第4章湍流动能稳定度和尺度之1.ppt

《第4章湍流动能稳定度和尺度之1.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四章湍流动能、稳定度和尺度第四章湍流动能、稳定度和尺度湍流动能TKE1稳定度2尺度3CompanyLogoPS.大气湍流动能(TKE)常见的动能（KE）定义为KE=0.5mU2当研究空气之类的流体时，通常讨论其单位质量的动能KE/unitmass=0.5U2大气动能～时间平均脉动运动动能平均运动动能CompanyLogo平均动能(MKE,与平均风速有关)湍流动能(TKE,与湍流有关)气流动能TKE的大小标志着湍流的强弱，直接关系到边界层大气动量、热量和温度等属性的输送。而且，TKE与稳定度、太

2、阳辐射有关。CompanyLogo典型的TKE在白天对流条件下的变化1978年8月飞机在Tennessee上空300米以下测得的的日变化。CompanyLogo白天对流混合层晴空，微风，16:00近中性，强风（在地面10-15m/s）,多云，11:00夜空稳定边界层，22:00不同边界层湍流动能垂直廓线高度（km）CompanyLogo4.1湍流动能TKE收支方程（重点）TKE:TKE收支/预报方程:CompanyLogo方程推导步骤---动量守恒方程大气边界层平均量控制方程大气边界层湍流脉动量控

3、制方程湍流方差控制方程湍流能量控制方程CompanyLogo动量方程动量平均量方程:动量脉动量方程:动量方差方程:CompanyLogo假设湍流场水平均一、忽略下沉，TKE方程表达式为：（Ⅱ平流项）ⅠⅢⅣⅤⅥⅦ将，和三个速度方差独立分量预报方程叠加再除以2，得到TKE的收支方程若同时将坐标轴x取在平均风向，TKE方程最终表达式为：CompanyLogoⅠ湍能储存项，表示湍流能量的增强或减弱Ⅲ浮力产生或消耗项，浮力作功对湍能的贡献Ⅳ机械(切变)产生项，雷诺应力作功对湍能的贡献Ⅴ湍流输送项，湍流能量由

4、携带在垂直方向的输送，若各个高度上输送量不同()，则在其层间累积或亏损ⅦTKE的粘滞耗散，使湍能转化为热能，表现为简写ⅠⅢⅣⅤⅥⅦTKE收支/预报方程:方程反映了边界层中单位质量空气湍流动能的变化：Ⅵ气压相关项，压力脉动作功对湍能的贡献，很难测定CompanyLogoⅠ湍能储存项CompanyLogoⅠ湍能储存项CompanyLogo曲线：白天自由对流（浮力强）时，TKE廓线阴影：切变（强风）和浮力都活跃时，TKE廓线Ⅰ湍能储存项CompanyLogoⅠⅢⅣⅤⅥⅦ被归一化的湍流动能方程中的若干项

5、浮力产生/消耗项切变产生项Ⅲ浮力产生/消耗项Ⅳ机械(切变)产生项CompanyLogoⅠⅢⅣⅤⅥⅦSP=3BPLSP=-3BPL3SP=BPLSP=-BPL自由对流和强迫对流的近似状况Ⅲ浮力产生/消耗项Ⅳ机械(切变)产生项CompanyLogo机械的强迫对流热力的自由对流思考：请根据湍涡形状判断自由对流和强迫对流？CompanyLogoⅠⅢⅣⅤⅥⅦTKE垂直通量廓线z/zi=0.3-0.5，最大TKE净辐散/损失TKE净辐合/产生Ⅴ湍流输送项CompanyLogoⅠⅢⅣⅤⅥⅦ耗散率廓线耗散率-高度

6、耗散率-高度耗散率-时间ⅦTKE的粘滞耗散CompanyLogo同样，可推导出平均运动的能量方程：Ⅰ平均运动能量的存储；Ⅱ平均风对平均运动能量的平流；Ⅲ重力作用于垂直运动对能量的增强或减弱Ⅳ表示科氏力的效应；Ⅴ气压梯度力的作用对能量的增强或减弱；Ⅵ平均运动的分子耗散，一般可以略去不计；Ⅹ表示平均流与湍流的相互作用。CompanyLogo假设垂直速度w为零，并取平均风向坐标轴x轴，则将上式X项可写作：平均能量方程中项与湍流能量方程中项，表达式相同而符号相反，说明雷诺应力作功使湍流运动从平均运动获取能

7、量。从而，有：CompanyLogo4.2.1静力稳定度静止大气中产生浮力对流的潜在能力与气流运动无关，仅与空气密度(温度)分布有关4.2大气稳定度（掌握）不稳定因子：片流湍流稳定因子：维持气流稳定不稳定因子和稳定因子雷诺数、理查逊数、罗斯贝数等CompanyLogo局部定义：静力稳定度由局部递减率确定（在混合层中不适用）静力稳定度——虚位温廓线中性稳定度：没有对流的绝热递减率非局部定义：分析整个边界层的稳定度CompanyLogoCompanyLogo参考Stull书P178CompanyL

8、ogo【例子】已知虚位温的观测结果如下：z(m)10008006004002000298299299299298295请鉴定z=600m处的静力稳定度。【讨论】从上面来的冷空气块会下沉，整个绝热层都不稳定！（实际上这个观测结果属于层积云性质）CompanyLogo