台风, 孤立子和螺旋结构——学科融合研究的一条途径

台风和孤立子都是小尺度不稳定流动受扰动的激励,吸收基本流场的能量而形成的. 当它们各自所受的耗散、弥散、平流或对流作用分别达到平衡时,其运动形态在一段较长时间内保持稳定. 通过研究螺旋结构,考察它们在局域能量维持方面相似的动力学特性. 通过理论分析和大型地球流体模拟转盘的双台风实验、以及拟开展的数值实验,将探索和检验“能否将台风看作是大尺度三维螺旋孤立子”,这既是研究台风和孤立子的形成机制及其动力学特性的一种新的思路,也是将二者融合起来研究的方法论的一种新途径.     

湍流问题:如何看待“均匀各向同性湍流”?

在湍流的统计理论中,大气中的晴空湍流,风洞中格栅后面核心工作区的流动状态,都可以看作是均匀各向同性湍流,Kolmogorov的研究指出,能谱函数的惯性副区与均匀各向同性湍流相对应,标度律具有普适性,由此得出能量级串的著名的(?5/3)幂率.但是,在实验中观测到间歇性和拟序结构的情况下,应当对能量级串模型及其相应的各标度律进行比较研究,重点是探讨和研究它们的统计方法的物理机制.由于N-S方程中存在非线性项,特别是不封闭问题,使得理论研究和数值实验的结果具有多样性和复杂性,对此还没有任何有效的数学处理方法.本文以大气湍流为中心议题,论述了与此相关的几个主要问题,即:何为湍流难题,湍流理论与边界层理论,湍流难题的本质,大气湍流,湍流的定义问题,特别论述了3类不同的标度律,并展望了湍流研究的前景.     

密度泛函理论研究S2FH的构型及其异构化反应

采用量子化学中的密度泛函理论B3LYP方法,在AUG cc PVQZ水平上全优化得到了FSSH线型和SSFH 分叉型2种异构体的平衡结构.对可能发生的分子内原子迁移过程的过渡态进行了考察,并进行了振动分析和内 禀反应坐标(IRC)的计算,证实了过渡态的正确性.计算结果表明,线型的FSSH为稳定构型.同时,采用统计热 力学及过渡态理论,研究了2种平衡结构之间相互转化的热力学和动力学性质.根据计算结果,无论是F迁移还是 H迁移,分子内的原子迁移都需要较高的活化能,并且迁移速度较慢.     

白洋淀湿地夏末大气边界层温湿廓线特征对比分析

2005年9月北京大学与中国科学院大气物理研究所联合在白洋淀湿地地区开展非均匀下垫面的大气边界层综合野外观测实验,利用新型高精度温湿度探空系统分别在陆地和水面两种下垫面进行连续观测。实验结果显示水陆两种下垫面的大气边界层结构具有明显特征：不同时刻、不同高度出现多层逆湿、逆温现象及清晰的边界层顶位置。同时发现该地区的陆地下垫面上空湿度较水面大、温度较低;水面上空湿度较小,温度较高,且水面上空边界层厚度要大于陆地。作者从盛行风向、局地能量平衡、陆气相互作用等方面对实验结果进行分析,结果有助于研究和了解夏秋季节白洋淀湿地地区大气边界层特性和演变规律,为进一步认识白洋淀湿地的水循环及能量平衡提供了参考。观测结果也检验了北京大学自行研制的新型高精度温湿度探空系统的性能。     

The application of computational fluid dynamics to pedestrian level wind safety problem induced by high-rise buildings

In this paper, the pedestrian level wind safety problem induced by high-rise buildings has been studied using the computational fluid dynamics (CFD) codes Fluent. The verification by use of wind tunnel data shows that Fluent can fairly reproduce the flow field in the areas adjacent to the structure when a realizable k-ε turbulence model is adopted in calculations. The results of the numerical simulations including seven cases show that the existence of high-rise buildings does increase the wind hazard probability at the pedestrian level; furthermore, the wind direction, the geometric size of structures and the layout of structures can obviously affect the pedestrian level wind environment. However, trees on the pavement do not contribute much in reducing the wind hazard probability.     

大气边界层内羽流扩散研究

主要研究了高架点源的污染,即``羽流扩散'. 由于大气边界层内的湍流运动,引 起污染物扩散的主要因素是湍流扩散, 研究湍流扩散有两种基本方法：统计理论和梯度理论. 采用拉格朗日粒子扩散模型 (Lagrangian particle dispersion model, LPDM)来评价羽流扩散的平均浓度,分别计算了表征扩散程度的3个参数：沿烟轴方向的 着地浓度、水平方向的羽流扩散宽度和垂直方向的羽流扩散宽度. 从计算结果和风洞实验的 数据对比来看,用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散.     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速／温度仪，在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料，计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征。结果表明：湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z／L成正相关；湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z／L在不稳定层结时，成正相关，在稳定层结时近似成负相关；在不稳定和稳定层结大气中，利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性；无量纲湍流结构参数Cv^2z^2/3σω^-2和CT^2z^2/3σT^-2是Richardson数的函数；湍流热力结构参数CT^2与感热通量——↑ω′T′具有较好的线性关系。     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速/温度仪,在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料,计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征.结果表明:湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z/L成正相关;湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z/L在不稳定层结时,成正相关,在稳定层结时近似成负相关;在不稳定和稳定层结大气中,利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算的湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性;无量纲湍流结构参数C2vz2/3σ- 2w和C2Tz2/3σ-2T是Richardson数的函数;湍流热力结构参数 C2T与感热通量 w′T′具有较好的线性关系.     

城市水泥下垫面能量平衡特征的观测与分析

水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种,且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于自然下垫面,是局地天气、气候变化的主要因素之一.利用2005.7与2006.3夏、冬两季,在南京进行的城市边界层外场试验通量观测资料,初步分析了水泥下垫面能量平衡方程中各项特性.结果表明:(1)夏、冬两季水泥下垫面净辐射通量(Rn)白天差异较大,通常有100 W/m2左右,但峰值差异却仅有10 W/m2;虽然夏季夜间地、气温度高于冬季,但夏季夜间水泥下垫面向外释放的净辐射通量小于冬季.(2)由于水泥下垫面的不透水性,潜热通量(LE)通常很小,感热通量(H)则成为水泥下垫面加热大气的最主要方式.夏、冬两季H在白天表现为量值差异;夜间表现为符号差异,即夏季夜间H通常为正值,表明下垫面仍在加热大气,而冬季夜间H为负值,表明下垫面对大气起冷却作用.该特征也是夏季夜间热岛强度明显强于冬季的主要成因.(3)储热项(△Qs)成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项,无论是冬季还是夏季,水泥下垫面△Qs在能量收支过程中所占份额明显大于(H LE);而自然下垫面通常是(H LE)大于△Qs,这正是城、乡下垫面热力性质最主要的差异.     

北冰洋海域极昼期间海-冰-气间湍流通量交换特征

利用系留式气象塔探测系统观测到的北冰洋上空气温、湿度、气压、风向和风速等的廓线和梯度资料,使用平均廓线方法和经过大气层结订正交换系数的整体动力学输送公式,计算给出极昼期间该海域不同下垫面的粗糙度长度、动量通量M、曳力系数CDD、感热通量HSS、感热交换系数CHH、潜热通量HLL和潜热交换系数CEE等,其均值变化范围分别为(0.2～1.0)mm,(11.4～91.9)×10-3N/m2,(0.87～1.76)×10-3,-(4.2～12.5)W/m2,(0.84～1.37)×10-3,-6.6～23.6 W/m2和(0.85～1.40)×10-3.曳力系数大于潜热交换系数,而潜热交换系数又大于感热交换系数.此外,动量通量、感热通量和潜热通量与平均风速、平均位温差和平均比湿差有明显的相关关系.