沙漠地区风速谱和温度谱特征分析

摘  要：湍流是大气和地表之间物质能量交换的重要途径之一。它不仅与大气稳定度、动力、热力及地形植被有直接关系，而且对与人类生活紧密联系的许多活动，如沙漠化问题的防治、大气污染、风能利用、航空安全保障、高层建筑物设计等也有着不可忽视的作用。大气湍流是一种高频微尺度运动，其强度用湍流能谱密度表示。湍流谱分析不仅可以了解不同尺度涡旋对湍能贡献的相对大小，同时对深入探讨近地面层物质、能量的输送机制也有重要意义。本研究利用塔克拉玛干沙漠腹地湍流观测资料，计算并分析了不同稳定层结条件的湍流速度谱、温度谱及局地各向同性特征，并与其他复杂非均匀下垫面的实验结果进行讨论比较。结果表明：不同稳定层结条件下，速度谱和温度谱在低频段分布较离散，高频段相对集中，满足 Kolmogorov的-2/3 指数规律。稳定层结时分布更集中，且与-2/3 指数律的符合程度更好，相关系数更高；近中性条件时，T 谱在高频段有尾部上翘现象；弱不稳定条件时，速度谱在高频段也有同样上翘现象，且上翘幅度以 w 谱最显著，v 谱次之，u 谱略好。稳定情况下的 v 谱和近中性条件的 u 谱、T 谱在低频处也有上翘现象，且层结越稳定 v 谱的上翘幅度越大；不同稳定层结条件下，湍流谱在高频段均能很好满足各向同性，符合湍流各向同性的低频限制理论；沙漠腹地水平湍流尺度范围介于森林和草地之间，不稳定层结比稳定层结的谱峰更偏向低频端，且峰值尺度更大。湍流是大气和地表之间物质能量交换的重要途径之一。它不仅与大气稳定度、动力、热力及地形植被有直接关系，而且对与人类生活紧密联系的许多活动，如沙漠化问题的防治、大气污染、风能利用、航空安全保障、高层建筑物设计等也有着不可忽视的作用。大气湍流是一种高频微尺度运动，其强度用湍流能谱密度表示。湍流谱分析不仅可以了解不同尺度涡旋对湍能贡献的相对大小，同时对深入探讨近地面层物质、能量的输送机制也有重要意义。本研究利用塔克拉玛干沙漠腹地湍流观测资料，计算并分析了不同稳定层结条件的湍流速度谱、温度谱及局地各向同性特征，并与其他复杂非均匀下垫面的实验结果进行讨论比较。结果表明：不同稳定层结条件下，速度谱和温度谱在低频段分布较离散，高频段相对集中，满足 Kolmogorov的-2/3 指数规律。稳定层结时分布更集中，且与-2/3 指数律的符合程度更好，相关系数更高；近中性条件时，T 谱在高频段有尾部上翘现象；弱不稳定条件时，速度谱在高频段也有同样上翘现象，且上翘幅度以 w 谱最显著，v 谱次之，u 谱略好。稳定情况下的 v 谱和近中性条件的 u 谱、T 谱在低频处也有上翘现象，且层结越稳定 v 谱的上翘幅度越大；不同稳定层结条件下，湍流谱在高频段均能很好满足各向同性，符合湍流各向同性的低频限制理论；沙漠腹地水平湍流尺度范围介于森林和草地之间，不稳定层结比稳定层结的谱峰更偏向低频端，且峰值尺度更大。