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大气边界层风速增量的概率密 度函数 刘磊胡非 中科院大气物理研究所LAPC 工作动机 n 在风能研究领域，风速增量与阵风有 关，对其统计规律的研究有助于风能开 发中风机载荷的设计 n 有助于了解大气湍流的相干结构和间歇 性特征及其物理机制 研究现状 左图：Frisch, Turbulence, Cambridge 右上图：PRL, 87, 254501 右下图：Boundary-Layer Meteorol., 108,163 我们的研究工作 （a ）北京325m气象 塔一般天气 （b）北京325m气象 塔沙尘暴 （c ）广东沿海台风 一般天气 特点： 1）概率密度函数（PDF） 是对称的； 2）通过一定的缩放变 化，不同时间间隔下的 PDF彼此可以重合 沙尘暴 台风 n 如果一个随机变量X具有以下性质，我们称其为稳定分 布： 其中 是独立同分布的随机变量，且于X具有 相同的分布。 n 此外，不同时间间隔下的风速增量满足： 其中 是最小的时间间隔，对于10Hz采样频率而 言，最小时间间隔为0.1s 数据分析结果表明，大气边界层湍 流风速在不同时间间隔下的增量具有对 称分布的特征，可尝试用稳定分布来拟 合数据 参数估计 n 对称稳定分布通常用两个参数：特征指 数alpha和缩放指数gamma来描述 n 利用Fama和Roll提出的分位数技术可以 对这两个参数进行估计 (Journal of American Statistical Association, 66, 331) 拟合结果 困境： 稳定分布在尾部与数据出 现偏差（虚线），出现偏 差的物理原因：稳定分布 方差发散，而风速增量的 方差表示的是湍涡的动 能，是一个有限量 解决方案：Koponen 截断稳定分布（实线） 沙尘暴 台风 结论 n 与实验室湍流不同，大气边界层湍流风速增量 在不同的时间间隔下都具有对称分布的特征， 其参数可以用分位数技术进行估计； n 然而数据与稳定分布在尾部出现偏差，这是由 于湍涡的动能有限所造成的，可用Koponen截 断稳定分布来拟合 n 上述规律在不同的天气条件，甚至在沙尘暴和 台风这样的极端天气条件下都满足。 谢谢