2018年6月19日
[本篇访问: 13153]
大气科学学院孙鉴泞教授课题组在城市近地层地-气交换研究方面取得进展

最近,南京大学大气科学学院孙鉴泞教授课题组和中国科学技术大学袁仁民副教授、北京大学张宏升教授通力合作在城市近地层地-气交换研究方面取得了进展,通过观测实验明确了城市粗糙子层内湍流统计量的垂直变化规律,并提出了关于湍流交换效率的新型参数化方案。该研究工作以《Vertical Variation of the Effects of Atmospheric Stability on Turbulence Statistics Within the Roughness Sublayer Over Real Urban Canopy》为题发表在杂志《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》上。大气科学学院助理研究员邹钧为论文第一作者,孙鉴泞教授为本文的通讯作者。南京大学大气科学学院刘罡教授,中国科学技术大学袁仁民副教授以及北京大学张宏升教授为本文合作作者。南京大学为论文通讯单位。

湍流输送是大气边界层最重要的特征之一,地-气间动量、热量、水汽和其他物质的输送主要以湍流扩散的形式实现。因此,近地层大气湍流特征成为地-气相互作用研究的一个重要特征参量。对于均匀平坦下垫面而言,近地层内湍流通量随高度变化很小,可以假设这一层湍流通量近似不变,Monin-Obukhov相似性理论即可以描述湍流运动。然而,在城市地区,由于下垫面强烈的动力和热力非均匀性,近地层的垂直结构相对比较复杂。在垂直方向上,按照逐渐增加的高度,城市近地层被划分为城市粗糙子层和惯性子层。其中粗糙子层受下垫面影响巨大,湍流并没有充分混合,湍流统计量和湍流通量在空间上表现出非常明显的不均一性,Monin-Obukhov相似性理论不适合用于描述粗糙子层内的湍流交换过程。但由于粗糙子层中的湍流交换特征尚不明确,Monin-Obukhov相似性理论仍被广泛用于城市区域底层网格(主要是粗糙子层)的物质(CO2、水汽等)、动量、热量等的湍流通量计算。

为了进一步明确城市粗糙子层中的湍流交换特征,研究人员利用南京、苏州和常州三地的城市近地层湍流观测结果,给出了城市粗糙子层中湍流统计量的垂直结构,并讨论了大气层结的稳定性对其的影响。该工作的创新之处在于以平均建筑物高度为基准,将不同观测站点的观测高度标准化,进而利用不同站点的观测结果讨论粗糙子层中不同高度的湍流特征;同时考虑风向对源区域的影响,选取不同风向的数据,保证不同观测站点源区域的下垫面形态学结构相似,从而确保不同站点的观测数据的可比性。该工作的主要结论如下:1、在中性层结下(不考虑热力作用),湍流速度标准差随观测高度增加而降低,这与均匀平坦下垫面上湍流动力学特征不同;2、在非中性层结下,随着大气层结变得更加稳定或是更加不稳定,大气稳定度对湍流速度的影响随着观测高度增加而逐渐加强;3、大气稳定度对湍流温度标准差的影响不大。该研究工作在正确理解城市粗糙子层中湍流运动的热力学和动力学特征上是一次非常有意义的尝试。对于城市区域地-气相互作用的数值模拟以及模式参数化方案的改进具有重要的理论价值和实践意义。

(1)不稳定层结下归一化湍流速度标准差与稳定度参数的关系;(2)中性层结下归一化湍流速度标准差随随观测高度增加而降低;(3)不稳定层结下,相似理论中的经验系数随观测高度增加而增加,表明大气稳定度对湍流速度的影响随着观测高度增加而逐渐加强

该项研究由国家重点基础研究发展规划(973计划)项目“我国东部沿海城市带的气候效应及对策研究”(NO.2010CB428500)、江苏省气候变化协同创新中心2011计划资助完成,邹钧博士得到南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划B的资助,同时感谢南京大学大气科学学院、南京大学气候与全球变化研究院、江苏省高等教育机构优势学科等对本研究的大力支持。

论文链接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JD027041/full.

(大气科学学院 科学技术处)