近地面层湍流通量输送相似性及相干结构特征_郑保锋.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 1 月Vol.43，No.1Jan.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae近地面层湍流通量输送相似性及相干结构特征郑保锋1，2，王宝民1，3，4，*，王也1，蓝长星1，5，郑丹11.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 5102752.广东航天宏图信息技术有限公司，佛山 5282003.广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，珠海 5190824.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），珠海 5190825.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：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；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；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；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.关键词：湍流通量；象限分析；相干结构；通量输送；珠江口文章编号：0253-2468（2023）01-0284-13 中图分类号：X16 文献标识码：ACharacteristics of turbulent transport similarity and coherent structures in the atmospheric surface layerZHENG Baofeng1，2，WANG Baomin1，3，4，*，WANG Ye1，LAN Changxing1，5，ZHENG Dan11.Guangdong Provincial Field Observation and Research Station for Climate Environment and Air Quality Change in the Pearl River Estuary，School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-sen University，Guangzhou 5102752.Guangdong PIESAT International Information Technology Limited，Foshan 5282003.Guangdong Province Key Laboratory for Climate Change and Natural Disaster Studies，Zhuhai 5190824.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory（Zhuhai），Zhuhai 5190825.Institute of Meteorology and Climate Research-Atmospheric Environmental Research，Karlsruhe Institute of Technology，Garmisch-Partenkirchen 82467Abstract：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：the 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；the 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；under 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；the vertical flux transport is mainly associated with ejections and sweeps which are related to the vortex scales but relatively independent to thermal stratification.Keywords：turbulent flux；quadrant analysis；coherent structure；flux transport；Pearl River EstuaryDOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0406郑保锋，王宝民，王也，等.2023.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，43（1）：284-296ZHENG Baofeng，WANG Baomin，WANG Ye，et al.2023.Characteristics of turbulent transport similarity and coherent structures in the atmospheric surface layer J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：284-296收稿日期：2022-08-31 修回日期：2022-10-18 录用日期：2022-11-15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）作者简介：郑保锋（1997），男，E-mail：；*责任作者，E-mail：1 期郑保锋等：近地面层湍流通量输送相似性及相干结构特征1引言（Introduction）大气边界层是地球大气与下垫面相互作用最为活跃的一层，是人类生活和生产活动的主要场所.大气边界层中湍流对动量、能量和物质的输送，使其不仅受陆面过程的直接影响，也是地球各个圈层相互作用的关键区域，对天气和气候产生重要影响.近30年来，湍流相干结构对大气边界层中动量、能量和物质交换的主导作用是大气边界层及边界层湍流理论的重要发展（Robinson，1991；Thomas et al.，2007；Finnigan et al.，2009；Thomas et al.，2017）.在大气边界层中，相干结构定义为与小尺度湍流相互作用的、相位相关的、有组织的大尺度涡旋结构.相干结构与大气边界层中的上冲（热对流过程）和下扫（边界层夹卷过程）运动密切相关，在时间序列上表现为清晰可见的斜坡结构，因此也被称为拟序结构（Gao et al.，1989；Robinson，1991；Katul et al.，2013；Brunet，2020）.大量观测研究表明，在不同大气稳定度条件下，边界层中均捕捉到大尺度相干结构的存在.Taylor最早在1958年通过对边界层内不同高度上观测到的温度时间序列的分析（Taylor，1958），发现了一种普遍存在的时间尺度为1020 s、空间尺度为50100 m的斜坡结构，其表现为温度随时间缓慢上升，而后迅速下降.这种斜坡结构最先出现在边界层高层，然后逐渐向边界层低层穿透，且其结构并不随高度变化.除了温度时间序列，在不稳定边界层中的水汽、二氧化碳及其他标量的时间序列同样观测到了以缓慢上升-迅速下降为 特征的斜坡结构.在稳定边界层中，不同气象要素时间序列的斜坡结构表现形式并不一致，例如在温度时间序列上表现为迅速上升-缓慢下降趋势，而在水汽时间序列上则表现为缓慢上升-迅速下降趋势（Chen et al.，2004；Zhang et al.，2011；Lotfy et al.，2019）.在近中性边界层中，由于温度梯度较小，在温度时间序列上无法清晰地捕捉到斜坡结构，但在其他标量上（如二氧化碳和水汽）依旧能观测到斜坡结构的存在（Paw et al.，1992；Krusche et al.，2004）.目前湍流相干结构的产生和维持机制仍不清晰，风切变（Paw et al.，1992）、热对流（Mauder et al.，2007）、冠层尾流效应（Mortarini et al.，2022）和Kelvin-Helmholtz不稳定（Thomas et al.，2007）等均可能是产生相干结构的因素，但相干结构对边界层物质和能量垂直输送的主导作用已成为大气边界层研究的共识（Barthlott et al.，2007；Thomas et al.，2007；Wang et al.，2022）.这些研究指出，相干结构对能量和标量的输送效率是大气稳定度的函数，其通量贡献百分比为10%100%（Barthlott et al.，2007），且在能量和标量及不同标量之间的输送效率并不一致（Lan et al.，2022）.由于相干结构产生及维持机制的不确定性和复杂性，相干结构的特征及其在不同变量的时间序列上的表现形式是多样的（Zhang et al.，2011），且与大气边界层湍流有着复杂的相互作用，直接影响边界层内能量和标量的垂直输送.因此，从时间序列中提取相干结构（Fang et al.，2019；Wang et al.，2022），对相干结构特征进行统计分析以及区分不同边界层稳定度条件下相干结构对湍流通量（Wang et al.，2022；Lan et al.，2022）的影响是当前大气边界层研究的重要科学问题.基于此，本文利用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气象塔上长期 连续的涡动协方差