《定常ABL之》PPT课件.ppt

第五章定常条件下的大气边界层 近地层相似理论 1 全边界层相似理论 2 谱相似 3 第五章定常条件下的大气边界层 第一节近地层相似理论 5 1 1近地面层概念5 1 2中性层结5 1 3非中性层结 理解掌握 第二节全边界层相似理论 近地层 湍流应力Ekman层 上部摩擦层 气压梯度力 柯氏力 湍流应力三力平衡 5 2 1全边界层相似理论5 2 2对流边界层 CBL 相似5 2 3稳定边界层 SBL 相似5 2 4中性边界层相似 第二节全边界层相似理论 近地层 M O相似 控制湍流状态的参数 5 2 1全边界层相似理论 近地层以上 地转偏向力不可忽略 f为地转参数 组成2个无因次组合 边界层中不同高度的风 温差为 不同稳定度的风速廓线 为稳定度参数 0稳定 0不稳定 不同稳定度的位温差廓线 为稳定度参数 0稳定 0不稳定 5 2 2对流边界层 CBL 相似关系 ConvectiveBoundaryLayer MixedLayer 无风 微风的晴天 混合层处于自由对流状态 湍流由浮力驱动 混合层顶清晰可辨 控制变量z应由混合层高度zi来替代 有4个控制变量 组成4个相似性尺度 一 平均变量梯度 对流边界层内风 位温分布 上界不连续 近地层变化大 对流边界层内湍流热通量 QH Wm 2 上部 夹卷 下部 浮力上升 二 通量 混合层通量与近地层通量之间的关系 若夹卷层没有切变或其它强迫 归一化速度方差归一化温湿度方差 三 方差等 5 2 3稳定边界层 SBL 相似关系 StableBoundaryLayer 在SBL大气中 浮力抑制湍涡运动 使湍涡尺度变小 这时湍涡尺度与离地面的距离无关 边界层中 上部的湍流与近地层之间处于不平衡状态 因此 局地的 通量 切应力和稳定度将比近地面通量更重要 在SBL中 用下面的不含z的尺度 局地摩擦速度局地温度局地湿度局地M O长度 在SBL中 无因次长度尺度为 无因次相似性函数为 类似于近地层中局地与高度无关的极稳定层结 注意 局地相似假定SBL湍流在时间和空间上连续 但实际SBL中存在零星的不均匀湍流 因此这些相似关系具有一定局限性 5 2 4中性边界层相似关系 z L 0 强风和阴天 ABL近似呈中性状态 中性条件下 湍能由机械作用产生 u 是重要尺度 很少用M O长度 因为L 无因次风 温梯度 本节小结 ABL的几种相似性尺度 5 3 1湍谱的表示方法5 3 2近地层谱的一般特征5 3 3地形对速度谱的影响 第三节谱相似 5 3 1湍谱的表示方法 湍谱分析 即分析某个量的方差 即 的脉动能量 如湍流能量e 位温方差等 在不同尺度湍涡上的分布 湍谱图通常有3种形式 S n n 曲线的某一频率 或被数 间隔下的面积表示在该间隔内频率对总能量的贡献 半对数坐标图nS n lnn 曲线下面的面积仍然等于该频率段的方差 这样的谱图至少会出现一个极大值 其位置往往是湍流的典型 尺度 对数坐标图lnnS n lnn 违反了面积 方差的等效性 优点是湍能所遵循的幂次律一目了然 湍谱中几个基本概念 n 频率 弧度 单位时间or周 单位时间 k1 平均风方向的波数 弧度 单位长度or周 单位长度 根据泰勒假说 无量纲频率f 能量串级 能量由低频 大尺度 湍涡向高频 小尺度 湍涡输送 重要特征 湍流在低频端获得能量 高频端消耗能量 热力湍流强低频部分占主要地位 湍流分布示意图 在惯性子区 能量沿谱向下串级的速率必须与最小湍涡的耗散率相平衡 因此湍流只与谱密度S 波数k 耗散率 这3个变量有关 常数 上式就是惯性子区湍谱的Kolmogorov相似律 1为Kolmogorov 科尔莫哥罗夫 常数 1 1 53 1 68 Kolmogorov相似律的另一种表示法 u谱 z L的范围 2 2 5 3 2近地层谱的一般特征 中性层结下 u谱谱峰对应的频率fm约0 05 1 在惯性子区 谱曲线斜率 2 3 符合Kolmogorov相似律 2 在z L 0的低频区 谱线按照z L值分开 表明该区的谱与z L有关 3 在z L 0的低频区 谱峰对应的频率fm随z L值的增大而增大 谱峰强度随fm的增大而减小 4 在z L 0的不稳定区 谱线不能按照z L清楚的排列 而是呈相互交织的状态 谱特征 z L的范围 2 2 w谱 中性层结下 w谱谱峰对应的频率fm约0 5 5 3 3地形对速度谱的影响 低频湍流对地形的响应慢高频湍流对地形的响应快 垂直速度谱主要包含高频成分 能迅速适应地形变化 水平速度谱含能区频率低 对地形响应慢 而其高频成