第2章ABL湍流基础之1课件.pptVIP

第二章 大气边界层湍流基础;湍流是边界层大气的主要运动形态；湍流对地表面与大气间的动量输 送、热量输送、水汽交换以及物质的输送起主要作用。;2.1 湍流的基本概念; 风和气流的三种主要形态： 平均风速;V; 雷诺（O Reynolds）在研究流体不稳定和湍流问题时，最早引进了 Re数。Re数是判断两粘性流体运动是否相似的重要判据之一。 特征Re数定义： Re ≡ UL /ν= 特征惯性力 / 特征粘性力 ;2.1.3 湍流的基本特征：;2.1.4 湍流产生的原因/湍流的来源;湍流运动特征;研究湍流性质，必须用数量来表示。由测量得到的大量湍流数据需要采用统计学和谱分析的方法进行处理和研究。;;谱隙： 图中似乎明显存在周期大约30分钟到1小时的风速变化微弱的区间。两小时内平均风速从6m/s减小到5m/s;实际瞬时风速;将大尺度变化与湍流分开的方法: 将风速实测资料在30分钟到1小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值的正的或负的偏离;采用随机过程的统计学方法来反映大气湍流结构; 2.2.1 平均量和平均法则 任一变量 A（t，s）为时间 t 和空间 s 的函数，N为资料点的数目。; （3）系统平均 通常用概率密度函数来表示，又称（统计）概率平均。; 在实际观测中，由于不能控制大气，不能重复产生同样的天气条件，故严格的系统平均几乎是不可能的。另外，由于实际大气的不均匀性，空间平均的要求往往也难以满足，所以通常可行的办法是取时间平均。在求时间平均时，虽然在一段时间内可以认为大气满足定常条件，但仍需考虑到平均值具有随时间变化的趋势，所以实际工作中常要先对数据系列进行去倾处理，然后才得到其湍流量的数据系列。 ; （4）求平均规则（通常指时间平均） ;或; ; 2.2.3 大气湍流的统计量（参数） 大气湍流研究中常见的统计参数如方差、协方差、相关系数等 （1）如果这些湍流统计参数不随时间变化，就称为平稳湍流或定常湍流； 此时，足够长时间的平均即接近于总体平均； （2）如果统计参数不随空间变化，称之为均匀湍流；此时，足够大的空间 平均也接近于总体平均； （3）如果统计参数不随坐标轴的旋转而变化，则称为各向同性湍流； 但是，事实上各统计参数在不同位置的数值不一样，即使在水平均匀的地 面上；因此大气湍流并不满足普遍的平稳、均匀和各向同性条件。但若研 究的时段不超过1小时，一般可以认为是近似平稳的；在地形平坦、水热状 况均匀的地面上，水平方向上也可以认为是均匀的。 ; （1）方差;12:00; （2）协方差; （3）相关函数和相关系数;互相关系数的特征：;协方差和互相关的物理意义; 2.2.4、湍流尺度 相关系数或相关函数反映了湍流场内的尺度。 设想湍流场尽是一些大湍涡，而小湍涡较少，相距 r 的P、Q两点经常处于同一湍涡之中，涨落量的相关系数必然较高；反之，湍流场尽是一些小湍涡，相距r的P、Q两点经常处于不同的湍涡之中，相关系数必然较低。 ; 2.2.4、湍流尺度 相关系数的积分可以表征湍流场的整体特征长度和时间： L 称作湍流的积分长度尺度，用来表征湍流场的整体特征长度，反映湍流涡旋平均大小的度量。 不同速度分量或在不同方向计算时，L可以不同；但共同的特点为层结不稳定时L大，湍涡主要为大涡。 ;表示随机变量之间关系程度的统计量 自相关 互相关 欧拉相关 拉格朗日相关;自相关;2）欧拉空间相关;4）拉格朗日相关;自相关测量某一波动在某一时间序列或空间序列总体上的持续性。因为规则变化可能与诸如涡动等物理现象有关，因此在序列中确定持续波或振荡的可能性是特别有用的。 另一方面，如果自相关?0，则当前波动为没有持续的或规则循环结构的随机过程（湍流）。;课堂作业;对流混合层中的相关系数廓线