第五章风和湍流（课堂PPT）

第五章:风,和之前考虑的变量不同风既是标量又是矢量：既有速度又有方向风很难预报：平均风速的标准偏差系数是0.6也就是说60%风的变化是不可预报受大气传导力的影响至今讨论过浓度用浓度去计算通量不以浓度的形式去处理风在确定通量的传导力部分需要考虑风,1,大气混合,风或是由风引起的湍流对于生命是至关重要的。原因地表和上方大气的空气混合可以使气体浓度保持在一个稳定的水平。如何影响：炎热的夏天，每平方米有10kg的水蒸发进入大气假设扩散到100m以上，能使水汽浓度增加100gm-3或着水汽压将达到13.5kPa（Td=51.8）显然，其他过程可以使得水汽压更低,2,湍流,当风在两种类型的表面上吹过时就会产生湍流机械湍流由于风和陆地表面的摩擦作用产生热力湍流当表面空气辐射加热时由于浮力而向上运动产生,3,机械湍流和热力湍流,4,空气中的湍涡,大涡旋(米)小涡旋(厘米)分子运动(微米)湍涡由于不稳定很容易衰变最终，湍涡由于粘滞阻力而崩溃分子间相互碰撞因此，速度的能量最终以热量的形式释放,5,大湍涡崩溃为小湍涡,大涡旋里有小涡依赖速度来支持小涡里面有微涡直到粘连在一起Richardson,许多大气湍流理论都是他提出的,6,空气中湍涡的运动,CO2，热量,风向,CO2，热量,开始是大湍涡，变成小湍涡,开始是小湍涡，变成大湍涡,对流,7,风速的预报,风在空间上是可以预报的和之前讨论的温度随高度的变化类似风具有矢量的特征既有大小又有方向风速向量可以用坐标系描述u，v和wu是x方向的速度分量v是y方向的速度分量w是z（垂直）方向上的速度分量v和w方向上速度的平均为0,8,风速的空间变化,和温度廓线类似由于大湍涡更有效，所以风速随高度的变化是微小的小湍涡在能量和热量的传递中效率低,9,风速廓线的自然对数变换,和温度分析类似，我们用高度的关系式来预报风速,u*是摩擦速度z是地表以上的高度d是零平面位移Zm是动量粗糙参数0.4是卡尔曼常数,10,参数的解释,摩擦速度u*表征风对地表摩擦作用的参数粗糙高度Zm由于地表对其相互作用的那层空气有拖曳力和摩擦力而产生零平面位移d考虑到接触表面有一定的粗糙度,11,12,d和Zm的计算,左图表明不同冠层中d和Zm的变化对于叶面积指数为3的冠层d=0.65hZm=0.1h,13,例5.1,在高度为40cm的植物冠层上方放置4只风速表测定风速，以获得风廓线，这些风速表应在怎样的高度能获得最多的风廓线信息？,14,解答,1）风速表按对数间距放置可获得最多信息。2）若顶部风速表放在d+zm上方2m处，则其余高度分别在d+zm上方1、0.5、0.25m。3）d=0.65h=0.650.4=0.26m所以上述高度应当是距地面0.51、0.76、1.26和2.26m,15,例5.2,高尔夫球场草的高度3cm，其上方3m测定的平均风速是2.7ms-1，问草坪表面的风速是多少？,16,解5.2,1）求d=0.65h=0.650.03=0.02mzm=0.1h=0.003m2）3）对所有高度，u*为常数,17,冠层内的风,风速模型表明了地表以上的风速为0显然，模型对于冠层以上的高度也是有意义的冠层内的风速不为0可以用以下方程来模拟：,h是冠层高度a是作物衰减系数z是距离地表的高度,18,冠层风速,代表了上方90%的冠层底部10%的风可以用以上所给的廓线方程去模拟,19,20,衰减系数的估算,Goudriaan(1977):冠层内叶片之间的平均距离草类叶：方形叶：,植被覆盖越密集，效果越好,21,22,例5.3,在2m高玉米冠层中，如果作物顶部上方1m处的风速为4.6ms-1，则距地面1m处的风速是多少？,23,解5.3,1）z=3m，d=0.72=1.4m，z