对流边界层光学湍流的特征分析

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1、第一章绪论1．1大气边界层简介地面是大气圈的一个边界。在这个边界上的输送过程改变着100至3000m厚的最低层大气，这一层称为大气边界层，有时也称为行星边界层f图111)。对流层大气的其余部分则不精确地称之为自由大气层。接下来将简单介绍大气边界层的特征和对流边界层的发展变化。图1．1．I边界层在大气中的位置11大气边界层基本特征介绍在陆地上，近地面的很多参数都存在日变化，这是陆地边界层的特征之一。图112(a)反映了陆地近地面的温度日变化情况。此外，湍流折射率结构常数、湍流动能、边界层的厚度等也都存在着日变化

2、(Y黝daandMellor,1975)。然而在海洋上，这种日变化现象不明显，图112(b)为海洋上的温度日变化。图1．12上的纵坐标为气温，横坐标为日期，0203表示1999年2月3日。图(a)的测量地点位于比较平坦的地面，测量高度为地面上方2米：图(b)的测量地点位于中国东图1．1．2陆地近地面(a)和海上(b)测量的湿度变化曲线第一章绪论海海面123。E，30。N附近，测量高度离水面上方lo米。近地面大气几乎总是处于湍流运动状态，这是大气边界层的另一个特征。揣流是一个重要的输送过程。地面在太阳辐射下冷热

3、交替，通过湍流运动输送热量、水汽以及其他物理量，造成陆地的日变化。除了咀上两个主要特征外，边界层还有雾、云、霜等边界层内特有的现象。12大气边界层的结构简介通过Mirmesota的实验研究(1973)}D之后一系列对大气边界层的实验(CaugheyelaL．1979)，人们才对大气边界层的结构有了比较清楚的认识。图l1．3为陆地边界层的结构以及日变化特征。从图中可队很清楚的看到，边界层的结构随着周日循环变化发展，这种结构主要分为以下三个部分：残留层、对流混合层以及稳定边界层。由于边界层特征很多．重点介绍对流边

4、界层的一些基本特点。一般隋况下，大气对流边界层在日出后一小时开始发展，中午时问发展到顶峰，厚度达到晟大值。依据湍流结构特点，大气对流边界层从地面向上依次分为贴地层、近地面层、自由对流层、混合层、夹卷层、稳定层。图l14为大气对流边界层内平均风速U、平均位温p与浮力通量B随高度的变化廓线。图l1．3陆地边界屡的结构以及日变化特征(仿照StuL1988)这里温度和位温0的关系为口=T(1000／P)⋯‘(1l1)其中，P为气压(mb)，T为温度(K)，C，为定压下的干空气比热(约为100467第一章绪论．／K。堙

5、。1)，R为干空气气体常数(约为287．04JK-1姆_1)。在一般情况下，以上温度和位温的关系可化简为口=T+0．098z(1．1．2)z为相对于1000mb的测量点高度(单位：米)。zl／。／一一／+

6、，『＼夹卷层锄I．合层◆I＼自由对流层三／；丘拙i＼再胃＼U9B图1．1．4大气对流边界层内风速U，位温。和浮力通量B随高度的变化廓线浮力通量宦的表达式为：伊g,aw’目‘(1．1．3)其中W’目。为垂直湍流热通量，夕为空气的热膨胀系数，g为重力加速度。浮力通量随高度的增加线性减小，在高度z；处减到最小值，

7、然后随着高度的增加又逐渐变大。对流边界层的高度就定义为z，，在位温廓线上，z，也对应着常位温和逆温的边界处。除了温度廓线和热通量廓线外，边界层高度的确定通常还有两种方法：温度结构常数最大值所对应的高度以及位温梯度最大值所对应的高度。接近地面只有几厘米的空气层称为贴地层，在贴地层中，分子粘性的作用占主导地位，强于湍流输送作用。该层大气运动受地表细致结构的的影响很大，因此对贴地层的研究困难较大。近地面层是从地面向上到Monin--Obukhov长度￡高度这一段范围内(对流第一章绪论边界层￡通常为负值，此处取为绝对

8、值)，一般为50米。由于受地面摩擦影响，在近地面层内，位温随高度逐渐减小，风速随高度逐渐增加，此层为超绝热递减层。近地层内有很多小尺度结构如辐合线、热羽等。在不稳定近地层大气中经常出现地面辐合带，它们相互连接成网状结构，在网眼中含有大范围的弱下沉气流。一般通过多普勒雷达对其进行观测。在辐合带上方，空气作上升运动，有时会形成尺度较大的热泡。热羽是具有一定深度和直径的暖上升气流的相干垂直结构，深度大致为近地层高度，浮力强迫是形成热羽的主要原因。热羽的结构受周围平均风场的影响，其横向尺度与纵向尺度之比近似为l：8。

9、从近地面层到O．1z，这段范围称为自由对流层。在此层中，浮力起主要控制作用，位温和平均风速与高度的变化相关。混合层的范围为0．1Z；到0．8z，。湍流在该层内强烈混合，发展很充分。混合层因为强烈的垂直混合而使保守变量如湿度、位温等近似随高度不变，甚至在整个混合层内，风速和风向也近乎为常量，因此也称为充分混合层。在该层内，混合能由剪切机械产生或由浮力对流驱动产生。浮力形成的混合层比机械驱动的更趋均匀，