小波检测湍流相干结构方法的改进与其应用

相干结构(coherent structure,记为“CS”)在湍流物质、能量的输送中占有重要地位.鉴于目前以小波变换检测CS的方法存在的问题,本文基于温度在不稳定与稳定条件下分别呈现出缓升陡降与缓降陡升的斜坡模态特征与完整的理想CS波形,对之进行了改进.该改进方法可以提取具有变动时间尺度的单个CS与连发CS的信号.由此改进方法,利用中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地的湍流观测资料,经过质量控制与滤除线性重力波,分析了马铃薯下垫面上CS的特征.主要结论如下:(1)白天(夜间)CS的典型特征是空气辐合上升,温度升高(降低),水汽密度增大;紧接着,空气辐散下沉,温度降低(升高),水汽密度减小.(2) CS以每30 min出现15个、持续时间18.2 s、长度尺度≤15m、间隔18s、间歇因子55％(稳定)与85％(不稳定)、且两个并发的特征最为典型;(3)上扬支与下扫支的持续时间呈现极为显著的、斜率小于1的线性关系,CS并不对称;(4) Taylor长度尺度与稳定度和摩擦速度呈极为显著的线性关系,动力因素倾向于产生大而少的CS,热力因素则产生更多的小的CS;(5)内外半径比揭示,CS在不稳定条件下比稳定条件下相对集中,标量相对集中在CS的中部,矢量相对分散.