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窦颖:大气湍流的尺度谱

2020-8-12 14:47| 发布者: admin| 查看: 45| 评论: 0

摘要: 何宪恕的回答: 大气湍流有很宽的尺度谱。近地面层风速脉动的能谱函数充分显示了这一点,图中为涡旋频率,为时间,为能谱密度。 公认的大气湍流尺度(时间尺度从0.001~0.1小时),跨越了三个量级,如果把日变化(能 ...

何宪恕的回答:

大气湍流有很宽的尺度谱。近地面层风速脉动的能谱函数充分显示了这一点,图中为涡旋频率,为时间,为能谱密度。 公认的大气湍流尺度(时间尺度从0.001~0.1小时),跨越了三个量级,如果把日变化(能量峰值在10小时附近)和天气系统的变化(能量峰值在 100小时附近)考虑在内,则谱区将更宽。 大气湍流扩散系数的数值和研究对象的尺度有关。例如,在考虑污染物随风飘移的扩散过程时,飘移的距离越,大尺度湍流的影响越大。从湍流扩散系数K和湍流尺度的关系中,可以看出K值随湍流尺度的变化从1.6×10米/秒增加到10米/秒,跨越了12个数量级。 大气湍流在三个方向(顺风、横风和铅直方向)的尺度和强度都不同,说明它是非各向同性的。在一般情况下,它的铅直分量比水平方向的两个分量都小。在大气边界层中,湍流主要受地面的状态限制。在晴空湍流区里,湍流区本身的铅直范围(几十米到几百米)总是小于水平范围(几公里到几十公里)。在对流云内, 情况可能不同, 一块发展旺盛的浓积云(见云),铅直厚度往往超过它的水平范围,铅直脉动速度有时高达每秒几米,这方面仍缺乏系统观测的结果。大气湍流的非各向同性还表现在湍流扩散系数的数值上。从强稳定层结到不稳定层结,铅直湍流扩散系数的数值为2×10~10米/秒,横向湍流扩散系数则为 10~10米/秒。

花香随风的回答:

大气湍流涡旋能量谱可以分做大尺度的含能区和中小尺度的平衡区两个谱段,在平衡区内湍流从上一级涡旋得到的能量,等于往下一级传输的能量与分子粘性耗散能量之和。平衡区又可分做两个亚区:不考虑分子粘性耗散的惯性区和分子粘性耗散区。在一般情况下,涡旋能量总是由大尺度涡旋向小尺度涡旋方向传递的。在逐级传输的过程中,外部条件的影响逐渐衰退,逐渐失去大尺度涡旋各向异性的性质,而趋于小尺度涡旋各向同性的性质,所以在实际大气中,湍流基本上是局地各向同性的。湍流的局地各向同性可以根据量纲分析,用一些统计函数表示,例如科尔莫戈罗夫引进的湍流结构函数:[109-01]以平均风速的方向为轴方向, 为 方向两点的距离;为 方向的湍流速度,为 或 方向的湍流速度,方括号上的长横线代表统计平均。b()和b()分别为沿平均风速方向和垂直于平均风速方向的结构函数。科尔莫戈罗夫得到:惯性区(即分子粘性耗散可忽略的谱区)的湍流结构函数和距离的 2/3次方成正比。 大气边界层湍流区和晴空湍流区的观测结果,证实了大气湍流确是局地各向同性的。研究声波、光波和无线电波在湍流大气中的一些传播规律时,三分之二次方定律得到很好的证实。问题的核心是确定局地各向同性大气湍流的涡旋尺度上限。很多学者分析了近地面层观测资料之后,认为该尺度略低于湍流涡旋所在的空气层与地面间的距离。


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