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非平衡态线性热力学在大气湍流中的应用

陈晋北  
【摘要】: 非平衡态线性热力学被应用于大气湍流研究,证明了湍流强度定理和动力过程同湍流输送交叉耦合定理等一系列重要理论结果。湍流强度定理表明湍流强度是速度梯度和温度梯度的函数,揭露了湍流的宏观机制。动力过程同湍流输送交叉耦合定理认为热量(物质)的垂直湍流输送是位温(物质浓度)垂直梯度输送通量与垂直速度耦合输送之和。而传统湍流输送理论认为一种宏观量垂直湍流输送通量等价于该宏观量的垂直梯度输送通量;均匀下垫面假设条件下得到的Monin-Obukhov相似性理论认为近地面层是常通量层,在常通量层平均垂直速度永远等于零。动力过程同湍流输送交叉耦合定理是对大气边界层K闭合理论和经典Monin—Obukhov相似性理论的挑战,同时也为非均匀下垫面湍流输送参数化和闭合地表能量平衡提供了新的思路。 为了进一步全面理解理论结果并使之能在实践中得以应用,必须给出有关相似性函数的具体形式及其待定参数的具体值。就象Monin—Obukhov相似性理论中的稳定性函数及其参数需要通过观测实验来确定一样,湍流强度定理和动力过程同湍流输送交叉耦合理论中的系数也必须通过实验获得。同时,理论的真实性也有必须得到实验的检验。 通过对众多资料的综合比较,本文选用已在许多研究中使用过的,有较高精度的1986年瑞典(?)ppsala大学近地面层湍流实验观测资料检验上述理论结果,得到了湍流强度唯象系数和热量垂直湍流输送通量的垂直速度耦合系数的具体函数形式。研究结果如下: 1)以观测实验资料得到的湍流强度相似性函数分别为,在不稳定层结Z/L<0时φ(Z/L)~(-Z/L)~(2/3);稳定层结Z/L>0时φ(Z/L)~(Z/L)~(2.5);中性层结Z/L=0时C_0=φ(Z/L)_0~1.3。这表明湍流强度唯象系数不仅是速度剪切的函数,而且是大气温度热力层结稳定度的函数 2)湍流强度相似性关系同Monin-Obukhov相似性理论依据大量野外观测实验资料得到的速度方差经验关系基本一致。这种一致性意味着以观测实验事实证明了湍流强度定理的真实性;反过来也从理论上利用非平衡态线性热力学间接地从理论上证明了Monin-Obukhov湍流强度经验关系,得到了Monin-Obukhov湍流强度经验关系的理论依据。 3)热量垂直湍流输送通量的垂直速度耦合系数K_(θw)是高度和垂直速度的对数函数,即ln(Z/Z_(w0))和ln(W/u_*)~2的函数。且垂直速度耦合系数随高度的对数增长,而随垂直速度对数的4次方增长。 4)垂直速度耦合系数K_(θw)同速度特征量—摩擦速度u_*;高度特征量—垂直速度耦合粗糙度z_(w0)。和垂直速度耦合温度特征量T_(w0)有关。而垂直速度耦合粗糙度和温度特征量都是由下垫面特征状态决定的特征量。 5)只有当垂直速度大于0小于摩擦速度(0<|W|<u_*)时;且在足够高度以上,即高度在垂直速度耦合粗糙度以上z>z_(w0)时,垂直速度才对热量垂直湍流通量产生耦合效应。 6)虽然垂直速度耦合输送对于位温垂直梯度输送通量仅是一个小的修正量,但对于非均匀下垫面大气边界层和对流边界层,这个垂直速度耦合输送的修正量是不容忽视的。


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