4第三章相似理论.ppt

?1中除高度z外，还有一个长度，即： 其中?是为了计算方便而引入的，式中各量在近地层中为常数，所以L在近地层中也可看做是常数。 下面从能量角度出发，考虑L的意义： 在特征高度-L处，浮力作用的湍能生成率与机械作用的湍能生成率相等，即当z=-L，Rf=-1。 将中性层结的风廓线 代入上式 L的物理意义：热力湍能产生率与中性时机械能产生率相等的高度。 无量纲高度?的意义：z与L之比，即浮力作用的湍能变率与机械作用的湍能增益率之比。 稳定 L0, 或 ? 0 不稳定 L0, 或 ? 0 中性 L??, 或 ? ?0 L的湿度订正 将T、TV、q的雷诺分解代入 取平均 与上式相减 观测事实表明，三阶项很小，可略，则 平均q很小，略去 波恩比： 海平面，B的量级为10-1，必须对L进行修正。 第五节 非中性近地层风速温度廓线 由量纲分析和п定理，组成了无量纲量z/L 所以，一切待定的无量纲特性都是z/L的函数 同理可得温度、比湿的，略。而 p45，表2.5.1 （1）近中性（z/L?0） 将?m（z/L）在0点附近进行泰勒展开 上式仅比中性时风廓线多了一高度线性项，故称为“对数+线性项”。 中性层结是非中性层结的一种极限情况，无量纲高度z/L?0，有两种可能 z固定，|L|??：即铅直热通量|H|?0，就是通常的中性温度层结。 L固定，z ?0：有一定的热通量，但只要高度足够低，我们仍可以把这时的大气状况作为中性层结来处理 称为“有效中性”。 说明：离地面越近越接近中性，与动力作用相比层结影响不重要，离地面越远（仍在近地层范围），层结影响越重要。 （2）稳定 系数的取值范围4.7~5.2。 很稳定时，z/L是很大的正值，此时z不是控制变量，原因如下。 中性时，|L|??，唯一的特征长度是z，标志涡团的尺度可以达到离地面的高度。 当层结很稳定时，有强烈的“恢复力”的作用，湍涡尺度受很大限制，而小于中性时的情况。当稳定度不断增加时，湍涡尺度完全受层结抑制而与高度无关。此时影响湍流结构的控制变量由4个变为3个, 少了z, 表现为“无z尺度”特征。 量纲分析后得： （3） 不稳定 广泛应用的是Businger-Dyer风廓线模式 较不稳定时z/L-2时， 即Carl模式。 另一个著名的模式是KEYPS公式 很不稳定时，机械作用远小于热力作用，控制变量中u*可略，表现为“无u*尺度”特征，Carl模式和KEYPS方程均可。 温度廓线 类似风廓线的推导，引入无量纲温度梯度 近中性时： 不稳定时： 稳定时： 第六节 近地层气象参数化 如何用平均量的观测数据，求得近地层的各种湍流参数。用什么方法使得计算简便、需要的资料少，又具有一定精度。湍流参数（湍流通量?、H、E；湍流特征参数u*、T*、L和湍流交换系数Km、Kh） 要求：简单实用、使用的平均量尽可能少、有一定的精度。 一、Ri和ζ的关系 所以 只要有?m和?h的表达式，就可以得到Ri和?的关系。 不稳定时 稳定时 二、Km、Kh的参数化 由梯度输送理论： 任意层结下的风廓线： 代入上式： 得到用u*表示的 或用风速梯度表示的 已知Km后，可由?h的定义求出Kh 用u*表示的Kh： 或用风速梯度表示的Kh 三、?、H、E的参数化 任一物理量q和相应的湍流通量Q，根据前面相似理论分析的结果，它的廓线形式可以写成： 根据通量的定义： 利用风廓线模式： １. 若有两层（z1，z2）风速u和q的观测资料，即当z=z1，u=u1，q=q1；z=z2，u=u2，q=q2，根据上式，用两层风速之差表示摩擦速度u*，类似的方法表达q*，代入Q的表达式，则 2. 若只有一层风观测和q两层观测值，即z=z3，u=u3；z=z1，q=q1；z=z2， q=q2（不一定要求与风速同一层观测），则 如果q代表的是风速u，则Ｑ代表的是动量通量，取z3＝z2=z， z1＝z0，有： 对于热通量，q=CP?，Q=H，将风速和位温的观测取在同一层上，即z3＝z2=z， z1＝