大气边界层湍流温度序列的信息熵分析.PDF

维普资讯 第 24卷 第 1期 高 原 气 象 Vo1．24 NO．1 2005年 2月 PLATEAU METEOROLOGY February，2005 文章编号：1000—0534(2005)01—0038—05 大气边界层湍流温度序列的信息熵分析 汪景烨 ，付遵涛 ， 张 霖 ，刘式达 (1．北京大学物理学院，北京 100871；2．中国电波传播研究所青岛分所，山东 青岛 266071) 摘 要：利用大气边界层内近地面的大气湍流温度时间序列，运用功率谱分析、信息熵分析等方法，分 析了大气边界层 内近地面的大气湍流特点，并对稳定层和不稳定层的大气湍流进行 了对比。结果表 明，信息熵和功率谱指数是区别稳定层结和不稳定层结大气边界层湍流特征的指标 ，对造成两者之间 的差别做出了对应的解释。 关键词：大气边界层；温度 ；时间序列；信息熵；功率谱 中图分类号：P425．21 文献标识码：A 部强迫等众多因子的影响，在不同的条件下会表现 1 引言 出不同的特点。研究者希望找到更多的区分不同性 大气边界层 内运动的主要特点是其湍流性 ，湍 质的大气边界层湍流的表征参数或指标。Li等 流分布在很宽的尺度上，小到毫米尺度，大到百米 发现动力变量(速度和湍动能)与非动力变量 (温度 尺度的涡旋均可能存在，因此非常有利于研究不同 和湿度)的低维吸引子维数不一样，而且大气稳定 尺度涡旋的运动规律_】。大气边界层湍流的复杂之 性对低维吸引子维数的影响很大；Callego等 则 处在于：经常存在风速剪切 (湍流不是均匀各向同 用动力系统理论分析了大气边界层湍流垂直速度场 性的)、密度分层(或温度层结)、地球旋转效应(科 的相关维数，发现对流大气边界层湍流的相关维数 氏力作用)、下垫面不均匀性和地表的热力影响等。 (6左右)要 比机械大气边界层湍流的相关维数 (7～ 许多气象研究和应用与大气边界层的湍流结构，特 9)小。虽然温度场和垂直速度场不同，在温度场中 别是与近地层湍流的特征有密切关系 ]。因此，对 存在很多明显的斜坡结构和迅速转变的结构，这对 边界层湍流场的统计分析和规律研究，有助于进一 温度场的统计分析有很大的影响，在很多文献中已 步了解大气边界层湍流的结构和性质。 经指出了这一点。可 以预期温度场具有 自己特有的 研究表明 ]，在水平方 向，层结 的影响不明 统计特点，同时，由于温度场与垂直速度场的密切 显；而在垂直方 向上 ，层结的影响比较大 ，这是 由 关系，两者之间也必然有很多相似的地方。文献 于浮力项的主要影响在垂直方向上 。由于热力作用 [7，8]指出，标度指数和层次参数是两个可 以区分 导致的强烈 日变化 ，夜间的稳定边界层 比起 白天的 不同性质大气边界层湍流的两个指标。为了更好地 对流边界层来说有显著的不同，在大气边界层中， 区分不同性质的大气边界层湍流的其他方面的性 白天湍流发展很旺盛 ，平均风速梯度被削弱很多； 质，本文从另外的侧面出发，给出大气边界层湍流 而在夜间，由于大气温度层结的稳定作用使得湍流 演化的特性，同时解释带来差别的原因。 受到抑制，风速梯度很大并维持到很高的高度[1j。 2 资料说明 对于大气边界层湍流的研究已经有很多，由开 始关注大气边界层湍流的相干结构(coherentstruc— 本文所用资料是由中国科学院大气物理研究所 tures)[1]，到研究其所具有的统计特性 ]，再到 的大气边界层与