城市近地层湍流特性分析

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近年来,随着我国城市化率逐步提高,城市区域的建筑物分布、土壤类型以及地表植被覆盖率等都发生了极大变化。由于城市下垫面粗糙元形态复杂,空间分布非常不均匀,城市下垫面地气湍流交换过程也成为了大气边界层领域的热点和难点。本文利用为了南京市委党校、常州大学白云校区以及苏州市环境监测中心站的塔层微气象资料,对城市近地层湍流特性做了分析,内容包括:  对南京市委党校以及常州大学白云校区城市粗糙子层中3个不同高度层的无量纲湍流统计数的分析表明:城市粗糙子层不满足常通量层假设。无量纲风速标准差具有很好的局地相似性。3层无量纲风速梯度同样满足局地相似性关系,高层的动量通量梯度关系拟合系数更接近经典相似关系,稳定情况下,临界理查森数Ric和βm关系为: Ric=Prt/βm,粗糙子层中三个不同高度的Ric均大于经典M-O相似理论取值0.2,并且随高度增加趋近于0.2,说明越接近冠层顶机械湍流生产率越大。对通量梯度关系的拟合系数进行线性外推,得到粗糙子层顶的高度大约为zr≈3zh。  对粗糙子层中拖曳系数分析表明:(1)3个观测点6个不同高度层u*/U和归一化高度关系和Roth经验结果符合得比较好。(2)利用南京市委党校2层资料,使用经典相似关系和局地相似关系计算出的动力粗糙度在均在中性情况下最大,并且随着稳定度(或者不稳定度)增加,动力粗糙度呈指数衰减。利用动力粗糙度随稳定度变化的关系改进经典相似关系对u*/U的参数化,改进后的方案,u*/U随稳定度的变化与观测值保持一致。对比采用的两种不同相似关系,采用局地相似关系的方案和观测值符合得非常好。  对南京市委党校粗糙子层中2层湍流能谱特性分析表明:(1)近中性情况下,2层湍流动能密度均要高于平坦草地上结果,低层湍流动能密度要高于高层,高层的湍流比低层的湍流更接近局地各项同性,说明城市粗糙子层中湍流的生成率要高于草地上的结果,并且越靠近冠层顶部,湍流的生成率越高,湍流越偏离局地各项同性。2层都有约20%的能谱出现了谱隙,次尺度平均值量级和粗糙元平均尺度比较接近,城市粗糙子层中单个粗糙元效应比较明显。(2)2层湍流动能耗散率φε随稳定度变化分析表明:中性情况下,粗糙子层中2层φε均要大于平坦草原上的结果,并且低层的φε要高于高层;不稳定情况下,粗糙子层中φε随不稳定度增加的增长率要高于草地上结果,稳定情况下,两者相差不大。
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