，构建了大气湍流多尺度统计模型。研究发现：1）类似于各向同性湍流，大气湍流具有小尺度振幅间歇性特征，但与各项同性湍流不同的是，大气湍流的理论和观测所关注的范围往往靠近含能区，其间歇特征并不具有普适性；2）大气湍流的高阶结构函数指数普遍具有多重分形特征，但传统的基于多重分形谱研判湍流振幅间歇性程度的方法存在缺陷，本研究数据分析的基础上提出了一种新的改进方案；3）相比于平均风速、温度和边界层稳定度，大气湍流的振幅间歇性与摩擦速度相关性更强。此外，与稳定边界层相比，大气湍流的振幅间歇性往往在不稳定边界层更强；4）多重分形随机过程理论不能描述大气湍流的长程相关特征，这种特征与一种称为成团间歇性的现象密切相关；5）基于时间序列“过零点”的回归时间分布特征，提出了一种新的定量描述大气湍流成团间歇性的方法，避免了现有定义中的理论和技术缺陷；6）成团间歇性随湍涡尺度增加而增强，这个特征与振幅间歇性相反。成团间歇性与边界层稳定度关系密切。白天对流边界层的成团间歇性程度往往高于夜间稳定边界层。在夜间稳定边界层，成团间歇性垂直廓线的特征与Hockey-Stick理论的分区表现一致。本项目研究成果，对于深入了解大气湍流多尺度物理机制，开展边界层间歇性湍流参数化方案研究，设计新的风工程湍流统计模型，提供了重要的科学依据。