湍流相干结构在中蒙中区一次沙尘暴起沙中的作用
发布时间：2021-09-05 13:32
起沙机制是沙尘暴天气研究中一个重要问题.本文基于中蒙中区一次沙尘暴天气过程,通过提取沙尘源地涡动相关数据中的湍流相干结构（Coherent structure,简称为CS）,研究了CS在起沙中的作用.结果发现:（1）起沙期间存在CS,其典型特征表现为上扬—下扫循环,即暖空气的辐合上升与冷空气的辐散下沉相伴;（2）起沙期间,CS具有频次高、持续时间短、间歇性适中、连发频繁、速度切变大、水平尺度远大于垂直尺度和尺度变化比较大的特点;（3）CS是重要的起沙机制,它可起动粒径在0.1～156μm之间的各种沙粒,起动最多的是粒径低于8μm的粉粒与粘粒,但CS不是唯一的起沙机制;（4）CS的上扬与下扫两过程均可引起起沙,区别在于前者通过暖空气的上升将沙粒向上空输送,后者则是将上空高速冷空气拖带下来引起地表沙粒的起动;（5）CS起沙分为单起式和连发配合式两种形式.单起式是单发CS产生的起沙形式,连发配合式是连发的CS产生的跃移—上扬的配合起沙形式.其中,连发配合式为主要形式;（6）下扫过程对起沙的贡献是上扬过程的1.8～15倍,上扬过程可将下扫过程中起动沙粒的1/3左右向上输送到空中;（7）一般情况...
【文章来源】：地球物理学报. 2020,63(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
一次沙尘暴过程照片(a)和2018年3月19日沙尘天气中武威荒漠站观测的气温(b)、水平速度(c)的演变
图2是观测期间小波方差的结果.从图中可以看出,样本出现了小波方差的极大值,每个样本几乎都存在3个极大值(其他2个样本图略),一般认为第一个极大值对应CS,当然这个CS指的是发卡涡,这里发卡涡延续Adrian等(2000)的观点,即它是壁湍流中各种涡的统称,其它涡都是发卡涡不同部分、不同阶段的表现形态.根据张静红(2013)的研究,2～8 m之间是大尺度结构与特大尺度结构共存区,本文所用仪器的架设高度为2.5 m,因此后两个极大值应该是大尺度结构和特大尺度结构.大尺度结构指的是由发卡涡以簇群形式构成的发卡涡包,其尺度在3个边界层厚度以下(Adrian et al.,2000;Balakumar and Adrian,2007);特大尺度结构是发卡涡包相干排列形成的,其尺度在3个边界层厚度以上(Balakumar and Adrian,2007;Lee and Sung,2011).阵风的时间尺度3～6 min(程雪玲等,2012;李奇龙等,2016),尚不清楚是指的大尺度结构还是特大尺度结构,这需要进一步研究.本文主要以第一个极大值研究CS在起沙中的作用.2 起沙中CS特征
图3是各脉动量的条件平均值随归一化时间的演变,横坐标[-1,0)代表上扬过程,[0,1]代表下扫过程.可见,检测结果完整再现了气温在白天典型的缓升陡降模态(图3a),所以,CS在起沙中是客观存在的.水汽密度也呈现了缓升陡降模态(图3b),水平速度(图3c)为平稳的先降后升的模态,垂直速度(图3d)为先升后降的模态.显然,结果揭示了很多试验与多种检测方法得到的上扬—下扫循环(Lu and Fitzjarrald,1994;Krusche and De Oliveira,2004;Barthlott et al.,2007;Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b),即暖空气的辐合上升之后为冷空气的辐散下沉运动.这种循环应是沙尘天气中涡旋结构的反映.表1是起沙期间与洁净大气中各物理量的一些统计特征.从表中可以看出,起沙期间的80 min内,共检测到168个CS,平均为56个/30 min;CS的平均持续时间为16.3 s,平均间隔时间(定义为相邻两个CS中点时间之差)为27.8 s,平均间歇因子(定义为CS在时间序列中所占的份额,Krusche and De Oliveira,2004)为51%,斜坡强度(定义为变量在上扬和下扫两过程的最大幅度的绝对值之和,Zhang et al.,2011)分别是气温0.3 ℃、水平速度5.0 m·s-1和垂直速度2.3 m·s-1.对于洁净大气,其典型值分别是:CS数目30～44个/30 min(Krusche and De Oliveira,2004;Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b),持续时间24～98 s(Lu and Fitzjarrald,1994;Krusche and De Oliveira,2004;Barthlott et al.,2007;Zhang et al.,2011),间隔时间18～109 s(Barthlott et al.,2007;赵建华等,2019b),间歇因子45～85%(Qiu et al.,1995;Krusche and De Oliveira,2004;Feigenwinter and Vogt,2005;Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b),斜坡强度分别是气温0.25～1.6 ℃、水平速度0.37～2.0 m·s-1和垂直速度0.21～1.2 m·s-1(Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b).可见,与洁净大气相比,起沙期间的CS具有发生频次高、持续时间短、间歇性适中和速度斜坡强度很大的特点.其中,速度斜坡强度很大,表明起沙中速度切变很大,这正是起沙的有利条件.
【参考文献】：
期刊论文
[1]河西走廊东部“2018·3·19”强沙尘暴特征分析[J]. 李玲萍,李岩瑛,刘维成. 沙漠与绿洲气象. 2020(02)
[2]大气边界层湍流相干结构研究进展[J]. 赵建华,张峰,梁芸,刘世祥. 干旱区研究. 2019(06)
[3]小波检测湍流相干结构方法的改进与其应用[J]. 赵建华,张强,王胜. 土壤通报. 2019(04)
[4]2018年春季甘肃省一次区域性大风沙尘天气分析[J]. 徐志龙. 科技经济导刊. 2018(25)
[5]沙尘和生物气溶胶的环境和气候效应[J]. 石广玉,檀赛春,陈彬. 大气科学. 2018(03)
[6]沙尘天气及沙尘气溶胶影响的研究进展[J]. 张宝林. 气象科技进展. 2018(01)
[7]大气边界层阵风相干结构的产生条件[J]. 李奇龙,程雪玲,曾庆存. 气候与环境研究. 2016(06)
[8]内蒙古科尔沁沙地临界起沙阈值的范围确定[J]. 李晓岚,张宏升. 气象学报. 2016(01)
[9]强风天气下边界层结构特征[J]. 程雪玲,房小怡,卢俐,胡天洁,洪钟祥,曾庆存. 气候与环境研究. 2016(01)
[10]国内部分[J]. 中外建筑. 2016(01)
博士论文
[1]紊流相干结构及对推移质运动特性影响的研究[D]. 王浩.清华大学 2016
[2]近地表的流场结构及其对沙尘输运的影响[D]. 张静红.兰州大学 2013
硕士论文
[1]沙粒起动风速的研究[D]. 孙焕青.兰州大学 2010
本文编号：3385440
【文章来源】：地球物理学报. 2020,63(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
一次沙尘暴过程照片(a)和2018年3月19日沙尘天气中武威荒漠站观测的气温(b)、水平速度(c)的演变
图2是观测期间小波方差的结果.从图中可以看出,样本出现了小波方差的极大值,每个样本几乎都存在3个极大值(其他2个样本图略),一般认为第一个极大值对应CS,当然这个CS指的是发卡涡,这里发卡涡延续Adrian等(2000)的观点,即它是壁湍流中各种涡的统称,其它涡都是发卡涡不同部分、不同阶段的表现形态.根据张静红(2013)的研究,2～8 m之间是大尺度结构与特大尺度结构共存区,本文所用仪器的架设高度为2.5 m,因此后两个极大值应该是大尺度结构和特大尺度结构.大尺度结构指的是由发卡涡以簇群形式构成的发卡涡包,其尺度在3个边界层厚度以下(Adrian et al.,2000;Balakumar and Adrian,2007);特大尺度结构是发卡涡包相干排列形成的,其尺度在3个边界层厚度以上(Balakumar and Adrian,2007;Lee and Sung,2011).阵风的时间尺度3～6 min(程雪玲等,2012;李奇龙等,2016),尚不清楚是指的大尺度结构还是特大尺度结构,这需要进一步研究.本文主要以第一个极大值研究CS在起沙中的作用.2 起沙中CS特征
图3是各脉动量的条件平均值随归一化时间的演变,横坐标[-1,0)代表上扬过程,[0,1]代表下扫过程.可见,检测结果完整再现了气温在白天典型的缓升陡降模态(图3a),所以,CS在起沙中是客观存在的.水汽密度也呈现了缓升陡降模态(图3b),水平速度(图3c)为平稳的先降后升的模态,垂直速度(图3d)为先升后降的模态.显然,结果揭示了很多试验与多种检测方法得到的上扬—下扫循环(Lu and Fitzjarrald,1994;Krusche and De Oliveira,2004;Barthlott et al.,2007;Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b),即暖空气的辐合上升之后为冷空气的辐散下沉运动.这种循环应是沙尘天气中涡旋结构的反映.表1是起沙期间与洁净大气中各物理量的一些统计特征.从表中可以看出,起沙期间的80 min内,共检测到168个CS,平均为56个/30 min;CS的平均持续时间为16.3 s,平均间隔时间(定义为相邻两个CS中点时间之差)为27.8 s,平均间歇因子(定义为CS在时间序列中所占的份额,Krusche and De Oliveira,2004)为51%,斜坡强度(定义为变量在上扬和下扫两过程的最大幅度的绝对值之和,Zhang et al.,2011)分别是气温0.3 ℃、水平速度5.0 m·s-1和垂直速度2.3 m·s-1.对于洁净大气,其典型值分别是:CS数目30～44个/30 min(Krusche and De Oliveira,2004;Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b),持续时间24～98 s(Lu and Fitzjarrald,1994;Krusche and De Oliveira,2004;Barthlott et al.,2007;Zhang et al.,2011),间隔时间18～109 s(Barthlott et al.,2007;赵建华等,2019b),间歇因子45～85%(Qiu et al.,1995;Krusche and De Oliveira,2004;Feigenwinter and Vogt,2005;Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b),斜坡强度分别是气温0.25～1.6 ℃、水平速度0.37～2.0 m·s-1和垂直速度0.21～1.2 m·s-1(Zhang et al.,2011;赵建华等,2019b).可见,与洁净大气相比,起沙期间的CS具有发生频次高、持续时间短、间歇性适中和速度斜坡强度很大的特点.其中,速度斜坡强度很大,表明起沙中速度切变很大,这正是起沙的有利条件.
【参考文献】：
期刊论文
[1]河西走廊东部“2018·3·19”强沙尘暴特征分析[J]. 李玲萍,李岩瑛,刘维成. 沙漠与绿洲气象. 2020(02)
[2]大气边界层湍流相干结构研究进展[J]. 赵建华,张峰,梁芸,刘世祥. 干旱区研究. 2019(06)
[3]小波检测湍流相干结构方法的改进与其应用[J]. 赵建华,张强,王胜. 土壤通报. 2019(04)
[4]2018年春季甘肃省一次区域性大风沙尘天气分析[J]. 徐志龙. 科技经济导刊. 2018(25)
[5]沙尘和生物气溶胶的环境和气候效应[J]. 石广玉,檀赛春,陈彬. 大气科学. 2018(03)
[6]沙尘天气及沙尘气溶胶影响的研究进展[J]. 张宝林. 气象科技进展. 2018(01)
[7]大气边界层阵风相干结构的产生条件[J]. 李奇龙,程雪玲,曾庆存. 气候与环境研究. 2016(06)
[8]内蒙古科尔沁沙地临界起沙阈值的范围确定[J]. 李晓岚,张宏升. 气象学报. 2016(01)
[9]强风天气下边界层结构特征[J]. 程雪玲,房小怡,卢俐,胡天洁,洪钟祥,曾庆存. 气候与环境研究. 2016(01)
[10]国内部分[J]. 中外建筑. 2016(01)
博士论文
[1]紊流相干结构及对推移质运动特性影响的研究[D]. 王浩.清华大学 2016
[2]近地表的流场结构及其对沙尘输运的影响[D]. 张静红.兰州大学 2013
硕士论文
[1]沙粒起动风速的研究[D]. 孙焕青.兰州大学 2010
本文编号：3385440
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