模拟的对流边界层大气光学湍流的尺度分析

【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(150cm×150cm×60cm)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。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。得到如下结果:1均匀下垫面与非均匀下垫面边界层混合层的峰值波长普遍偏小且基本保持不变,而到了夹卷层,峰值波长逐渐变大,在Zi高度左右会出现一个峰值。说明在混合层内部,能量集中分布在小尺度湍流上,此时小尺度湍涡占主导地位。随着下垫面的加热,对流活动旺盛,这些小尺度湍涡被对流挟带向上运动进入夹卷层,受顶部逆温层的影响被迫向水平方向拉伸,结果形成了水平尺度较大的湍涡。2均匀下垫面和非均匀下垫面边界层其混合层的平均峰值波长与Ri关系不明显,说明混合层的湍涡尺度基本不受热对流的影响。夹卷层的平均峰值波长与Ri呈明显的反相关,其关系受对流活动及下垫面非均匀性的双重影响。在Ri较小时,各类型下垫面边界层曲线符合比较一致,此时主要受对流活动的影响,Ri越小,对流活动越强,此时进入夹卷层的小尺度湍涡越多,向水平方向拉伸形成的结构尺度就越大;在Ri较大时,曲线特征随着下垫面类型的不同相互分离,此时非均匀性的影响占主导地位,非均匀性越强,混合层的对流活动越弱,随着对流垂直输送入夹卷层的湍涡就越少,导致上升入夹卷层的湍涡不易向水平扩展,形成的湍涡尺度就越小。