（大气科学专业论文）边界层夹卷参数化及光学湍流特性的室内模拟研究.pdf

摘要 摘要 本文利用室内水槽模拟均匀下垫面大气对流边界层。利用模拟的结果，通过 分析夹卷层的结构特征，结合实测数据，研究了均匀下垫面对流边界层的夹卷参 数化和光学湍流特性。 夹卷过程是夹卷层最为重要的物理过程，其对边界层的发展及边界层中的各 种大气现象等都存在着非常重要的影响，是对流层与自由大气之间物质和能量交 换的重要机制。对于夹卷过程，通常使用夹卷参数化进行描述，包括夹卷通量参 数化，夹卷率参数化和夹卷层厚度参数化。但是现有的夹卷率和夹卷层厚度参数 化方案存在很多不足，不能很好的解释模拟和实测数据。本文利用水槽模拟和野 外观测数据，对夹卷参数化进行了研究，得到了新的物理意义完善的理查森数方 案，基于该理查森数方案的夹卷率和夹卷层厚度参数化，可以很好的解释现有数 据。本文得到的主要结果如下： ( 1 ) 利用水槽模拟数据，对夹卷通量参数比进行了统计研究；对水槽模拟边 界层的发生发展进行了分析，结果表明与实际大气的情况较为接近；对比研究了 水槽模拟和数值模拟的边界层发展，两者的致性很好，验证了水槽模拟的可靠 性； ( 2 ) 通过分析夹卷层的结构，引入了简化的夹卷层模型和新的夹卷层温度跃 迁特征量，并得到了新的理查森数方案和夹卷率参数化方案。新的理查森数方案 包含了逆温层梯度和自由大气稳定度的影响，物理意义更完善。新的夹卷率参数 化方案避免了已有方案的缺点，与水槽模拟结果的一致性很好； ( 3 ) 分析了现有夹卷层厚度参数化方案的不足，利用简化的夹卷层模型和新 的理查森数方案，提出了新的夹卷层厚度参数化方案。该方案与水槽模拟和实测 数据的致性很好。对比研究现有参数化方案的参数化结果表明，在实际大气的 复杂情况下，本文提出的新方案适用性最好。 现有的边界层温度结构研究中，由于观测不易，对边界层中高层尤其是夹卷 层了解较少，已有结果也缺乏翔实有效的实验验证。本文使用水槽成功的对光学 湍流进行了模拟，利用实验得到的光斑图样对光学湍流特性进行了研究，对已有 研究结果进行了验证，并通过分析大尺度结构的影响，对夹卷层温度结构特征进 行了研究。类似研究尚未见报道，得到结果如下： ( 1 ) 利用光斑数据对边界层各向同性湍流特征进行了研究，加深了对边界层 尤其是夹卷层的湍流特征的了解。研究表明，混合层在水平方向较为接近各向同 摘要 性，而在垂直方向较为偏离；夹卷层偏离于各向同性湍流，湍流特性与对流状况 密切相关； ( 2 ) 使用光斑数据，对现有的温度结构常数行为的研究结果进行了验证。结 果表明，混合层标度律方案具有可靠性，而夹卷层方案并不能很好的解释夹卷层 温度结构常数的行为。本文提出了一种新的夹卷层温度结构常数相似律公式，得 到了模拟和实测数据的支持； ( 3 ) 在前述研究的基础上，进一步分析了夹卷层结构和大尺度结构的活动。 使用小波变换方法对对数光强进行了多尺度分解，研究了不同水平尺度结构的活 动特征，从而对光斑进行了大尺度结构分解。利用光斑大尺度结构分解，通过将 温度结构常数分解为大尺度结构贡献部分和各向同性小尺度结构贡献部分，并对 这两者的贡献分别进行相似律归一化，成功的解释了夹卷层温度结构常数的行 为，同时提出了一种可以解释夹卷层温度结构常数廓线行为的相似律方案。 ( 4 ) 根据温度结构常数的混合层标度律，提出了一种适合于室内水槽模拟的 光闪烁测量方法，该方法相比常用的热通量方法，具有实时性和可靠性。 构。 关键词：大气对流边界层，夹卷层，夹卷参数化，温度结构常数，大尺度结 h a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，n a t u 1 1 d e r l y i n g s u 血c ec o n v e c t i v eb o u n d a 巧1 a y e ri ss i m u l a t e di 1 1 l a b o r a t o r ys i m u l a ：t i o nt a i l l 【u s i l l gt l l es i m u l a t i o nr e s u l ta n df i e l dm e 嬲u r e m e n td a 瞳a ， b ya 1 1 a l y z i n g m es t m c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f也ee 曲面i l i i l e n t 1 a y e r t h e 聊狮e t e r i z a t i o n so fe n 仃a i l l i i l e n tp r o c e s s 觚dm ec h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a lt u r b u l e n c e a r es t u d i e d t h ee n 仃a i m e n tp r o c e s sp l a y sak e yr o l ei n t 1 1 es t m c t u r eo fa t m o s p h 嘶c b o u l l d a r yl a y e r ，a i l di st h em a i nm e c h a n i s mo ft r a n s m i s s i o no fm a s s 觚de n e r g y b e t w e e nt h em i x e d 1 a y e ra 1 1 d 也e 蠡e ea 恤o s p h e r ea l o f t h o w e v e r ，t h i sp r o c e s sc a l ln o t b es 0 1 v e d e x p l i c i t l y i n g e n e m l c i r c u l a t i o n o rm e s o s c a l e m o d e l s ， t 1 1 u s p a r 嬲咖i z a t i o n s a r e n e e d e d ，i n c l u d i n g 也e p a r a m e t e r i z a t i o n o fe n t r a i l l i n e n t n u x ，e n t r a i r u l l e n t r a t ea n de i l t r a i l n e n tl a y e rd 印t h h o w e v e r ， t 1 1 e e x i s t i n g p 粼t e r i z a t i o ns c h e m e sf o re n t r a i 嫩e n tr a t ea n de n t r a i m e n tl a y e rd e p t h a r ef a u l t y ， t h u st h es i m u l a t i o na n df i e l dm e a s 眦e m e n td a t ac a n tb ec o n s 眦吼a t e l ye x p l a i n e d i n t i l i sp a p e r ，b yu s i n gd a t a 舶mt 砌：s i 眦l a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n t ，t h ee n t r a i 姗e n t p a r a m t e r i z a t i o n sa r es t u d i e d an e w r i c h a r d s o nn u m b e rs c b e m ei so b t a i n e da u l db a s e d o nw l l i c h ，n e wp a r 锄e r i 臻t i o ns c h e m e sf o re n t r a i 眦e n tr a | t ea n de n t r a i 眦e n tl a y e r d e p t ha r ea c h i v e d t h ee x i s t i n gd a t ac a nb ew e l le x p l a i n e db yn e wp a r 锄e t e r i z a t i o n s c h e m e s t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ( 1 ) u s i n gt a i l ks i m u l a t i o nd a t a ，p a r a r q t e r i z a t i o nr a t i o so fe n t r a i 【m l e n tn u xa r e s t a s t i c a l l ys t u d i e d ；t l l ea n a l y s i so fm es i m a l t a t e db o u n d a r ) rl a y e rs h o w st h es i m u l a t i o n i sc l o s et ot h er e a la t i l l o s p h e r e ；t h en l n h e rc o m p a r i s o ns t i l d yb e t w e e nt 砌【s i 舢l a t i o n a l l dn 啪e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wg o o da g r e e m e n tw i t he a c h0 m e r s ，w h i c hv a l i 妣e s 也e r e l i a b i l i t yo f 伽出s i m u l a t i o n ( 2 ) b ya n a l y s i st h es t m c t u r eo fe n t r a i l u l l e n tl a y e r ，as i m p l i f i e dm o d e lo ft h e e 加商m e n tl a y e r 觚dan e wt e m p e r a t u r ej u 】n p s c a l eo fe n t r a i m e n tl a y e ra r e i n 臼0 d u c e d ，s u b s e q u e n t l y an e w砌c h a m s o n n u m b e rs c h e m ea 1 1 dan e w p a r a 瑚t e r i z a t i o no fe 船a i 伽e n tr a t e t h en e w 黜c h 矾s o nn u m b e r e m b o d y i n g 也e 砌u e n c e so ft h cs t r e n g t ho fi n v e r s e1 a y e ra n dm ef r e ea t m o s p h e r es t r a t i f i c a t i 0 1 1 ，l l a s c o n 翻l m m a t ep h y s i c a lm e a n i n g ；t h en e wp a r a t e r i z a t i o ns c h e m eh a sag o o da g r e e m e n t 谢t l lt a 玎s i m u l a t i o nr e s u l t s ( 3 ) t h ei n s u 伍c i e n c i e so fm ee x i s t i n gp a r a m t e r i z a t i o n 心h e m e sf o r e n t r a i m e n t i i i a b s t r a c t l a y e rd e p t ha r ea n a l y z e d a n dt h e n ，b yu s i n gt h es i m p l i f i e dm o d c lo fe n t r a i r 蛐e n t l a y e r ， an e wp a r 锄e t e r z a t i o ns c h e m ei si 腑o d u c e d t h en e ws c h e m eh a sag o o d 矩乒e e m e n tw i t l lt 加ka n df i e l dd a 舾t h ec o m p a r i s o nb e t 、v c e nt 1 1 ee x i s t i n gs c h e m s s h o w s ，m en e ws c h e m ei sm o r e 印p l i c a b l eu n d e rc o n l p l e xc o n d i t i o i l s i nr e a l a 缸n o s p h e r e b e c a u s eo ft h ep a u c i t yo fr e l i a b l em e a s u r e m e n t si nm ei m e r f a c i a ll a y e r ，n l e t e m p e r a ：c u r e 姗t u r eo ft h em i d - a n du p p e r - r e g i o no fa t m o s p h e r i cb o u n d a r yi sn o t w e l lu n d e r s t o o d i nt h i sp a p e r ，t h ed e t a i l so ft e m p e r a t u r es t m c t u r ei nt h ec b la r e i n v e s t i g a t e dv i s u a lo b s e r v a t i o n so fp e n e 仃a t i r 培n l et a l l l ( u s i i l gm ec o l l i m a t e dl a s e r b e a i l l b yu s i n gt l l ec o l l e c t e db e 锄p 撒e m s ，t h eo p t i c a lt u r b u l e n c ec h a r a c t e r i s t i c s a n dm ei n n u e n c e0 fl a 玛es c a j e s 饥l c t u r eo nt e m p e 咖s t n l c t u r ep a r 锄e t e ra r e s 伽d i e d t h em a i nr e s u l t sa r es u 脚m a r i z e da sf o l l o w ( 1 ) t h ei i l ：h o m o g e n e i t yo fa t m o s p h e r i cb o 吼d 哪l a y e ri s s t u d i e du s i n gb e 锄 p a ：t t e m s ，w h i c hg i v e saf u 州k rr e v i e wo nt h ec h a r a t e r i s t i c so fa _ 咖o s p h e r i cb o l l r l d a r y l a y e r e s p e c i a l l y l ee n t r a i m e n tl a y e r s t u d i e ss h o w ，m em i x e d1 a y c r i s q u i t e h o m o g e n e o u si nh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，a n da l i t t l ei n h o m o g e n e o u si nv e r t i c a ld i r e c t i o n ； 廿l ei n h o m o g e n e i t yo fe m r a i n m e n tl a y e rr e l i e so nt h ec o n v e c t i v ec o n d i t i o l l s ( 2 ) u s i n gb e 锄p 砒e m s ，m eb e h a v i o ro ft e m p e r a t u r es t r u c t u f ei n c o n v e c t i v e b o 眦d a 巧l a y e ri ss t u d i e d r e s u l t ss h o w ，w y n g a a r d sm i x e d l a y e rs c a l i n gl a _ wh a sa g o o dv a l i d i t yi nt a 】 1 l ( d a t a ；h o 、v e v e r ，m ee n t r a i n m e n tl a y e rs c a l i n ge x p r e s s i o ni sn o t r e l i a b l eu n d e ru n s t a b l ec o n d i t i o n b a s e do nt h er e s u l t so fs i n m l a t i o na r l d f i l e d m e 嬲u r e m e n t ，an e wd i m e n s i o n l e s se x p f e s s i o ni si n t r o d u c e d ( 3 ) b a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e ds t u d i e s ，m ee m r a i l u n e n tl a y e rs t n l c t u r co f e n l l a i 姗e n tl a v e ra 1 1 dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a 玛es c a l es t n l c m r ea r ed i s c u s s e d b y m i 耶d i s c a i ed e c o n l p o s i t i o no fl o g - i n t e n s i t yu s i n gw a v e l e t 位m s f o 册m e t h o d ，t l l e c h a r a t e r i s t i c so fs t m c t u r e sa td i 行e r e ms c a l e sa r ea 1 1 a l y z e d ，w i l i c hi n t r o d u c e sal a 唱e s c a l ed e c o m p o s t i t i o nm e t h o df o rl o g i n t e n s 吼1 1 1 u s ， t h et e m p e r a t u r e咖c n 鹏 p a 鹏m t e rc 觚b ed e c o m p o s e di n t 0t h ec o n t r i b u t i o no fl a r g es c a l es t r u c t u r e sa n ds m a l i s c a l es t n i c t u i e s b yn 0 肌a l i s i n ge a c hp a r t ，t l l eb e h a v i o ro ft h et e i n p e r a t u r es t m c 彻e p a 翔m e t e ri nm ee n t r a i m e n tl a y e ri sw e l le x p l a i n e d a n dan e ws c a l i n gs c h e t i l e i s i n t r 。d u c e d ，w h i c hc a r ie x p l a i nm eb e h a v i o ro fm et e m p e r a t u r es 咖c t l l r ep 踟嘶 p r 0 i e i l ei nt 1 1 ee n t r a i f m l e n tl a y e r ( 4 ) b 嬲e do nm em i x e d l a y e rs c a l i n gl a wo f m et e m p e r a t u r e 咖c t u r ep 踟e t e r ， am w o p t i c a li n e t h o d t 0e s t i i i l a t et u r b u l e mv a r i a b l e si nt a | 伙s i m u l a t i o ni si 曲d u c e d ， w l l i c hi sm o r er e a l t i m e 锄dr e l i a b l et i 姗c o m m o n l y - u s e d h e a t n u x p r o f i l em e m o d k e y w o r d s ： a t m o s ：h p e r i c c o n v e c t i v e b 0 吼d a 巧l a y e r ； e n t r a i m e n t l a y e r ； e n 砌i u l l e n t p a r a m e r i z a t i o i l ；t e 册p e r a n 鹏咖c t 眦p 锄n e t e r ； l a r g e s c a l e s t r l l c t i l r e v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 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 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 训身r 2 ，7 作者签名：噬 伽吕年r 月叫日 叉 c 、伙 5 弋 勾 弧沙 一 第一章前言 第一章前言 1 1 大气边界层概述 对流层中靠近地面、直接受地面影响的那部分，它响应地面作用的时间尺度 一般为1 小时或更短，其厚度通常为地面向上1 - 2 公里，它与一般的固壁边界层 类似，这一层称为大气边界层，有时也称为行星边界层。 接下来将简单介绍大气边界层的概貌和对流边界层的发展变化。 1 1 1 大气边界层的一般特征 1 八卜一1 l 一 ( a ) ( b ) 图1 1 1 陆地近地面( a ) 和海上( b ) 测量的温度变化曲线 陆地边界层特征之一是近地面许多参数存在日变化，如图1 1 1 ( a ) 所示的温 度日变化。另外象边界层的厚度、折射率结构常数、湍流动能等也都存在着日变 化( y a m a d a a n d m e l l o r ，1 9 7 5 ) 。而海洋上几乎看不到日变化，如图1 1 1 ( b ) 所示。 图1 1 1 上的横坐标为日期，0 2 0 3 表示1 9 9 9 年2 月3 日，纵坐标为气温。 图的测量地点在较平坦的地面上，测量高度为离地面2 米；图( b ) 的测量地点 在中国东海海面东经1 2 3 0 ，北纬3 0 0 附近，测量高度为水面上方1 0 米。 大气边界层的另一重要特征是大气几乎总是处于湍流运动状态。湍流是一个 重要的输送过程。陆地日变化是由于地面响应太阳辐射变热和变冷，通过湍流输 送而形成的。 边界层除了这两个主要特征外，还有云、雾等边界层特有现象。 第一章前言 1 1 2 大气边界层基本结构 图1 1 2 陆地边界层的结构和日变化( 仿照s t u l l ，1 9 8 8 ) h 2 差。一7 f h o 1 k 遗面压 l u8 b 图1 1 3 大气对流边界层的风速“，位温口，和浮力通量b 的垂直廓线 2 第一章前言 通过1 9 7 3 年的m i r u l e s o t a 实验研究和之后的一系列大气边界层实验研究 ( c a u 曲e ye ta l ，1 9 7 9 ) ，我们才比较清楚地认识了大气边界层的结构。 陆地边界层的结构和日变化如图1 1 2 。从图中可以看到边界层具有轮廓明 显的周日循环发展的结构，这种结构主要分三部分，它们分别是对流混合层、残 留层和稳定边界层。下面着重介绍对流边界层的一些基本特征。 大气对流边界层的发展一般是在日出后一小时开始的，中午达到最厚。根据 边界层的湍流结构特征，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，见图1 1 3 所示。图中给出了平均风速、平均位温 口和浮力通量b 沿高度的变化廓线。 这里位温秒和温度的关系式为 目= 丁( 1 0 0 0 尸) 尺7 c ，( 1 1 1 ) 其中，r 温度( k ) ，尸气压( m b ) ，r 为干空气气体常数( _ 2 8 7 0 4 肛。1 姆卅) ， c p 为定压下的干空气比热( _ 1 0 0 4 6 7 胚_ 1 堙。1 ) 。通常用下面更简单的式子表示 秒= r + o 0 9 8 z ( 1 1 2 ) z 为相对于10 0 0 m b 的测量点高度( 单位：米) 。 浮力通量b = 驴w 秒，g 为重力加速度，为空气的热膨胀系数。浮力通量 随高度向上线性减小，到一定高度z ，处，减小到负的最小值，然后又逐渐增加。 z 。就定义为对流边界层的高度，也对应着位温廓线上常位温和逆温的交界面处。 对于边界层厚度的确定除了这儿所说的热通量廓线法和温度廓线法外，通常还有 两种方法，一是位温梯度最大值所对应的高度，另一个就是温度结构常数最大值 所对应的高度。 贴地层为接近地面只有几厘米的空气层，该层中分子粘性的作用超过湍流输 送。地表的细致结构对该层大气运动的影响很大，给贴地层的研究带来了特殊的 困难。 近地面层是地面向上至m o n i n - o b u k h o v 长度三( = 一甜3 乙帆3 ，其中玩摩擦 速度；互边界层高度；七= o 4 ，v o n 胁n 如常数) 高度这一段范围内，通常在5 0 米左右。该层主要受地面摩擦影响，风速随高度逐渐增加，位温随高度逐渐减小， 为超绝热递减层，强不稳定。在近地层中存在许多小尺度的结构，例如，热羽、 辐合线等。 热羽是具有一定直径和深度的暖上升气流的相干垂直结构，其深度相当于近 地层高度。形成热羽的主要原因是浮力强迫，它的结构受周围的平均风场影响， 其纵向尺度与横向尺度之比大约为8 ：l 。 地面辐合带主要存在于不稳定近地层大气中，并且相互连接成网状，在这些 第一章前言 网状结构的网眼中存在着大范围的弱下沉气流。利用多普勒雷达可以对其进行测 量。在辐合带上方上升的空气片有时候会形成尺度较大的热泡。 近地面层以上到0 1 z 为自由对流层。该层主要受浮力控制。平均风速和位 温与高度有关。 从o 1 互到约0 8 z 。的范围是混合层。混合层的主要特征是湍流强烈混合，充 分发展。该层内垂直方向上性质差别不大。因为强烈的混合会给温度和湿度等变 量造成一个几乎不变的分布，甚至混合层大部分范围内的风向风速也是均匀的， 因此混合层也称完全混合层。在这一层内机械湍流主要作用是进行水平混合，而 热力湍流主要作用是进行垂直混合，因此热力湍流的混合作用比机械湍流更充 分。 在边界层顶部是夹卷层，其范围一般处于0 8 五一1 2 z ，该层为逆温层。混 合层中的涡旋上升到边界层顶部的逆温层中形成的夹卷过程影响着这一层的湍 流结构。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。 在混合层中往往存在有热泡，它是浮力上升空气形成的具有一定尺度的气 柱。热泡上升气流和对应的下沉气流形成对流环，其垂直尺度和水平尺度分别大 约为0 9 互到1 5 五。 因此清晨热泡有直径1 0 0 米的量级，而傍晚时候当混合加深时，热泡直径能 有1 0 0 0 2 0 0 0 米。热泡的垂直速度一般为l 2 i i 以，有时能达到5 l n s 或更大。 有时热泡会超射进入夹卷带，受到负的浮力的抵抗，造成上升热泡的减速，最终 下降回混合层。这个过程叫做贯穿对流。贯穿对流过程和热泡的超射造成自由大 气大气块被卷入混合层，导致混合层厚度增加。 在混合层中还存在横向夹卷过程，热泡的外部气块水平混合进入热泡。热泡 中心是一个未被环境影响的核心，围绕这个核心是一个形状不规则的、变化的扭 曲厚层。被卷入扭曲厚层的环境空气与热泡中的空气部分混合，所以其没有明确 的边缘。热泡在混合层上升过程中并不是一直保持柱状结构，有分裂、融合与弯 曲。 1 1 3 对流边界层演变的一般特点 尽管实际边界层的下垫面复杂多变，但对于白天受太阳加热的对流边界层来 说，边界层的发生发展基本上是相似的。 在周日循环中，对流边界层厚度增长往往有4 个阶段： ( 1 ) 浅边界层形成，并缓慢加厚： ( 2 ) 边界层急剧增长； ( 3 ) 形成接近常值厚度的边界层； 4 第一章前言 ( 4 ) 湍流衰减。 边界层增长见图1 1 4 。 桨 v 蜊 挺 地方时间( 小时) 图1 1 4 边界层高度变化示意图 ( 仿照m a l l a f te ta l1 9 7 6 ；w i l d ee t a l ，1 9 8 5 ；n e l s o ne ta l 1 9 8 9 ) 图中的a 线 和c 线分别代表夹卷层的顶和底，b 线表示边界层的平均厚度刁) 清晨，边界层很薄，从静风时几十米厚到多风时2 0 0 米厚。开始时有夜间强 逆温层存在，边界层增长缓慢，有时也把第一阶段称为夜间逆温消散。 午前，夜间冷空气已经变暖，其温度接近残留层温度，边界层逐渐上升到残 留层底。因为这里实际上没有覆盖在混合层上的稳定层，热泡可以急剧向上穿透， 使边界层顶部以每1 5 分钟约1 0 0 0 米的速率上升。 午后，当边界层到达残留层项部时，在边晃层顶部的强覆盖逆温层对垂直运 动的热泡产生强大的阻力，于是边晃层增长率迅速下降。此时属于第三阶段，边 界层厚度在午后变化不大。边界层厚度增长缓慢的原因与夹卷和下沉的过程有 关。当然，不同地方的边界层厚度取决于当地的天气条件。 日落时，对流湍流产生率已经减少，湍流的耗散大于生成( n i e u w s t 础e ta 1 ， 1 9 8 6 ) 。在没有风速切变的情况下，湍流的衰减很快，这其中温度脉动衰减最快， 而速度脉动衰减较为缓慢。这时靠近地面附近已经有逆温层生成，边界层的上面 部分就是前面所说的残留层。 平均边界层厚度的增长率可以用下式表示 拿吨+ 耽 ( 1 1 3 ) 出 。 、 第一章前言 式中比为夹卷速度，表示在单位时间单位面积内稳定层流团下降到混合层 的体积通量，夹卷速度不会为负值，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。由此可以看到边界层厚度的增长主要与近地面层的热通量、混 合层的平均位温、边界层的高度、边界层顶部逆温强度等因素有关。 实际边界层厚度在平均值附近变化，满足高斯分布( b e ) r r i c he ta 1 ，19 9 8 ) 。 本节简要介绍了边界层的一般特征，下面将对边界层的温度场结构进行概 述。 1 2 大气边界层温度场结构特征 根据现有的湍流理论知识和光传输的应用需要，温度场结构主要研究边界层 中温度结构常数的空间分布以及边界层不同部分温度脉动谱的特征。 到目前为止，边界层中较广泛应用的湍流理论主要是k b l m o g r o v 关于局地 均匀各向同性湍流理论，它也是大气边界层中光传输的理论基础。但随着研究的 深入和研究范围的扩大，不断有不符合该理论的实验结果报道出现。 本节将对大气对流边界层不同部分的相似关系( 尤其是温度结构常数c ；的 相似关系) 和湍流谱的研究进展进行综述。对于温度场的研究，通常把温度看作 保守被动量( 1 乱a r s l ( i i ，19 7 8 ) ，这在大气边界层一般情况下是成立的，但由于温度 决定了浮力，对湍流状态产生影响，在对温度场进行分析的同时有必要考虑某些 动力过程。因此本节在介绍温度场结构的同时也介绍了速度场的结构。 1 2 1 温度结构常数c ； 与光传输有密切关系的湍流参数为温度结构常数c ；，传统的观点是系综平 均。由于间歇性和相干结构的发现，现代的观点认为温度结构常数是局地平均量 ( t a t a r s k i i ，1 9 8 7 ；p e l t i e re ta l ，1 9 9 5 ) 。因此根据传统温度结构常数的定义 【丁( j ，f ) 一丁( 碧+ 尹，) 】2 = 砰，2 邝= 1 6 占- 1 门z 7 ，2 仃( 1 2 1 ) ( 上式假定满足局地均匀各向同性的条件且在惯性区内) ，来定义局地温度结 构函数( p e h i e r e ta l ，1 9 9 5 ) 露一( 爵) q 仃( 薪) ， ( 1 2 2 ) 式中，g 为能量耗散率，筋为温度平滑率。波浪号表示局地平均。 t ( 硝= 古巩i ，v 等等( ”孙彬州彬 ( 1 2 3 ) ( 脚心j ，r ，f ) = 古巩l 0 ，当大气不稳定时，三 o ) 下的 谱，按z 三展开，而对于不稳定条件( 三 1 ) 得到的数据支持这一观 点。 利用量纲分析，温度结构函数由下式简单计算得到 砰防协导骊) 之仃z 4 n ( 1 2 1 4 ) 吼p ，= 秒( 1 + o 6 1 r ) r 为水汽和干空气的质量比。当秒优时( 曾宗泳等，1 9 9 9 a ) ， c r 2 眵硎3 q 0 4 门z - 4 ，3 ( 1 。2 1 5 ) ( 1 2 1 6 ) 第一章前言 中。 由于自由对流层的高度不明确，自由对流层的湍流谱特征还没有见于文献 1 2 4 混合层特点( m i x e dl a y e r ) k a n s a s 实验留下了许多有关近地面层尚未解决的问题，其中包括u 和v 的 功率谱的低频行为以及一三以上的局地自由对流能达到多高等。直到1 9 7 3 年， 人们对大气边界层的认识仍然是很少的，只是p a j l o f s k y ( 1 9 7 3 ) 预言有一个边界层 厚度的存在。如果p a n o f i 出y 的预言是正确的话，那么在边界层的上面应该总是 存在着逆温层。1 9 7 3 年的m i 彻e s o t a 实验就是为了解决这些问题而进行的。之后 又有一系列的边界层实验于1 9 7 6 年七月在a s h c i u 聃h 和w r o r c e s t e r s l l i r c 完成 ( c a u 曲e ye ta l ，1 9 7 9 ) 。 混合层是处于o 1 z ，到o 8 z 。范围( 但也有把从地面至夹卷层中部z ，高度处的 整个范围称做对流混合层) 。该层不仅受到近地面的影响，而且还要受到夹卷层 的影响。 混合层中浮力产生的对流使垂直方向变得均匀，因而表现为位温、风速和湿 度等参数沿高度几乎不变。 1 2 4 1 混合层中的相似关系 m o n i n o b u k h o v 相似关系为近地面层大气气象参数分布的半经验关系，但只 能近似地应用于地面以上l o 一1 0 0 米的高度。基于这个经验关系的启发，人们又 提出了应用于混合层的相似关系( d e a r d o 或1 9 7 0 b ) ，并得到了1 9 6 7 年的w a l l g a r a 实验、1 9 6 8 年的k a n s a s 实验和1 9 7 3 年的m i i l e s o t a 实验数据的初步验证( s o 捌a l l 1 9 8 6 ) 。当混合层湍流主要受浮力控制并且在混合层项有一个明显的逆温盖时， 对流速度毗和边界层高度z ；是所有变量中最重要的尺度。此外，当考虑热量、 水汽和动量通量时还应把特征位温见、特征湿度g 。和特征速度甜包括进去。因 此在研究混合层内湍流特性时通常使用的特征尺度和典型量级为 边界层高度z 。，其量级为0 2 k m 2 k m 对流速度= w 玑z j ( g 丁) 】l ，3 ，其量级为2 n 以 特征位温见= w 口。m ，其量级为0 1 k 特征湿度吼= w g ，毗，其量级为0 1 咖3 特征速度玩= 甜，碱，其量级为o 0 2 l i l s 根据量纲分析可以得到对流混合层的相似关系。 平均量的相似关系： 一 盎，r 风速：土学= o( 1 2 1 7 a ) 1 2 第一章前言 愠嚣= 。 贼考署叫g 0 2 ( 1 2 1 砌 ( 1 2 1 7 c ) 其实，在混合层中，平均风速和位温在垂直方向的分布并不是完全均匀的， 因为混合过程不是在瞬间完成的，而且混合过程还受到夹卷层和近地面层的影 响。例如位温总是在混合层中部出现最小值，因为从下面加热和从上面夹卷下来 的暖空气，会在近地面上方和混合层上部产生稍高一点位温。而湿度往往随高度 略有下降，因为地面蒸发增加下面的湿度，干空气夹卷出现在混合层顶部。因此 w 如g a n d 和b r o s t ( 1 9 8 4 ) 提出了一个叫t 0 p d o w n 和b o t t o m - u p 过程的理论模式， 这些过程受混合层底部和顶部通量的驱使，在整个混合层表现为不对称的结构。 根据这个方法得到污染物浓度c 随高度变化关系 答：一o 4 堕( 三) 纠z + 堕( 1 一三) 吲2 ( 1 2 1 8 ) o z w z iz iw z i z i 类似的通量相似关系为： w z “订7 4 z 甜，s z l 甜，w jz l 等：1 一三+ 孥三 ( 1 2 1 9 )= = = l 一一十= = = - 一 i j 二1 7 ， 韶7 乡， 互“口7 。磊 、 。 矗g 1 z t “q 。z l z u iq i sz l u i q lsz i 式中，下标j 表示近地面层，下标z j 表示边界层顶。 方差的相似关系 温度结构函数的相似关系 o = c 娜t 予| u j = c o 憾t v w 2 = 1 8 ( z 刁) 27 3 ( 1 一o 8 z 弓) 2 ( 1 2 2 0 ) 列幺2 = 1 8 ( 衫z f ) 圳3 矿g 。2 = 1 8 ( z 乞) 圳3 等叫m 广 m 2 埘， 式中，么为常数，可取为2 7 ( w y n g 跚d e ta l ，1 9 7 1 b ) 。 混合层内，无量纲耗散率几乎为常数 第一章前言 占( g 丁) q 0 o 4 0 7( 1 2 2 2 ) 上述的相似关系给实际应用带来了极大的方便，然而这些经验理论并未得到 广泛的证实。它们合理性的前提在于对混合层结构和混合层动力过程的正确认 识，而现有的关于混合层结构和混合层动力过程的描述都是一些经验模式，如上 面提及的两种：( 1 ) 只考虑近地面层加热的简单混合层模式，( 2 ) t o p d o 啪和 b o 们m u p 过程的理论模式，还有的模式考虑了整个边界层辐射冷却( l o c ke ta 1 ， 1 9 9 9 ) 等。因此混合层中的相似关系的普遍性推广还有许多工作要做。 1 2 4 2 混合层中的湍流谱 薹 邑 氅 堇 s 窖 蓄 奢 管 f 毛n 卅 图1 2 3 用混合层相似坐标表示的速度谱普适曲线( 纳mk a i l n a l ，1 9 7 6 ) k a i m a le ta 1 ( 1 9 7 6 ) 和y 0 n g ( 1 9 8 7 ) 对混合层中的湍流进行了测量分析。混合层 的速度谱如图1 2 3 所示，横坐标为归一化的频率，纵坐标为归一化的功率谱密 度，图中的数字表示z 乙，沙表示无量纲湍流能量耗散率( 盯蛾) 。湍流速度 谱的低频部分曲线随着z z ，变化而扩展，其中垂直方向速度谱扩展得最大。由 图上可知，惯性区的谱密度不随高度变化，谱峰频率几乎为常数。 混合层内的温度谱不能很方便的用混合层的相似理论进行归一化，这主要是 由于混合层顶部的夹卷引起的温度方差的变化( k a i r n a i ，1 9 7 6 ) 。温度谱( 非归一化) 1 4 第一章前言 的低频部分，高频部分谱密度与高度有关，随着高度增加谱密度逐渐减小，到 0 5 毛o 7 z ，处达到最小值，超过o 7 z 。以后，高频部分谱密度随着高度的增加而 增加，如图1 2 4 所示。尽管如此，k a i m a l 实验得到的温度谱高频部分的幂率仍 很好地符合“一5 3 ，但也有利用飞机在混合层上部进行温度测量得到的谱偏离 了“- 5 3 定律 ( 曾宗泳等，1 9 8 3 ) 。从这里也可以看到混合层的温度谱与“5 3 定律的偏离。 百、 o o c o c n ( h z ) 图1 2 4 混合层内的温度谱曲线 1 2 5 夹卷层( e n t r a i n m e n tz o n e ) 对于夹卷层的研究，通常利用飞机、气球或声雷达进行实际大气观测，取得 可供分析的资料不多。由声雷达的数据进行边界层结构的反演有多种方法，相互 之间并不完全一致( b e 蜘c h ，1 9 9 6 ；b e 州c he ta l ，1 9 9 8 ) ，