5第四章近地层大气湍流微结构.ppt

2) 在低频端高峰的右侧，周期为24h处有一个次高峰，它反映天气尺度风速日变化。 3) 在低频峰和高频峰之间存在一个较宽波谷段，它将天气尺度峰值与微尺度峰值区分开，通常称为能谱窗（energy gap） 4) 柯莫哥洛夫（ Kolmogorov, 1941）提出，湍流处于充分发展时，能谱可分为三个区，参见p96, 图3.3.1。 a. 含能区：从大尺度湍涡中得到能量，传递给较小尺度的湍涡。集中了大部分湍能。几米—几公里，几十秒—几十分钟。 b. 惯性区：湍能从较大的涡传给较小涡，能量既不增加，也不损耗。惯性传递。尺度 z c. 耗散区：随着湍涡尺度减小，受粘性的影响越来越强，能量损失越来越大，能量逐渐被耗散。湍动能以ε速率离开惯性区，又以ε速率被分子粘性作用所耗散。 第四节 大气湍谱的研究 一、谱的相似律（惯性区湍谱的Kolmogorov相似律） 1 对于定常状态的湍流运动，在惯性区，能量沿谱向下级串级的速率，必须与最小湍涡的耗散率平衡，所以湍流只与谱密度F、波数K和耗散率?有关。 速度谱： u谱?1=0.15，v、w谱?1=0.20 类似有温度和湿度谱： 2．用频率谱的表示式： 3．归一化的谱 定义无量纲耗散率 在不稳定层结，湍能方程可简化为： 根据美国Kansas资料，可用下面插值公式 二、谱的一般特征 p.99, 图3.4.1a~c 1）在惯性副区，所有的谱都符合Kolmogorov相似律 2）在z/L大于0的低频区，谱线按z/L值分开，谱峰对应的频率随z/L的增大而增大 3）在z/L小于0的区域，谱线不能按z/L清楚地排列，而出现互相交织的状态，用阴影区表示，说明归一化的谱与z/L无关。用w*和zi表示无量纲耗散率，其中H0是4m处的地面表热通量。见p104—图3.4.4。 三、谱模式（由实验资料得出的不同稳定度条件下速度谱和温度谱的经验公式） 1.低频区 1）? 垂直谱 满足M-O相似 由垂直谱图可知，它与f和z/L有关。 图3.4.1a w谱 图3.4.1b u谱 图3.4.1c v谱 （1）Kailmal谱模式 a.中性：稳定和不稳定趋于中性时的极限，在高频区以-2/3下降，低频区以1.0的斜率趋于中性。 更为普遍的形式： 当a=1时，函数在f=fm=0.48处达到最大值0.38。 fm是fSw(f)达最大值频率，它是z/L的函数， 见图3.4.6。 图3.4.6 稳定时： 不稳定时： 其中?m为峰值波长 b．? 稳定 c．? 不稳定 （2）H?jstrup在不稳定时低频区的谱更符合实际，他在Kaimal的中性谱上加了一个对流修正项。 2）? 水平谱 不符合M-O相似。由高频区（以zi为长度尺度）和低频区（以z为长度尺度）组成。 （1） Kaimal方法，p112 由三部分组成： 低频区：以zi 为长度尺度 高频区：以z为长度尺度 过渡区：内插 （2）H?jstrup方法，p112 S(n)= SM(n)+ SL(n) 第五节 地形对谱特性的影响 垂直谱对地形不敏感，而水平谱包含的波长范围比较大。常见的最大能量对应的波长在1km左右。 将能量方程 ， 即 以及风廓线 代入 ，则 而这里f = nz/u ， ，若取 ?=0.55，κ=0.4，则 在复杂地形上，中性大气以 归一化，而均匀地形是以 归一化。 当空气从平坦地形流经粗糙地形上空时，地面应力突然增加。为了与新的地形平衡，谱密度也要达到最大值。高频的谱密度很快上升，低频谱密度将上升很慢。如图3.5.2所示。 很不稳定（z/L-0.1），各速度分量的谱，见图3.5.3 图3.5.3 三个速度分量的平均谱 主讲人 张镭 教授 2012.10. 第四章 近地层大气湍流微结构 第一节??湍流统计量 第二节??近地层大气湍流脉动标准差 和湍流强度特征 第三节 湍谱的表示方法 第四节 大气湍谱的研究 第五节 地形对谱特性的影响 “结构”—动力学特点、规律，不同尺度湍流能量转化 湍涡，涡团 假设湍流场是由若干流体团组成，它们具有大小不同的空间尺度和振动周期，无规则地运动着。在空间某点，由于这些流体团的经过，便造成了流场的脉动，表现为