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本文利用小参数展开法研究非线性行星边界层,将其分为近地层和Ekman层,而Ekman层又分为若干层。在近地层中,取湍流粘性系数K为高度的线性函数;在Ekman层中,取K为逼近O′Brien[1]公式的分段常数。利用上下边界条件和分层界面上由风速连续和粘性应力连续而列出的衔接条件,求得了各层的风速和边界层顶的垂直速度的解析表达式,并计算和作图分析了特定的圆形轴对称气旋和反气旋的个例,得到了一些新的结论。例如,边界层中风速与其顶部风速的最大夹角远小于Wut的结果,只有25°左右,而近地层风速却远大于Wu的结果,50米处即可达地转风的一半左右。这些都与实测更趋于一致。再者,此个例还表明,Wu所得到的关于摩擦作用造成的边界层顶垂直速度在中心处达最大值,而我们得到的却是零,这与近中心处地转风很小,使边界层顶风速很小,因而风速切变很小,摩擦作用便很微弱的结论是一致的。由此可见,边界层中的风分布对湍流粘性系数是敏感的。 相似文献
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鄂东两次暴雨前后近地层物理量场异常特征分析 总被引：1，自引：0，他引：1
利用湖北黄石长江南岸50 m高铁塔的风梯度、超声风及气温、湿度观测资料,对2007年5月31日及7月1-2日两场暴雨前后近地层风温湿场和降水前湍流特征进行了计算分析,探索其异常变化特征,为进一步认识黄石地区强降水的近地面层物理过程提供依据。结果表明:(1)降水前温度下降,湿度上升,平均风向发生明显转变,水平风速与垂直气流速度在降水前出现显著增大;降水后,风向平缓变化,平均风速再次增大。(2)垂直气流速度在降水前频繁上下振荡,激发湍流活动。(3)降水前湍流动能增大,湍流动量通量和感热通量增大向上传递,湍流强度逐步增大。湍流动能最大值的出现早于湍流通量,湍流活动在临近降水时进一步加强。可见暴雨发生前后近地层风温湿场有明显的变化,降水前湍流活动增强。 相似文献
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南海西南季风爆发前后海-气通量交换系 数研究 总被引：7，自引：1，他引：7
动量交换系数(CD)、感热交换系数(CH)和潜热(或水汽)交换系数(CE)是气候模式中参数化海-气通量必需的参数,不同地区、天气、海况的试验中计算结果各异。文章利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第3次南海海-气通量观测试验资料,使用涡旋相关法和TOGA COARE2.5b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海-气界面动量、感热通量、潜热通量等的湍流交换系数,讨论了各通量交换系数的变化特征及其与气象要素变化的关系。结果表明:西南季风爆发前后,随着风向、风速、云量、降水、湿度及海面状态等变化,通量交换系数也发生变化:中性条件动量交换系数(CDn)在季风爆发前数值略小,季风爆发后数值增大;中性条件感热交换系数和潜热交换系数(CHn,CEn)对天气变化的反应不够敏感。动量交换系数主要受风速影响,但在不同风速区间相关关系有异。(CH)与海-气温差呈现正相关关系,和气温有明显的负相关关系。CE与风速的关系密切,但当风速>12 m/s,CE随风速的变化趋向一个稳定值。另外当海-气温差大约<2℃时,CE随着海-气温差增大相应增大,反映了通量交换系数不仅与风影响下的下垫面特性有关,而且还与稳定度参数有关。各通量交换系数与气象要素变化的关系可以拟合为多项式或者简单的线性关系式。 相似文献
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近地层湍流通量计算及几种塔层风廓线模式的研究 总被引：4，自引：2，他引：4
利用近地层风廓线的积分形式和平均场资料计算了表征湍流通量和热量通量特征量。u_*和T_*.得到了几种稳定度条件下利用两层风、温实测资料计算u_*和T_*的方法,可以普遍应用. 本文还用铁塔风速资料对目前广泛采用的几种中性和非中性湍流交换系数分布模式代入运动方程得到风廓线计算公式并进行了研究.给出了误差范围.认为:不稳定时用Yamamoto的K_m模式导出的风廓线公式以及中性和稳定时用Yokoyama的K_m模式导出的风廓线公式与实测廓线比较符合,且计算比较简便. 相似文献
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《高原气象》2017,(4)
湍流运动是大气最基本的运动特征,是地气间能量物质交换的主要方式。利用2014年7月18日至8月31日青藏高原中部聂荣观测站的近地层湍流观测资料,分析了该地区近地层湍流统计特征以及近地层通量的日变化特征。结果表明:在不稳定和稳定层结下,风速分量归一化标准差σ_u/u_*,σ_v/u_*,σ_w/u_*与稳定度参数z/L满足相似理论的"1/3"定律,近中性条件下趋于常数,并表现为σ_u/u_*≈σ_v/u_*σ_w/u_*;在不稳定层结下,温度、水汽密度和CO_2浓度归一化标准差σT/|T*|、σq/|q_*|和σ_C/|C_*|与|z/L|满足"-1/3"定律,在近中性层结下趋于常数,且明显大于青藏高原其他地区。湍流在风速0 m·s~(-1)U3 m·s~(-1)的环境中发展最为旺盛,垂直风分量的湍流强度较水平风分量更为集中,三个方向的湍流强度基本表现为I_u≈I_vI_w。夏季潜热通量大于感热通量,CO_2通量的日变化以吸收为主,最强达到0.46 mg·m~(-2)·s~(-1)。 相似文献
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北京低层高空的风速分布 总被引：1，自引：1，他引：1
分析北京1954,1955两年气球测风的原始记录,根据500米高度上的风速,这些记录可以分作三类:大风,中风和弱风三种情形。中风情形的记录最多,因此根据中风情形记录所得到的平均风速分布较有代表性,本文对中风情形的实测风分布作了理论的研究。假定900米以下湍流系数 K 随高度改变,而且 K=(a-bz)~2;900米以上 K 为常数,则由湍流平均运动方程的确解所算得之风速分布几乎和实测者完全一致。最后,本文还讨论了所建议的根据实测风决定湍流系数 K 的方法,指出应用这种方法时所须注意之点。 相似文献
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本文利用大连1955年气球测风原始记录,根據11∶00和23∶00从海上来的风和从陆上来的风进行分类,得出四种情况下大连低层高空的风速随高度的分布.假定湍流系数K=(a-bz)~2,对不同情况 a,b 取适当的数值;并且考虑适当的热成风,则由理论算得的风速廓线和实现观测的平均风速分布相当符合.因此本文给出不同温度层结不同下热面影响下的风速分布以及湍流系数 K 随高度的改变情形. 相似文献
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辐射雾的数值模拟 总被引：24，自引：4，他引：24
本文通过数值模拟的方法,研究了辐射雾的形成和发展过程。模式较详细地考虑了湍流交换、长波辐射传输、重力沉降等过程。计算结果表明,辐射雾形成后会改变环境风、温场,反之,风、温场的改变又影响了辐射雾的发展。计算结果还表明,辐射雾最初是在离地面一定的高度上形成的,文中作了详细解释;辐射雾的发展是在湍流场和辐射场的相互作用下引起的。湍流作用是决定辐射雾形成、发展的重要因子,它一方面阻碍了辐射雾的形成,另一方面,它又能促进已形成的雾的发展。本文还研究了辐射雾形成前后的风、温变化以及长波辐射通量的变化。研究了含水量交换系数对模式的影响,结果表明,含水量交换系数的取值与动量交换系数是否相等,对模拟结果没有明显的影响。 相似文献
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Effects of turbulent dispersion of atmospheric balance motions of planetary boundary layer 总被引：1，自引：0，他引：1
New Reynolds' mean momentum equations including both turbulent viscosity and dispersion are used to analyze atmospheric balance motions of the planetary boundary layer. It is pointed out that turbulent dispersion with r 0 will increase depth of Ekman layer, reduce wind velocity in Ekman layer and produce a more satisfactory Ekman spiral lines fit the observed wind hodograph. The wind profile in the surface layer including tur-bulent dispersion is still logarithmic but the von Karman constant k is replaced by k1 = 1 -2/k, the wind increasesa little more rapidly with height. 相似文献
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The temperature and wind profiles in the planetary boundary layer (PBL) are investigated. Assuming stationary and homogeneous conditions, the turbulent state in the PBL is uniquely determined by the external Rossby number and the stratification parameters. In this study, a simple two-layer barotropic model is proposed. It consists of a surface (SL) and overlying Ekman-type layer. The system of dynamic and heat transfer equations is closed usingK theory. In the SL, the turbulent exchange coefficient is consistent with the results of similarity theory while in the Ekman layer, it is constant. Analytical solutions for the wind and temperature profiles in the PBL are obtained. The SL and thermal PBL heights are properly chosen functions of the stratification so that from the solutions for wind and temperature, the PBL resistance laws can be easily deduced. The internal PBL characteristics necessary for the calculation (friction velocity, angle between surface and geostrophic winds and internal stratification parameter) are presented in terms of the external parameters. Favorable agreement with experimental data and model results is demonstrated. The simplicity of the model allows it to be incorporated in large-scale weather prediction models as well as in the solution of various other meteorological problems. 相似文献
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采用与实测较接近的二次函数来表达Ｅｋｍａｎ层中的湍流粘性系数Ｋ，在圆形气压场条件下，求得了山地上空边界层中的风速，进而求得散度、涡度和垂直速度等场变量随高度的分布。并作图分析了这些场变量的一些动力学特征。改进了以往在求解析解时，略去运动方程中湍流粘性力项中的关于高度的一阶导数项，以及取山坡面上风速为零作下边界条件等欠合理欠精确的做法。所求得的风速、散度、涡度和垂直速度均用简单的初等函数表示出来，有助于边界层参数化和深化对边界层动力学的认识。 相似文献
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Otto G. Chkhetiani Michael V. Kurgansky Natalia V. Vazaeva 《Boundary-Layer Meteorology》2018,168(3):361-385
We consider the assumption postulated by Deusebio and Lindborg (J Fluid Mech 755:654–671, 2014) that the helicity injected into the Ekman boundary layer undergoes a cascade, with preservation of its sign (right- or alternatively left-handedness), which is a signature of the system rotation, from large to small scales, down to the Kolmogorov microscale of turbulence. At the same time, recent direct field measurements of turbulent helicity in the steppe region of southern Russia near Tsimlyansk Reservoir show the opposite sign of helicity from that expected. A possible explanation for this phenomenon may be the joint action of different scales of atmospheric flows within the boundary layer, including the sea-breeze circulation over the test site. In this regard, we consider a superposition of the classic Ekman spiral solution and Prandtl’s jet-like slope-wind profile to describe the planetary boundary-layer wind structure. The latter solution mimics a hydrostatic shallow breeze circulation over a non-uniformly heated surface. A 180°-wide sector on the hodograph plane exists, within which the relative orientation of the Ekman and Prandtl velocity profiles favours the left rotation with height of the resulting wind velocity vector in the lowermost part of the boundary layer. This explains the negative (left-handed) helicity cascade toward small-scale turbulent motions, which agrees with the direct field measurements of turbulent helicity in Tsimlyansk. A simple turbulent relaxation model is proposed that explains the measured positive values of the relatively minor contribution to turbulent helicity from the vertical components of velocity and vorticity. 相似文献
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本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。 相似文献
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Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构 总被引：2，自引：0，他引：2
发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。 相似文献
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By use of the small parameter expansion method, the nonlinear planetary boundary layer (PBL) is studied in this paper. The PBL is divided into the surface layer and the Ekman layer, which is divided into several sublayers. In the surface-layer, the eddy coefficient K is taken as a linear function of height; in the Ekman layer, different constant K values are taken within different sublayers: these values are determined from O'Brien's formula (O'Brien, 1970) approximately. Under the upper and lower boundary conditions and the continuity conditions of the wind velocities and turbulent stresses at each boundary between sublayers, analytical expressions for wind velocity in all sublayers and the vertical velocity at the top of the PBL are obtained. A specific example of steady axisymmetrical circular high and low pressure areas is analysed, and some new conclusions are obtained. The results are in better agreement with reality than previous results. This example also shows that the vertical velocity at the top of the PBL caused by friction approaches zero near the center of a high or low pressure system for this model, but attains its maximum absolute values near the center of the high or low pressure area for Wu's (1984) model. This is due to the fact that in our model, the geostrophic wind speed near the center of this specific vortex approaches zero, which causes the wind shear and the friction effect to be very weak. Therefore the wind distribution in the PBL is very sensitive to the type of eddy coefficient. 相似文献
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本文利用100m~3系留气艇携带超声风温仪在复杂的盆地地形上空对1000m以下大气进行观测所获得的资料,研究小风稳定条件下大气边界层湍流结构特征。结果表明,在双对数坐标中,纵向速度u谱,垂直速度w谱,温度T谱在惯性区均遵循Kolmogorov的-2/3次律;横向速度V谱有其特殊的情形;协谱uw,wT及近地层的uT协谱在惯性区服从-4/3次律。和平坦、均一、开阔下垫面不同的是谱的峰值频率向高频移动,且没有发现近地层具有的谱峰随高度的明显变化关系。 相似文献
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The temperature and wind profiles in abaroclinic atmospheric boundary layer (ABL) are investigated.Assuming stationary conditions, the turbulent state in the ABL forstable and neutral conditions is uniquely determined by the Rossbynumber, the external stratification parameter and two externalbaroclinic parameters. A simple two-layer baroclinic model isdeveloped. It consists of a surface layer (SL) and overlyingEkman-type layer. The system of dynamic and heat transfer equations isclosed using K-theory. In the SL the turbulent exchangecoefficient is consistent with the results of similarity theorywhile in the Ekman layer it is assumed constant. The universalfunctions in the resistance, heat and humidity transfer laws arededuced from the analytical solutions for the wind and temperatureprofiles. The solutions of the ABL resistance laws for theinternal ABL parameters, necessary for the calculations of the ABLprofiles, are approximated in terms of the external ABLparameters. Favourable agreement of model results with theavailable experimental data is demonstrated. 相似文献