湍流通量与方差的预报方程课件

湍流的数学描述湍流的数学描述偏差：偏差：湍流的不规则性湍流的不规则性协方差：协方差：通量（湍流的输送能力）通量（湍流的输送能力）方差：方差：湍流的能量、强度湍流的能量、强度湍流的数学描述偏差：湍流的不规则性1湍流通量与湍流动能湍流通量与湍流动能 湍流通量湍流通量 湍流方差湍流方差动量通量动量通量水汽通量水汽通量热量通量热量通量“能量能量”湍流通量与湍流动能 湍流通量动量通量水汽通量热量通量“能量2湍流湍流偏差偏差预报方程预报方程湍流湍流方差方差预报方程预报方程湍流湍流通量通量预报方程预报方程湍流湍流动能动能预报方程预报方程？湍流偏差预报方程湍流方差预报方程湍流通量预报方程湍流动能预报3主要内容主要内容湍流动能预报方程的推导湍流动能预报方程的推导湍流动能预报方程各项物理含义湍流动能预报方程各项物理含义主要内容湍流动能预报方程的推导4简化的速度方差收支方程简化的速度方差收支方程 x方向方向局部局部方差储存方差储存方差沿方差沿平均风速平均风速的平流的平流产生项产生项湍流湍流输送输送项项气压再分配气压再分配粘性耗散粘性耗散科氏力科氏力简化的速度方差收支方程 x方向局部方差沿平均风速的平流产5简化的速度方差收支方程简化的速度方差收支方程 x-y-z三个方向之和三个方向之和局部局部方差储存方差储存方差沿平均风速的平流方差沿平均风速的平流产生项产生项湍流输送项湍流输送项气压再分配气压再分配粘性耗散粘性耗散浮力产生项或损失项浮力产生项或损失项Einstein求和符号表示求和符号表示简化的速度方差收支方程 x-y-z三个方向之和局部方差沿6湍流动能预报方程湍流动能预报方程 （TKE收支方程）收支方程）储存储存沿平均风速的平流沿平均风速的平流产生项产生项湍流输送项湍流输送项气压再分配气压再分配粘性耗散粘性耗散浮力产生项或损失项浮力产生项或损失项Einstein求和符号表示求和符号表示我们得到如此的信息：我们得到如此的信息：1）湍流是耗散的）湍流是耗散的2）湍流随时间有趋于）湍流随时间有趋于减弱减弱的的迹象，除非迹象，除非局地产生局地产生或或输送输送湍流动能预报方程 （TKE收支方程）储存沿平均风7湍流动能预报方程的一种特殊形式：湍流动能预报方程的一种特殊形式：1）取与平均风一致的坐标轴）取与平均风一致的坐标轴2）假设水平均匀）假设水平均匀3）忽略下沉）忽略下沉 （高压区）（高压区）xyz湍流动能预报方程的一种特殊形式：1）取与平均风一致的坐标轴x8湍流动能预报方程的归一化（无量纲化）湍流动能预报方程的归一化（无量纲化）湍流动能预报方程的归一化（无量纲化）9湍流动能预报方程各项分析湍流动能预报方程各项分析储存项储存项模模拟拟结结果果 1）随时间的变化规律）随时间的变化规律 2）最大值出现的高度）最大值出现的高度 3）最大值与最小值的量级比较）最大值与最小值的量级比较湍流动能预报方程各项分析储存项模 1）随时10实实测测结结果果实111）边界层无周日循环）边界层无周日循环2）储存项通常很小，甚至可以忽略）储存项通常很小，甚至可以忽略对于洋面：对于洋面：1）边界层无周日循环对于洋面：12平流项平流项1）通常对于较大尺度（如）通常对于较大尺度（如10*10km)可以忽略可以忽略2）对于小尺度，必须考虑）对于小尺度，必须考虑平流项1）通常对于较大尺度（如10*10km)13浮力项浮力项 1）自由对流状态下，）自由对流状态下，产生产生TKE的的“大户大户”！2）白天，为正（热泡效应）白天，为正（热泡效应）3）夜晚，为负（静力稳定）夜晚，为负（静力稳定）4）各向异性（垂直方向）各向异性（垂直方向）夹卷层夹卷层浮力项 1）自由对流状态下，夹卷层14机械切变机械切变产生产生项项1）在夜间，产生湍流的唯一项）在夜间，产生湍流的唯一项2）各向异性（水平方向）各向异性（水平方向）浮力项与切变项的相对贡献常用来划分对流性质浮力项与切变项的相对贡献常用来划分对流性质问题问题：能否根据浮力项与切变项来判断对流属性？能否根据浮力项与切变项来判断对流属性？机械切变产生项1）在夜间，产生湍流的唯一项浮力项与切变项的相15图中颜色含义：图中颜色含义：白色：白色：不同湿度区边界不同湿度区边界黑色：黑色：湿度均匀区域湿度均匀区域图中颜色含义：16通量输送项通量输送项对对TKE的贡献取决于：辐合还是辐散的贡献取决于：辐合还是辐散一般垂直通量输送最重要一般垂直通量输送最重要通量输送项对TKE的贡献取决于：辐合还是辐散17可以发现：可以发现：在近地层，在近地层，的垂直输送占优的垂直输送占优在混合层中部，在混合层中部，的垂直输送占优的垂直输送占优可以发现：18气压分配项气压分配项1）测量气压脉动极其困难）测量气压脉动极其困难 (近地层：近地层：5 Pa，混合层，混合层1 Pa）2）可以产生波动（重力波）或湍流，但仅凭气压）可以产生波动（重力波）或湍流，但仅凭气压 分配项很难区分波动与湍流分配项很难区分波动与湍流气压分配项1）测量气压脉动极其困难 19耗散项耗散项耗散项20湍流通量与方差的预报方程课件21一个例子：一个例子：=0问题问题 在在1000m厚的混合层中，在高度厚的混合层中，在高度z=300m处观测到下列情况：处观测到下列情况：此外，地面虚位温热通量是此外，地面虚位温热通量是0.24Km/s。如果忽略气压和湍流输送，。如果忽略气压和湍流输送，1）在）在z=300m处维持常定状态要求多大的耗散率？处维持常定状态要求多大的耗散率？2）归一化）归一化TKE项的值是多少？项的值是多少？一个例子：=0问题 在1000m厚的混合层中，在高度22在在z=300m处维持常定状态要求多大的耗散率？处维持常定状态要求多大的耗散率？归一化归一化TKE项的值是多少？项的值是多少？在z=300m处维持常定状态要求多大的耗散率？归一化TKE项23湍流动能预报方程的归一化（无量纲化）湍流动能预报方程的归一化（无量纲化）湍流动能预报方程的归一化（无量纲化）24浮力产生项浮力产生项机械切变项机械切变项耗散项耗散项归一化归一化TKE项的值是多少？项的值是多少？0=0.625+0.038 -0 -0-0.663浮力产生项机械切变项耗散项归一化TKE项的值是多少？0=025老子说，老子说，孰能浊以静之徐清，孰能浊以静之徐清，孰能安以动之徐生。孰能安以动之徐生。老子说，孰能浊以静之徐清，26End of this chapter!End of this chapter!27