用子波分析淮河流域大气边界层湍流的相干结构.pdfVIP

用子波分析淮河流域大气边界层湍流的相干结构* 1 2 陈炯 胡非 1国家气象中心数值预报室 北京 100081 2中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室 LAPC北京 100029 摘 要 相干结构在切变湍流脉动的生成和发展中起着主宰作用 对湍流的能量和动量输送也至关重要 因此识别和提 取相干结构对于认识和研究湍流是非常重要的 本文首先用数字滤波法将包含相干结构的大尺度信号提取出来 并 对大涡信号降低采样频率以减小数据量 再用子波分析 根据子波能量极大值的判别方法 分别确定出大气湍流三 个方向上的速度脉动信号相干结构的时间尺度 在分析淮河实验资料的时候发现大气边界层湍流三个方向上速度的 平均相干尺度分别为33秒 34秒和25秒 无量纲化后的相干尺度彼此有着较好的线性关系 且选用不同的子波基 对结果并不敏感 关键词 大气湍流 相干结构 数字滤波 子波分析 1引言 剪切湍流内存在有大涡相干结构 这在实验室 Kline et al, 1967; Laufer, 1975; Wright et al, 1997 数值模拟 Basdevant et al, 1981; McWilliams, 1984; Kim et al, 1987 以及大气边界层 Antonia et al, 1979; Mahrt, 1991 中均得到了验证 相干结构 或称拟序运动或拟序结构 是在切变湍流中不规则地触发的一种有序运动 它的起 始时刻和位置是不确定的 但一经触发 它就以某种确定的次序发展特定的运动状态 在通常的长 时间平均中它们和其它不规则运动一起被平均掉 所以要识别和测定相干结构需要采用特殊的方法 是勋刚 1994 在大气湍流中 相干结构用于区别不同形态的大尺度湍涡 Wilczak, 1984 且对于动量 热 量以及其它标量的输送起着重要的作用 Gao et al, 1989 Qiu et al, 1994 因此分析大气湍流的相干 结构是非常必要的 虽然相干结构定义在三维空间中 湍流精细结构的研究又有场的概念 张兆顺 1992 但是在大气边界层实验中 我们通常得到的是某一点的湍流脉动值随时间的变化 所以绝大 多数的研究都是基于时间序列的分析 相干结构是在时空中发展的一种运动状态 时空相关的测量可以获得一部分脉动结构的运动学 特征 但所得到的信息有限 失落了许多运动学的特征 是勋刚 1994 六十年代中期以后 条件 采样技术开始在相干结构的检测中广泛采用 条件采样技术是一种从不规则信号中提取某种规则或 拟序过程的方法 Blackwelder and Kaplan, 1976 它包括控制准则和数据处理器两部分 是勋刚 1994 控制准则是核心部分 根据相干结构得出猝发事件的特征定制 例如mu-lever 法 象限分解 法和VITA 可变时间间隔平均 法等等 在选择控制准则即确定适当阈值时具有较大的主观性 姜 楠等 1997 更为重要的是 条件采样方法只能检测相干结构中的不同事件 而对相干结构的发展 过程却无法了解 也无法得到相干结构的更进一步的信息 汪健生 1997 用子波分析可以得到信号尺度和时间位置的信息 并且可以客观地分解相干结构和非相干结 构 用离散子波 Camussi Guj, 1997; Staszewski et al, 1998; Farge et al, 1999; Lewalle et al, 2000 或 连续子波 (Liandrat Moret-Bailly, 1990; Mahrt, 1991; Collineau Brunet, 1993a,b; Gamage Hagelb erg, 1993; Gao Li, 1993; Turner et al, 1994; Turner Leclerc, 1994; Coulter Li, 1995; *本文英文稿已在Boundary -Layer Mete