（大气物理学与大气环境专业论文）对流边界层光学湍流的特征分析.pdf

摘要 摘要 边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构 尤其是夹卷层的湍流特征，是边界层研究的一个重要方面，这对于加深对边界层 的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。在边界层的研究中，人们多 数是通过外场观测和计算机数值模拟。但是外场观测耗资巨大，重复性很差，计 算机模拟的结果也需要实际观测数据进行验证。相对于以上研究手段，室内模拟 实验由于其稳定性、可重复性和容易实现等优点，是一种很好的途径。 本文通过模拟手段，在室内对流水槽( 1 5 0c r u x1 5 0c m 6 0c m ) 中模拟了大 气对流边界层的发生发展。利用准直光束通过对流水槽得到光斑图像数据，对光 斑图像数据进行频谱分析，得到结果如下： ( 1 ) 依据光在湍流介质中的湍流谱理论，确定功率谱的无标度区间，从而得 到边界层内各高度处的标度指数。结果表明，在混合层内，均匀下垫面的光强标 度指数基本在8 3 左右，基本符合各向均匀同性湍流特征，但非均匀下垫面的标 度指数并不完全符合均匀各向同性特征，说明其受到了非均匀性的影响。在夹卷 层范围内，均匀下垫面与非均匀下垫面符合的比较一致，标度指数在实验前期严 重偏离8 3 ，但在实验后期也逐渐接近这一理论值，说明在实验后期随着下垫面 加热的增强以及边界层顶部逆温的减弱，夹卷层也趋于混合均匀。夹卷层平均标 度指数与对流r i c h a r d s o n 数存在一定关系，且在均匀和非均匀下垫面情况下，关 系有所不同。还可发现，标度指数廓线随高度的变化特征与同时刻的归一化光强 方差廓线和热通量廓线一致关系很好。 ( 2 ) 利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析，找出功率谱密度最大值 所对应的频率即峰值频率，峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究边界层各 高度处峰值波长的特征，从湍涡尺度这一方面进一步分析边界层内的光学湍流结 构特征。研究结果表明，在混合层，峰值波长较小，说明此处混合比较均匀，小 尺度结构占主导地位。混合层内部的小尺度湍涡随着热对流作用向上进入夹卷 层，受到顶部逆温层的阻碍作用，其垂直运动受到抑制，于是向水平方向拉伸， 在夹卷层内形成了大尺度结构，所以夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值 波长与对流r i c h a r d s o n 数存在一定的关系，这种关系受下垫面类型以及对流状况 的双重影响。 关键词：大气对流边界层夹卷层光学湍流标度指数峰值波长 物理模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb o u n d a r yl a y e ri sv e r yi m p o r t a n tt oh u m a na c t i v i t ya st h et r a n s i t i o nz o n e b e t w e e nt h es u r f a c ea n df r e ea t m o s p h e r e t u r b u l e n c es t r u c t u r eo ft h eb o u n d a r yl a y e r e s p e c i a l l yt h ee n t r a i n m e n tl a y e ri sa ni m p o r t a n ta s p e c tf o rt h eb o u n d a r yl a y e rr e s e a r c h ， w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v eu n d e r s t a n d i n go ft h eb o u n d a r yl a y e ra n dt h e r e s e a r c ho ft h eb o u n d a r yl a y e rp a r a m e t e r i z a t i o n f i e l do b s e r v a t i o n sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o na r ec o m m o nm e a n sf o rb o u n d a r yl a y e rr e s e a r c h h o w e v e r af i e l d o b s e r v a t i o nc o s t sm u c hm o n e ya n dh a sp o o rr e p e a t a b i l i t y t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nn e e dv e r i f i c a t i o nw i t ht h eo b s e r v a t i o nd a t a o nt h ec o n t r a r y , l a b o r a t o r y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sag o o da p p r o a c hd u et oi t ss t e a d i n e s s ，r e p e a t a b i l i t ya n d e a s i l yt oc a r r yo u t g e n e r a t i o na n de v o l u t i o no ft h ea t m o s p h e r i cc o n v e c t i v el a y e rw e r es i m u l a t e di n l a b o r a t o r yc o n v e c t i v ew a t e rt a n kw i t ht h ed i m e n s i o no f15 0c m 15 0c m x6 0c m w h e nt h ec o l l i s i o nl i g h tb e a mp r o p a g a t e dt h r o u g ht h es i m u l a t e da t m o s p h e r i c c o n v e c t i v eb o u n d a r yl a y e r , f a c u l ai m a g ed a t ac o u l db eo b t a i n e d b a s e do ns p e c t r a l a n a l y s i st of a c u l ai m a g ed a t a ，r e s u l t sc a nb eg i v e n a sf o l l o w s ( 1 ) b a s e do nt h et h e o r yo fl i g h tw a v ep r o p a g a t i o ni nt u r b u l e n tm e d i a , t h es c a l i n g e x p o n e n t sc o u l db eg i v e nb yt h em e t h o do fd e t e r m i n i n gd i m e n s i o n l e s si n t e r z o n e i t w a sf o u n dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eh o m o g e n e o u sl a n ds u r f a c e ，t h es c a l i n g e x p o n e n t s i nt h em i x e dl a y e rw e r e 一8 3w h i c hw a st h ec l a s s i cv a l u eo ft h e h o m o g e n e o u st u r b u l e n c e ，b u tn o to nt h en o n - u n i f o r ms u r f a c ew h i c hm e a n e dt h a tt h e s c a l i n ge x p o n e n t sw e r ei n f l u e n c e db yn o n u n i f o r m i t y i ne n t r a i n m e n tl a y e r ，w h e t h e r h o m o g e n e o u sl a n d s u r f a c eo rn o n u n i f o r ms u r f a c e ，t h es c a l i n ge x p o n e n t sh i g h l y d e p a r t e df r o m - 8 3i nt h eb e g i n n i n go fe x p e r i m e n t sa n di nt h ee n dt h e yw e r ea l s o c l o s et o - 8 3w h i c hi n d i c a t e dt h a ti nt h ee n do fe x p e f i m e n te n t r a i n m e n tz o n ew a sa l s o h o m o g e n e o u sb e c a u s eo ft h ev i o l e n c e rs u r f a c eh e a t i n ga n dw e a k e ri n v e r s i o no nt h e t o po ft h eb o u n d a r yl a y e r t h ea v e r a g es c a l i n ge x p o n e n t si nt h ee n t r a i n m e n tz o n eh a d s o m er e l a t i o n s h i p sw i t ht h ec o n v e c t i v er i c h a r d s o nn u m b e ra n dt h er e s u l tw a s d i f f e r e n to nt h ec o n d i t i o no fh o m o g e n e o u sl a n ds u r f a c ea n dn o n u n i f o ms u r f a c e i t c o u l da l s ob ef o u n dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es c a l i n ge x p o n e n tp r o f i l ew e r e c o n s i s t e n tw i t ht h e mo fh e a tf l u xp r o f i l ea n dn o r m a l i z e dl i g h ti n t e n s i t yv a r i m i o n p r o f i l e ( 2 ) u s i n gi m p r o v e dc o v a r i a n c em e t h o df o rp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i so nt h ef a c u l a a b s t r a c t i m a g e ，t h ep e a k 丘e q u e n c yc o u l db ef o u n db yi d e n t i f y i n gt h em a x i m u mp o w e rs p e c t r a l d e n s i t yc o r r e s p o n d i n gt ot h ef r e q u e n c y , w h i c hw a sn e e d e dt o o b t a i nt h ep e a k w a v e l e n g t h t h eo p t i c a lt u r b u l e n c es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o u n d a r yl a y e r c o u l db ef u r t h e rs t u d i e df r o mt h es i d eo fe d d ys c a l eb yt h er e s e a r c ho fp e a k w a v e l e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s 、) r i t hh e i g h to ft h eb o u n d a r yl a y e r i tw a sf o u n dt h a t ，i nt h e m i x e dl a y e r , p e 出w a v e l e n g t hw a ss m a l l ，w h i c hm e a n e dt h a tt h em i x e dl a y e rw a s h o m o g e n e o u sm i x e da n ds m a l ls c a l ed o m i n a t e dt h e r e w h e nt h es m a l ls c a l ee d d yi n m i x e dl a y e ro v e r s h o o t e di n t oe n t r a n m e n tl a y e rw i t hh e a tc o n v e c t i o n ，i t sv e r t i c a l m o v e m e n tw o u l db es u p p r e s s e db yt h et o po ft h ei n v e r s i o na n di tw o u l ds t r e t c ht o h o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，w i t c hf o r m e dl a r g e - s c a l es t r u c t u r ei nt h ee n t r a i n m e n tl a y e r a sa r e s u l t ，t h ep e a kw a v e l e n g t hw a sl a r g e ri ne n t r a i n m e n tl a y e r t h ea v e r a g ep e a k w a v e l e n g t hi nt h ee n t r a i n m e n tz o n eh a ds o m er e l a t i o n s h i p sw i t ht h ec o n v e c t i v e r i c h a r d s o nn u m b e r , a n dt h er e l a t i o n s h i p sw e r ei n f l u e n c e db ys u r f a c et y p e sa n d c o n v e c t i o nc o n d i t i o n k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i cc o n v e c t i v eb o u n d a r yl a y e r , e n t r a n m e n tl a y e r ，o p t i c a l t u r b u l e n c e ，s c a l i n ge x p o n e n t ，p e a kw a v e l e n g t h ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 1 一 刃 作者签名：e 整签字日期：丝丝：互丕 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 叼，从开口保密(年) 作者签名：圭塑作者签名：z 塑堕 签字日期： 垄丛：五：翌一 十 新虢互玉兰山 签字日期：丕 翌：妒 第一章绪论 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1 0 0 至3 0 0 0m 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 111 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( y 黝d a a n d m e l l o r , 1 9 7 5 ) 。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，0 2 0 3 表示1 9 9 9 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1 2 3 。e ，3 0 。n 附近，测量高度离水面上方l o 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。 1 12 大气边界层的结构简介 通过m i r m e s o t a 的实验研究( 1 9 7 3 ) d 之后一系列对大气边界层的实验 ( c a u g h e ye la l 1 9 7 9 ) ，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s t ul l1 9 8 8 ) 这里温度和位温0 的关系为 口= t ( 1 0 0 0 p ) ( 1 l1 ) 其中，p 为气压( m b ) ，t 为温度( k ) ，c ，为定压下的干空气比热( 约为1 0 0 4 6 7 第一章绪论 k 。堙。1 ) ，r 为干空气气体常数( 约为2 8 7 0 4j k - 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 0 9 8 z ( 1 1 2 ) z 为相对于1 0 0 0m b 的测量点高度( 单位：米) 。 z l。一一 + |， 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 , a w 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，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m o n i n - - o b u k h o v 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，此处取为绝对值) ，一般为5 0 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 。 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 8 z ，。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，因为对流中的非各向同性帮助垂直运动，而剪切的非各向同性帮助水 平运动。浮力湍流生成为主的混合层称为对流边界层或对流混合层 ( r b s t u l l ，1 9 9 1 ) 。 夹卷层处于边界层顶部，其范围一般是0 8 z ，一1 2 z ，该层为逆温层。由 于自由大气向下卷挟和混合层热泡垂直向上穿透，在这一层中会形成夹卷过程， 影响着该层的湍流结构。热泡是上升空气所形成的气柱，它具有一定的尺度。 对流边界层上部为稳定层。稳定层通常为逆温层，它受地面的影响很小。 1 1 3 对流边界层的演变 由于白天受太阳加热的影响，尽管实际边界层的下垫面复杂多变，对于白天 对流边界层来说，它的发生发展基本上是不随下垫面的变化而变化的。 一般来讲，对流边界层厚度增长在周日循环中有4 个阶段： ( 1 ) 浅边界层开始形成，并逐步缓慢加厚； ( 2 ) 边界层随着下垫面的加热快速增长； ( 3 ) 边界层处于稳定阶段，厚度接近为定值； ( 4 ) 湍流减弱阶段。 图1 1 5 为对流边界层的发展过程。 4 第一章绪论 图1 1 5 对流边界层发展示意图 ( 仿照m a h a r te ta l1 9 7 6 ；w i l d ee ta l ，1 9 8 5 ；n e l s o ne ta l ，1 9 8 9 ) 图中的b 线 表示边界层的平均厚度乞，a 线和c 线分别代表夹卷层的顶和底) 清晨时分，边界层比较浅薄，在静风状态下有几十米厚，多风时大约2 0 0 米 厚。发展初期，由于受到夜间强逆温层的影响，边界层增长受到抑制，发展缓慢， 有时也称这一阶段为夜间逆温消散过程。 到了午前，随着夜间冷空气的变暖，温度已近似接近残留层温度，边界层渐 渐发展到残留层底部。由于此时不受到覆盖在混合层上的稳定层的限制，混合层 的热泡可以快速向上发展渗透，从而使边界层顶部急剧上升，速率大约为每1 5 分钟1 0 0 0 米。 在午后阶段，边界层已经到达残留层顶部，此时在混合层垂直向上运动的热 泡将受到边界层顶部的强覆盖逆温层的强烈影响，受此影响，边界层增长急速趋 于缓慢，边界层厚度在午后变化不明显，此时发展到第三阶段。边界层厚度增长 缓慢与下沉和夹卷过程有一定的关系，此外，当地的天气条件也会对边界层厚度 的增长产生影响。 在黄昏时分，由于对流湍流的产生率已经降低，将导致湍流的生成小于湍流 的耗散( n i e u w s t a d te ta l ， 1 9 8 6 ) 。此时，由于没有风速切变的影响，湍流逐渐衰 弱，其中温度脉动衰减比速度脉动衰减更快。此时由于地面降温的影响，在近地 面附近逐渐发展为逆温层，这就是夜间边界层，在边界层的上面即为残留层。 边界层厚度的平均增长率可以表示为： i d z i ：w 。+ w l ( 1 1 4 ) 疵 8” 第一章绪论 其中w 。为夹卷速度，表示在单位面积单位时间内稳定层内的流体下沉到混 合层的体积通量，夹卷速度一般为正值，w ，表示作用在混合层顶的大尺度热泡 的平均垂直运动速度。从( 1 1 4 ) 式可以看出，混合层的平均位温、近地面层的热 通量、边界层顶部逆温强度、边界层的高度等因素影响着边界层厚度的增长。 在实际状态下，边界层厚度在平均值附近波动，服从高斯分布( b e y r i c he ta l ， 1 9 9 8 ) 。 在边界层增长过程中，一个很重要的因素就是边界层顶部夹卷层的发展，因 此下面介绍夹卷层的发展和夹卷的动力过程。 1 1 4 夹卷层介绍 混合层顶部的静力稳定空气层称为夹卷层。由于此层是一个逆温层，近地面 空气向上运动会受到抑制，导致夹卷层象一个盖子一样笼罩着地面，对近地面的 污染扩散有严重的阻碍作用，此外，其对混合层的温度场结构也有重要的影响， 由于以上原因，人们对夹卷层的研究一直很重视。由于夹卷层处于边乔层顶部， 位置较高，一般的观测手段很难发挥作用，此外大尺度重力波与云之间的耦合、 大气中大尺度变化等因素也会影响该层，因此对夹卷层的测量和分析比较困难。 夹卷层内部包含有来自混合层向上运动的热泡以及被夹卷向下的自由大气 层空气团，该层的顶部被定义为这个区域内最高热泡顶的高度，顶部是比较难确 定的，因为没有明确的界限。通常把大约5 至1 0 的空气有自由大气特征的高 度定义为夹卷层的底部( d e a r d o r f fe ta l ，1 9 8 0 ) 。夹卷层也可以定义为边界层热通 量9 钆为负值的那一部分区域。此外，在边界层顶部附近，温度结构常数会出现 明显的峰值，因此也可利用温度结构常数的半峰值高度来确定夹卷层的厚度( 曾 宗泳等，1 9 8 3 ) 。 夹卷是一个物理过程，通常指上方自由大气的热空气向下进入充分发展的对 流不稳定层的过程( k h a l s ae ta l ，1 9 8 7 ；s u l l i v a ne ta l ，1 9 9 8 ) ，有时也包括混合层中 向上运动剧烈的热泡上冲到逆温层的过程。由于受到夹卷过程的影响，才会推动 混合层不断发展。由于夹卷的存在，自由大气和混合层之间会形成一层过渡带， 这层过渡带即为夹卷层。 夹卷过程对对流边界层的发展过程起着非常重要的作用，此外，对电磁波在 湍流大气中的传输、空气污染物的输送与扩散以及中尺度天气过程等大气现象都 具有十分重要的影响，是自由大气与对流层之间物质和能量交换的重要机制。在 天气预报和气候预测、中尺度模式、一般的环流研究中都需要对这一过程有清楚 的了解，然而到目前为止，这个过程并没有很好地解决，需要参数化加以解决。 6 第一章绪论 对夹卷过程的研究中，人们比较关心的是夹卷层厚度、夹卷的速度以及夹卷 向下输送的热通量，这是研究夹卷参数化最为重要的三个方面，即夹卷层厚度参 数化、夹卷率参数化以及夹卷通量参数化。目前还没有一个普适的夹卷过程的参 数化方案。 清晨边界层刚发展的时候，夹卷层是很薄的，随着混合层的增长，夹卷层也 在加厚。d e a r d o r f fe ta l ( 1 9 8 0 ) 提出，夹卷层厚度( a z ) 与边界层厚度( z ，) 之，比是： 垒：0 2 1 + 1 3 1 ( r f + ) 。1 z j ( 1 1 5 ) 这里，r f + 为总体里查逊数( o v e r a l l r i c h a r d s o nn u m b e r ) ，定义为： r i * = g f l a o z f w , 2( 1 1 6 ) 式中，秒为夹卷层上下温差，：( g 鲤。z ，) 1 乃，q o 为地面热通量。 公式中负一次方幂至今仍有争议，认为 、 一a z ( r + ) 一a ( 1 1 7 )一- - _，l z l q 取0 2 5 1 ( b o e r s ，1 9 8 9 ) ，也有认为q 取0 2 ( s t u l l ，1 9 8 8 ) 。 而n e l s o n 等认为 一a z ( 兰) ( 1 1 8 ) _ - _ - _ 一 z f w 上述几种关系式本质上没有多大的差别，当夹卷层温度梯度大和夹卷速度小 的时候，夹卷层的厚度较薄，边界层发展较为缓慢，反过来，夹卷层较厚，边界 层发展快。 1 1 5 混合层介绍 1 9 7 3 年为止，人们对大气边界层的认识仍然不足，p a n o f s k y ( 1 9 7 3 ) 认为边界 层厚度是存在的，依照他的观点，在边界层上面应该为逆温层。为了验证这个观 点，人们做了一系列的边界层实验：1 9 7 3 年的m i n n e s o t a 实验、1 9 7 6 年7 月的 a s h c h u r c h 和w o r c e s t e r s h i r e 实验( c a u g h e ye ta l ，19 7 9 ) 。 m o n i n o b u k h o v 相似关系是描述近地面层大气气象参数分布的半经验关系， 但是它只在地面以上l o 到1 0 0 米的高度范围内适用。为此，d e a r d o f f ( 1 9 7 0 b ) 提 出了适用于混合层的相似关系，随后在1 9 6 7 年的w a n g a r a 实验、1 9 6 8 年的k a n s a s 7 第一章绪论 实验和1 9 7 3 年的m i n n e s o t a 实验中初步验证了这种关系的可靠性。在混合层中， 当浮力成为控制湍流的主要因素并且其顶部存在逆温层时，边界层高度z ，以及对 流速度尺度w 。最为重要。此外，还要考虑水汽、动量通量和热量这些物理量， 因此还要包括特征湿度g 。和特征速度u 。以及特征位温只。所以在混合层中，通 常使用的特征尺度和量级如下： 对流速度w = w 臼。乙( g 丁) l 3 ，其量级为2r n s 边界层高度z ；，其量级为0 2k m 2k m 特征湿度q 。= w q 。1 w 。，其量级为o 1g m 3 特征位温统= w 7 0 ，w , ，其量级为0 1k 特征速度甜= w u ，w 。，其量级为o 0 2m s 对以上特征量做量纲分析，即可以得到在对流混合层中的相似关系。 平均量的相似关系： 位温：百z i 瓦0 0 = 。 ( 1 1 9 ) 湿度：豪署- 一sq o z ( 1 1 1 0 ) 风速：玉_ a u ：o ( 1 1 1 1 ) 毗韶 在混合层中，混合过程并不是在瞬间完成的，其混合作用还要受到地面和夹 卷层的双重影响，因此，位温和平均风速在混合层的垂直分布上并不是完全混合 均匀的。例如在混合层内部，从上面夹卷下来的和从下面加热上升的暖空气会在 近地面上方和混合层上部产生较高位温，因此位温在混合层中部会出现最小值。 另外，由于地面的蒸发导致地面附近湿度变大，而混合层顶部为干空气，这使得 湿度往往随高度略有下降。因此在后来的研究中，人1 i ( w y n g a r r da n db r o s t ，1 9 8 4 ) 提出了一个叫b o s o m u p 和t o p d o w n 过程的理论模式。根据这个模式，可以得 到污染物浓度c 随高度变化关系： _ 0 c ：一o 4 堂( 三) 圳2 + 堂l ( 1 _ 三) 圳2 ( 1 1 1 2 ) o z w , z iz iw , z iz i 类似温度结构函数的相似关系为： ，、2 2 1 3 粤=a(zz2 f ) 。墙 ( 1 1 1 3 ) ，1 ， 、。， 8 第一章绪论 式中，么一般取为2 7 ( w y n g a r r de ta l ，1 9 7 1 b ) 。 方差的相似关系： 通量相似关系为： 列“警2 = c o n s t 了| t l j = c o n s t w t 2 w , 2 = 1 。8 ( z z ，) 2 ，3 ( 1 0 8 z z , ) 2 ( 1 1 1 4 ) 夺| 9 7 = 1 8 ( z z , ) 铷 q 。21 8 ( z z ，) 圳3 1 1 w f 1 zu t w tz jz “w ， z r 材w jz ， 丝：1 一三+ 丝三 f1115)1 11 ：= = = = = 一一十 = = = = ：一一 “0 。 z fu 0 ，五 、 些：1 一三+ 丝三 u q s z iu q fsz i 式中，下标z i 表示边界层高度，下标s 表示地面。 由于现有的关于混合层的动力描述以及结构都是一些经验模式，所以上述这 些相似关系的可靠性还有待考证，这一方面仍旧需要进行大量的研究探索。 1 2 边界层室内水槽模拟历史回顾 地球流体的水槽模拟，作为实验室模拟的一种，在改进我们理解真实世界中 发生的现象等方面，一直发挥着重要的作用。在水槽模拟中，一些关键变量容易 控制，这就有助于从大量重复的实验中得到准确的统计量，这一点在野外观测很 难实现，甚至不可能实现。由于实验条件象风速和风向的经常变化，需要长时间 的平均才有可能得到准确的统计特征，在气象塔高度以上进行测量存在较大的难 度，这些都使得实际大气的观测变得非常复杂。所以实验室模拟把野外观测和简 单的理论模型很好地连接在一起。 首先，人们利用水槽来研究平坦下垫面对流边界层。最著名的要数w i l l i sa n d d e a r d o r f f ( 1 9 7 4 ，1 9 8 1 ，1 9 8 3 ，1 9 8 7 ；d e a r d o r f fa n dw i l l i s ，1 9 8 4 ，1 9 8 5 ) 的加热水槽模 型。他们最先利用空气热对流的方法研究野外实验结果，接着利用圆柱形水槽研 究穿透对流，然后利用水槽研究( 1 9 7 4 ) 对流边界层结构和污染扩散特性。 d e a r d o r f f 的水槽前几年被改进，从而得到了一些新的结果。其他的如k u m a ra n d a d r i a n ( 1 9 8 6 ) ，o h b ae ta 1 ( 1 9 9 1 ) 等热对流水槽，研究层结对近地面层和壁面输送过 程的影响( k e i s u k ef u k u ie ta l ，1 9 8 3 ) 。由于夹卷层的特殊性，水槽经常被用来研究 夹卷层的特性( d e a r d o r f f , 1 9 8 0 ；袁仁民等，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 6 ；孙鉴泞等，2 0 0 5 ) 。 9 第一章绪论 另外一类是澳大利亚c s i r o 大气研究分部用于对流边界层污染扩散的盐水槽。 h i b b e r da n ds a w f o r d ( 1 9 9 4 a ，b ) 对此进行了详细描述，并模拟研究不同的对流边界 层扩散机制，尤其研究了无剪切的熏烟扩散。为了克服对流水槽模拟技巧的限制 ( 无剪切) ，p a r k ( 2 0 0 1 ) 研制了复合水槽并用于室内模拟。 其次，对于复杂地形对流边界层的模拟，水槽仍是一个很好的选择。刘辉志 等( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 利用水槽研究了底部加热的热对流特点以及背景风对城市街区 流场的影响；他们采用类似的方法研究了中性和稳定层结来流条件下的不对称山 谷热环流特征。刘和平等( 2 0 0 1 ) 矛l j 用同样的水槽模拟研究了香港城市复杂地形层 结大气的烟羽扩散。不久前，水槽也被用来研究上坡气流系统大气边界层结构和 空气污染的输j 差( r e u t e n ，2 0 0 7 ) 。袁仁民和孙鉴泞等在中国科学技术大学进行了一 系列均匀下垫面热对流边界层的水槽模拟，其研究着重于夹卷层，在边界层湍流 结构及夹卷参数化研究等方面得到许多新的认识和成果。 在边界层顶部夹卷层概念出现以前，在水中进行的非稳定穿透对流的实验室 模拟类似于对流边界层中的夹卷过程。实验模拟7 j n 热地面上空大气逆温层的抬 升( d e a r d o r f f e ta l ，1 9 6 9 ) ，研究了对流区域和上面的稳定区域之间的分界面，并解 释了抬升速率。实验结果表明在稳定区域底部温度起伏最大。分界面的平均高度 与边界层的热通量，与稳定层的温度递减率以及时间有关。事实上，那个时代的 实验为对流边界层厚度以及夹卷通量比等概念的形成提供了许多线索，尽管思路 不是很清晰。 在水槽模拟中，夹卷层通过平均温度和浮力通量的测量来确定，也可以通过 对扩展激光束穿过热泡的可视化观测来确定( d e a r d o r f f e ta l ，1 9 8 0 ) 。夹卷层中的负 通量区域被两个高度所限定，上面的高度是极少数具有较大动能的热泡所到达的 最大高度，下面的高度是混合层流体所占据的高度，通常是占据9 0 到9 5 的 面积。夹卷层中负的最大热通量所对应的高度大约处于混合层流体占据一半的位 置。 使用w i l l i sa n dd e a r d o r f f ( 1 9 7 4 ) 的对流水槽，d e a r d o r f f 细致研究了夹卷层的 特性包括夹卷过程、夹卷参数化。相对于混合层的厚度，夹卷层的厚度约为0 2 到0 4 倍，可见是相当重要的。随着总体理查逊数的增加，归一化的夹卷层厚度 明显减小，并逐渐趋向一个极值。无量纲夹卷率可以用0 2 5 ( r i ) - 1 很好的描述。 当顶部没有覆盖逆温的时候，中性层结的夹卷过程符合预期的夹卷率。然而夹卷 层厚度不能很好地用热泡理论来描述。 有了多探头和准直光束闪烁技巧的帮助，可以很清楚地看到并记录夹卷过程 ( 袁仁民等，2 0 0 1 ) 。为考虑自由大气对稳定度参数的影响，定义了一个新的理 查逊数，从而得到了一个新的描述归一化夹卷层厚度和理查逊数之间的关系式。 1 0 第一章绪论 基于新的关系式，水槽模拟的测量结果与野外观测实验的一致性非常好。同时， 基于新的理查逊数，夹卷率和夹卷通量的参数化的理论关系式与水槽模拟结果也 符合得很好。 水槽对于我们深入理解大气中发生的现象始终具有突出的优点。与数值模拟 相比较，水槽就是真实世界的一部分，能够产生真正的湍流，所以它能够用来研 究湍流的特性，包括湍流的发生，涡的结构，l a g r a n g i a n 相关矩和e u l e r i a n 相 关矩等。 除了前面提到的利用水槽获得的湍流认识以外，涡的结构，如大尺度结构等， 可以在水槽中重复进行研究。利用多探头测量，p t v 技巧以及光学方法，很容 易在水槽模拟边界层的底部和顶部捕捉到大尺度结构( 袁仁民等，2 0 0 0 ，2 0 0 2 ， 2 0 0 6 ；罗涛，2 0 0 8 ) 。底部的大尺度结构类似于实际大气近地面层的阶梯( r a m p ) 结构( a n t o n i ae ta l ，1 9 8 2 ) ，而顶部的大尺度结构类似于实际大气中的屋顶( d o m e ) 结构( k a i m a l ，1 9 7 6 ) 。水槽模拟边界层与实际大气也具有相同的结构函数特征和 概率分布特征。 在研究大气湍流的时候，大部分的实验技巧通常只能给出速度场的欧拉描 述。然而，由于污染物可以看作为流体粒子的示踪物，因而污染扩散现象很自然 地需要拉格朗日方法来描述。但是很少有关于这方面的测量( l u m l e y , 2 0 0 1 ) 。 q u e r z o l i ( 1 9 9 6 ) 使用尺度为4 1c m 4 1c m 的对流水槽测量了水平和垂直速度的拉 格朗日相关。根据这些测量，把拉格朗日积分时间尺度与欧拉积分时间尺度进行 了比较。比较的结果表明，对于整个边界层不能定义单一的拉格朗日和欧拉尺度 比。 各向同性湍流是一种简单理想的湍流，基于各向同性假设，人们发展了一些 理论。事实上，混合层中的湍流在水平方向几乎是各向同性的，而在垂直方向是 各向异性的( 罗涛，2 0 0 6 ) 。湍流在夹卷层中也是各向异性的。 由于实施野外观测的困难性、复杂下垫面上流动对外部干扰的敏感性以及数 值模拟分辨率的限制，我们对于复杂下垫面大气边界层结构和污染的理解仍然是 不完整的。水槽作为一个常规的手段能够用来研究复杂下垫面大气边界层的结构 和污染输送的规律。d e a r d o 卿w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 将水槽底部倾斜1 0 度用来研究斜压 混合层湍流。实验中观测到几乎在整个混合层都存在着类似于山谷风的回流。 m i t s u m o t o ( 1 9 8 9 ) 模拟了一个3 0 度的斜坡和紧挨着斜坡的平原，斜坡和平原把高 原和大海分隔开。作者设置温度层结为线形变化，底部加热均匀，大气温度具有 日周期的近似正弦变化。实验测量了二维的平均速度场，观测到了海陆风环流， 但没有观测到山谷风环流。实验表明斜坡一平原体系的流体环流是相当复杂的。 类似地，c h e n 等( 19 9 6 ) 模拟了1 4 度和2 7 度的斜坡以及