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湍流强度定理和湍流发展的宏观机制

中国科学（D辑） 2007年第2期37卷 272-281页

作者：胡隐樵陈晋北左洪超中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室兰州大学大气科学学院

湍流是普遍存在而至今仍未被充分理解的自然现象.简单回顾了湍流理论的发展历史和现状,指出以不同层次利用和不同方法探讨湍流特征和机制的必要性.为此利用非平衡态热力学理论将Reynolds湍流和Bénard湍流统一地表述在动量湍流输送定理... 详细信息

湍流是普遍存在而至今仍未被充分理解的自然现象.简单回顾了湍流理论的发展历史和现状,指出以不同层次利用和不同方法探讨湍流特征和机制的必要性.为此利用非平衡态热力学理论将Reynolds湍流和Bénard湍流统一地表述在动量湍流输送定理和湍流强度定理中.证明了流体湍流发展的宏观原因是速度剪切效应和温度剪切效应共同作用的结果,速度剪切效应和温度剪切效应也是湍流场相空间轨线不断拉伸和折叠的宏观原因.并以大气实验资料证明,湍流强度唯象系数不仅是速度剪切的函数,还是温度剪切,即大气热力层结稳定度的函数.从而以实验事实证明了湍流强度定理的真实性.

关键词：湍流非平衡态热力学线性热力学大气边界层 Reynolds湍流 RayleighBénard湍流

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兰州市近地层垂直扩散参数的研究

兰州大学学报（自然科学版） 2000年第3期36卷 180-184页

作者：付培健王式功陈晋北兰州大学资源环境学院大气科学系甘肃兰州730000 甘肃农业大学基础部甘肃兰州730070

利用 1993年兰州市西固区域发展环境评价试验资料 ,求取低层大气平均风速与垂直扩散系数的分布 ,由此进一步计算了兰州市不同稳定度条件下扩散参数的值 ,并与 Pasquill扩散曲线方法的取值进行了比较 .结果发现 :兰州地区垂直扩散参数要... 详细信息

利用 1993年兰州市西固区域发展环境评价试验资料 ,求取低层大气平均风速与垂直扩散系数的分布 ,由此进一步计算了兰州市不同稳定度条件下扩散参数的值 ,并与 Pasquill扩散曲线方法的取值进行了比较 .结果发现 :兰州地区垂直扩散参数要比由 Pasquill扩散曲线求出的值高出0 .5～ 10倍 .

关键词：大气扩散大气污染兰州市垂直扩散系数近地层

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黄土高原塬区近地面层大涡多点观测研究

中国科学：地球科学 2023年第4期53卷 856-865页

作者：陈晋北陈霄文贾伟余晔赵素平中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室中国科学院西北生态环境资源研究院兰州730000 中国科学院大气物理研究所中国科学院中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 Mechanical Engineering Department Pennsylvania State UniversityState College 16802USA

文章从涡动相关法原理出发,建立了一套复杂条件下的多点湍流观测分析方法,旨在发展复杂条件下的大气边界层湍流理论.该方法首先检验了近地面层湍流全尺度观测的各态历经性,证明利用四点湍流观测,小于60min尺度的涡旋都易于满足各态历经... 详细信息

文章从涡动相关法原理出发,建立了一套复杂条件下的多点湍流观测分析方法,旨在发展复杂条件下的大气边界层湍流理论.该方法首先检验了近地面层湍流全尺度观测的各态历经性,证明利用四点湍流观测,小于60min尺度的涡旋都易于满足各态历经性.同时,试验对比单点和上下游两点所确定的水平风速湍流二阶结构函数,直接验证了湍流观测的各态历经性.与单点观测相比,四点观测资料确定的水平风速二阶结构函数和湍流谱所描述的湍流结构更加一致,这证明了多点观测的合理性.同时,四点观测提高了近地面层湍流谱和垂直湍流通量的估算精度.将单点和四点资料分析相结合能更全面、更细致地描述湍流的三维结构.因此,在不考虑水平均匀和定常条件下,四点湍流观测法更准确地揭示了白庙塬纵向和垂直风速湍流具有典型湍流谱结构,而且谱隙清晰.谱隙尺度与6h资料确定的湍流谱隙尺度相一致.横向风速受地形影响,其大尺度涡旋谱有较大波动,但谱隙仍然清晰.与纵向和垂直风速湍流谱隙尺度一致,温度谱的谱隙虽然不清晰,但同样具有典型大气边界层湍流谱结构特征.

关键词：大尺度涡旋复杂条件湍流各态历经性二阶结构函数湍流谱

Principle of Cross Coupling Between Vertical Heat Turbulent Transport and Vertical Velocity and Determination of Cross Coupling Coefficient

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Advances in Atmospheric Sciences 2007年第1期24卷 89-100页

作者：陈晋北胡隐樵张镭 College of Atmospheric Sciences Lanzhou UniversityLanzhou 730000 Cold and Arid Regions Environment and Engineering InstituteChinese Academy of SciencesGansu Province Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing DisasterLanzhou 730000 Department of Environment and ResourceGansu Agriculture UniversityLanzhou 730060 College of Atmospheric Sciences Lanzhou UniversityLanzhou 730000 Cold and Arid Regions Environment and Engineering InstituteChinese Academy of SciencesGansu Province Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing DisasterLanzhou 730000 College of Atmospheric Sciences Lanzhou UniversityLanzhou 730000

It has been proved that there exists a cross coupling between vertical heat turbulent transport and vertical velocity by using linear thermodynamics. This result asserts that the vertical component of heat turbulent transport flux is composed of both the transport of the vertical potential temperature gradient and the coupling transport of the vertical velocity. In this paper, the coupling effect of vertical velocity on vertical heat turbulent transportation is validated by using observed data from the atmospheric boundary layer to determine cross coupling coefficients, and a series of significant properties of turbulent transportation are opened out. These properties indicate that the cross coupling coefficient is a logarithm function of the dimensionless vertical velocity and dimensionless height, and is not only related to the friction velocity u., but also to the coupling roughness height zwo and the coupling temperature Two of the vertical velocity. In addition, the function relations suggest that only when the vertical velocity magnitude conforms to the limitation IW/u. I # 1, and is above the level zwo, then the vertical velocity leads to the cross coupling effect on the vertical heat turbulent transport flux. The cross coupling theory and experimental results provide a challenge to the traditional turbulent K closure theory and the Monin-Obukhov similarity theory.

关键词： linear thermodynamic turbulent transportation atmospheric boundary layer coupling coefficients

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大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

高原气象 2010年第1期29卷 56-62页

作者：马迪吕世华陈晋北权晓晶奥银焕陈世强中国科学院寒区旱区环境与工程研究所西部气候环境与灾害实验室甘肃兰州730000 中国科学院研究生院北京100049 兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS... 详细信息

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。

关键词：大孔径闪烁仪(LAS) 涡动相关方法(EC) 感热通量混合对流方法(MIX) 自由对流方法(FRE)

雷暴系统影响下的黄土高原塬区微气象特征研究

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高原气象 2017年第2期36卷 384-394页

作者：张新科陈晋北余晔赵素平贾伟中国科学院寒区旱区环境与工程研究所寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

利用2012年5—9月中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站的观测资料,对比分析了黄土高原塬区夏季发生的阵风雷暴、大风干雷暴和冰雹强降水雷暴过境期间近地层微气象特征。结果表明:雷暴系统过境前几小时近地层便出现较强上升气流,... 详细信息

利用2012年5—9月中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站的观测资料,对比分析了黄土高原塬区夏季发生的阵风雷暴、大风干雷暴和冰雹强降水雷暴过境期间近地层微气象特征。结果表明:雷暴系统过境前几小时近地层便出现较强上升气流,14 m高度30 min平均垂直速度可达0.25 m·s^(-1),这几乎比该区域无雷暴影响时的垂直速度大1~2个数量级。在雷暴系统过境期间,近地层气压迅速升高,气温急剧下降,上升气流变为下沉气流,14 m高度30 min平均垂直速度可达到-0.18 m·s^(-1)。同时,由于雷暴区与周围环境间存在极强的风速切变和温度切变,造成近地层湍流运动迅速发展,摩擦速度急剧增大,尤其大风和冰雹雷暴期间其值是中午摩擦速度的2倍以上。对湍流谱分析发现,雷暴影响期间湍流涡旋中大尺度涡旋能量显著增大,且此时大尺度涡旋对感热通量输送的贡献起到主导作用,这可能对雷暴系统的加强具有一定促进作用。

关键词：雷暴系统近地层垂直速度大尺度涡旋湍流输送

黄土高原塬区近地面层重力波的辨识及其特征研究

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高原气象 2020年第4期39卷 729-739页

作者：张署林陈晋北余晔赵素平贾伟中国科学院西北生态环境资源研究院/寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

利用平凉陆面过程与灾害天气观测研究站2012年5-7月夜间近地面层观测资料,针对黄土高原塬区夜间不同风速和下垫面粗糙度条件,辨识塬区重力波,揭示重力波的频段,并对比研究了风速和粗糙度变化对该频段的影响。结果表明,平凉站塬区的夜间... 详细信息

利用平凉陆面过程与灾害天气观测研究站2012年5-7月夜间近地面层观测资料,针对黄土高原塬区夜间不同风速和下垫面粗糙度条件,辨识塬区重力波,揭示重力波的频段,并对比研究了风速和粗糙度变化对该频段的影响。结果表明,平凉站塬区的夜间近地面层易于产生重力波,且即使整体Richardson远小于0.25时,也可以观测到重力波。受塬区下垫面特征影响,重力波的波动周期主要集中于60~110 s,同时随着观测高度的降低,重力波波动周期只存在10 s左右的变化。

关键词：重力波湍流谱衰减律近地面层黄土高原

黄土高原半干旱区冬小麦田土壤热通量的计算方法研究

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高原气象 2014年第6期33卷 1514-1525页

作者：陈星余晔陈晋北张堂堂李振朝中国科学院寒区旱区环境与工程研究所/寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站平凉744015

利用2010年6月平凉陆面过程与灾害天气观测研究站陆面过程观测资料,对比分析了温度积分法、温度预报校正法和谐波法三种土壤热通量计算方法以及这三种方法的计算结果对地表能量平衡的影响,并探讨了土壤水分运动对土壤热通量的影响。结... 详细信息

利用2010年6月平凉陆面过程与灾害天气观测研究站陆面过程观测资料,对比分析了温度积分法、温度预报校正法和谐波法三种土壤热通量计算方法以及这三种方法的计算结果对地表能量平衡的影响,并探讨了土壤水分运动对土壤热通量的影响。结果表明,研究区土壤垂直非均质性明显,由谐波法计算得到的0.05~0.10 m土壤热扩散系数κ是0.10~0.20 m土壤层的3倍左右。通过对比三种方法计算得到的0.05 m土壤热通量和热通量板的实测结果表明,温度积分法、温度预报校正法和谐波法计算的土壤热通量峰值都比实测值偏小,分别偏小约23.6%、25.0%和12.8%。与不考虑土壤热存储的情况相比,利用温度积分法和温度预报校正法将土壤热通量板的实测结果校正到地表,这样得到的陇东黄土高原雨后晴天农田地表能量闭合率分别提高了7.96%和4.54%;由谐波法计算的地表土壤热通量可使地表能量闭合率提高约5.65%。在夏季雨后晴天,发生在农田土壤中的水汽输送及相应的相变过程对土壤热通量有一定影响。

关键词：土壤热通量温度积分法温度预报校正法谐波法土壤水分通量能量平衡黄土高原

黄土高原半干旱区雨养农田地表辐射和能量通量的季节变化

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高原气象 2016年第2期35卷 351-362页

作者：陈星余晔陈晋北李振朝马晨晨解晋中国科学院寒区旱区环境与工程研究所寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站平凉744015

黄土高原陇东地区有着特殊的气候背景和下垫面,对这一地区陆气相互作用特征和影响因素的观测分析对改进和发展陆面过程模式以及气候变化研究有重要意义。利用陇东平凉陆面过程与灾害天气观测研究站连续一年的陆面过程观测资料,分析了雨... 详细信息

黄土高原陇东地区有着特殊的气候背景和下垫面,对这一地区陆气相互作用特征和影响因素的观测分析对改进和发展陆面过程模式以及气候变化研究有重要意义。利用陇东平凉陆面过程与灾害天气观测研究站连续一年的陆面过程观测资料,分析了雨养农田降水量、土壤含水量、辐射、反照率和能量通量的季节变化,以及降水、土壤含水量和农业生产活动对能量分配的影响。结果表明,陇东地区降水量季节分布不均,土壤含水量有明显季节差异,随降水有明显波动;辐射通量的季节变化较为规律,短波辐射的日均值受天气状况影响,波动较大;地表反照率呈明显的季节变化,全年正午反照率最大值为0.83,出现在降雪后,生长季随着作物的生长,反照率下降至0.2以下,农作物收割以后的裸土反照率随降水变化明显,反照率与土壤体积含水量呈明显的线性相关关系;湍流能量通量日循环和季节变化明显,地表能量分配在很大程度上受降水影响,同时农业生产活动也对其有较大影响,主导能量通量有较大的月际波动,潜热通量月平均日变化峰值最大为240.8 W·m^(-2),出现在5月,感热通量为192.5 W·m^(-2),出现在4月;在年尺度上,正午净辐射多被感热通量消耗,感热通量约占35%,潜热通量约占32%,低于灌溉农田;在冬小麦快速生长季(3-5月),潜热通量约占34%,远低于灌溉的冬小麦田,研究站点的蒸散发过程受到水分限制。

关键词：黄土高原辐射潜热感热土壤湿度