108 / 2021-08-30 14:25:44

气压脉动湍流特征及其对湍流动能贡献的实验研究

气压脉动测量仪,气压湍流特征,湍流动能,气压输送项,Monin-Obukhov相似性理论

       气压脉动对地-气间的湍流输送和地气相互作用十分重要，深入了解气压脉动特征有助于理解大气边界层中的许多重要大气物理过程，如：夜间稳定边界层湍流输送、重力内波等。然而，由于气压快速涨落测量的困难，对气压脉动湍流特征的研究报道相对有限，气压输送项在湍流动能（TKE）收支方程中也常做残余项处理。本研究利用自主研发的气压脉动测量仪，获取了内蒙古科尔沁沙地均匀下垫面的气压快速涨落数据，在与气象站通用的气压计测量结果进行对比验证的基础上，分析了气压湍流统计特征，讨论了垂直气压梯度和气压通量散度对Monin-Obukhov相似性理论的适用性，探究了TKE方程中气压输送项对湍流动能的贡献。主要结果有：

       与风速和温度不同，气压脉动归一化标准差与稳定度参数z/L之间没有呈现明显关系；气压方差谱遵循Kolmogorov的n^-2标度率，气压的尺度大于风速和温度，峰值频率比风速和温度低1个量级左右；湍流尺度与大尺度间的谱隙向低频区偏移，两个尺度间的过渡区变窄；不同稳定层结条件下的归一化气压方差谱在高频区合并为一条曲线，在低频区依大气稳定度参数排列；垂直气压梯度与稳定度参数z/L之间无明显关系，而垂直气压通量散度与z/L的关系符合Monin-Obukhov相似性，有：不稳定层结条件下满足φ_p=±(1-14.5z/L)，稳定层结条件下满足φ_p=±(1+15.0z/L) ；TKE方程中气压输送项的贡献相比切变项和浮力项来说随平均时间尺度的增大而增大，在5 min以上尺度平均大1个量级左右，表明气压输送项对湍流动能的贡献应给予重视和考虑。