非平衡态线性热力学在大气湍流中的应用

论文摘要

非平衡态线性热力学被应用于大气湍流研究，证明了湍流强度定理和动力过程同湍流输送交叉耦合定理等一系列重要理论结果。湍流强度定理表明湍流强度是速度梯度和温度梯度的函数，揭露了湍流的宏观机制。动力过程同湍流输送交叉耦合定理认为热量（物质）的垂直湍流输送是位温（物质浓度）垂直梯度输送通量与垂直速度耦合输送之和。而传统湍流输送理论认为一种宏观量垂直湍流输送通量等价于该宏观量的垂直梯度输送通量；均匀下垫面假设条件下得到的Monin-Obukhov相似性理论认为近地面层是常通量层，在常通量层平均垂直速度永远等于零。动力过程同湍流输送交叉耦合定理是对大气边界层K闭合理论和经典Monin—Obukhov相似性理论的挑战，同时也为非均匀下垫面湍流输送参数化和闭合地表能量平衡提供了新的思路。为了进一步全面理解理论结果并使之能在实践中得以应用，必须给出有关相似性函数的具体形式及其待定参数的具体值。就象Monin—Obukhov相似性理论中的稳定性函数及其参数需要通过观测实验来确定一样，湍流强度定理和动力过程同湍流输送交叉耦合理论中的系数也必须通过实验获得。同时，理论的真实性也有必须得到实验的检验。通过对众多资料的综合比较，本文选用已在许多研究中使用过的，有较高精度的1986年瑞典（?）ppsala大学近地面层湍流实验观测资料检验上述理论结果，得到了湍流强度唯象系数和热量垂直湍流输送通量的垂直速度耦合系数的具体函数形式。研究结果如下：1)以观测实验资料得到的湍流强度相似性函数分别为，在不稳定层结Z/L＜0时φ（Z/L）～（-Z/L）2/3；稳定层结Z/L＞0时φ（Z/L）～（Z/L）2.5；中性层结Z/L=0时C0=φ（Z/L）0～1.3。这表明湍流强度唯象系数不仅是速度剪切的函数，而且是大气温度热力层结稳定度的函数2)湍流强度相似性关系同Monin-Obukhov相似性理论依据大量野外观测实验资料得到的速度方差经验关系基本一致。这种一致性意味着以观测实验事实证明了湍流强度定理的真实性；反过来也从理论上利用非平衡态线性热力学间接地从理论上证明了Monin-Obukhov湍流强度经验关系，得到了Monin-Obukhov湍流强度经验关系的理论依据。3)热量垂直湍流输送通量的垂直速度耦合系数Kθw是高度和垂直速度的对数函数，即ln(Z/Zw0)和ln（W/u*）2的函数。且垂直速度耦合系数随高度的对数增长，而随垂直速度对数的4次方增长。4)垂直速度耦合系数Kθw同速度特征量—摩擦速度u*；高度特征量—垂直速度耦合粗糙度zw0。和垂直速度耦合温度特征量Tw0有关。而垂直速度耦合粗糙度和温度特征量都是由下垫面特征状态决定的特征量。5)只有当垂直速度大于0小于摩擦速度（0＜|W|＜u*）时；且在足够高度以上，即高度在垂直速度耦合粗糙度以上z＞zw0时，垂直速度才对热量垂直湍流通量产生耦合效应。6)虽然垂直速度耦合输送对于位温垂直梯度输送通量仅是一个小的修正量，但对于非均匀下垫面大气边界层和对流边界层，这个垂直速度耦合输送的修正量是不容忽视的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 热力学的特点及非平衡态线性热力学
• 1.1.1 热力学的特点
• 1.1.2 非平衡态线性热力学研究简史
• 1.1.2.1 非平衡态热力学简史
• 1.1.2.2 非平衡态线性热力学
• 1.2 大气湍流研究面临的问题
• 1.2.1 大气湍流输送研究
• 1.2.2.非平衡态热力学理论应用于湍流的必然
• 1.3 本文的研究目的和内容
• 参考文献
• 第二章 湍流
• 2.1 湍流
• 2.1.1 湍流的产生
• 2.1.2 湍流的定义
• 2.1.3 湍流的研究
• 2.2 大气边界层湍流研究
• 2.2.1 大气边界层湍流研究概况
• 2.2.2 近地面层湍流输送通量计算方法
• 2.2.3 大气湍流速度方差
• 2.3 大气边界层湍流研究面临的问题
• 参考文献
• 第三章 非平衡态线性热力学基础
• 3.1 大气系统非平衡态热力学
• 3.1.1 建立大气系统非平衡态热力学基本假设
• 3.1.2 大气系统熵平衡方程及熵产生
• 3.1.2.1 大气系统熵平衡方程
• 3.1.2.2 大气系统中不可逆过程和可逆过程以及熵产生
• 3.2 非平衡态线性热力学在大气系统中的应用
• 3.2.1 非平衡态线性热力学及线性关系中唯象系数的限制
• 3.2.1.1 非平衡态线性热力学
• 3.2.1.2 线性关系中唯象系数的限制
• 3.2.2 非平衡态线性热力学在大气湍流研究中的适用性
• 3.2.3 湍流动量输送
• 3.2.4 湍流热量输送同气流输送过程交叉耦合
• 3.2.5 湍流水汽输送和气流输送之间的交叉耦合
• 3.2.6 实验验证湍流强度定理及垂直速度耦合效应的可行性和意义
• 参考文献
• 第四章 湍流强度
• 4.1 湍流强度唯象系数的确定
• 4.2 资料来源和处理方法
• 4.3 湍流强度（?）唯象系数的性质
• 4.3.1 速度梯度项和位温梯度项的量级比较
• 33的性质'>4.3.2 湍流强度（?）及其唯象系数K₃₃的性质
• 4.4 湍流强度定理的进一步验证
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 垂直湍流热量输送与垂直速度交叉耦合的实验验证
• 5.1 垂直速度耦合系数的确定
• 5.2 垂直速度耦合系数的性质
• 5.2.1 资料来源和处理方法
• 5.2.2 垂直速度耦合系数的性质
• 5.3 垂直速度对垂直热量湍流输送通量的耦合效应
• 5.4 讨论
• 参考文献
• 第六章 地表能量平衡的一些问题讨论
• 6.1 关于地表能量不平衡问题
• 6.2 垂直速度耦合效应对地表能量平衡观测的影响
• 6.6 讨论
• 参考文献
• 第七章 结论和展望
• 7.1 主要结论总结
• 7.2 存在的问题和今后的研究
• 附录:在读期间的主要学术论文
• 致谢