湍流通量测量方法
海洋大气环境下运动平台上湍流通量和光学湍流测量问题探析
安 徽 师范大 学学报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊ ｕ ａ ｏ ｈ ｉ ｒ ｌ ｉｅｓ ｙ（ ｔｒ ｌ ｃ ｎ ｅ ｏｒ ｌ ｆ ｎ Ａｎ ｕ Ｎｏｍａ Ｕｎ０ ． ５ Ｎｏ． １３ １
美 国和 日本 等 国家 的大气 和海 洋科学 家发起 ， ２０ 在 ００年 一２０ ０４年期 间 ， 在全 球 大洋 中布 ３０ 浮标 ， 成 ００个 构 实 时和高 分辨 率 的全球海 洋观测 网． 观测 网提供全 球 海洋 深达 ２ ０ 的温 度 、 度 剖 面 资料 和 全球 范 围 该 ０ ０米 盐
海 洋上空 大气 参数 的观测 将有利 于 了解 海洋 与大气 间 的相互 作用 和海 洋对气候 的影 响机 理 ．
光波 在海 洋大气 传输 过程 中将与 大气分 子 、 胶 、 气溶 大气 湍 流发生 相互 作 用 ， 生 一 系列 线 形 或非 线 形 产 效应 （ 如分 子或 气溶胶 的散 射和 吸收 、 射 、 流效应 、 晕效应 等 ）将严 重 影 响光 束质 量 、 低 目标 对 比度 折 湍 热 ， 降 和 目标成 像分 辨率 、 降低靶 目标 的能量集 中度 和光学 系统 的跟 瞄精 度 ． 与激光大 气传输 密 切相关 的大 气光 学 参数 是大 气光 学湍 流 ． 我们 将折射 率场 的变化 主要是 由温度 起伏 引起 的湍流称 为光学 湍 流 ． 量度 光学 湍 流强 度 的量是 折射 率结 构常数 ． 陆地相 比 ， 与 海洋 上 的大 气光学 湍流测 量 比较 困难 ， 这包 括测 量平 台 （ 浮标 、 测 量船 ） 的不稳定 性带 来 的测 量误 差 、 劣 的环 境造成 的仪 器损 坏 、 恶 以及 海洋 环境 下 的 已知 和未 知 因素对 测 量
不同海况下六种湍流通量参数化方案的对比分析
年 Ｗａｇ等 Ｉ （ ｎ０ ）指 出 Ｌ ｕｓ方 案 中存有 不 足 ，并 提 出新 的湍 流通 量 输送 系数参 ｎ Ｗａｇ ２ ８ １ ｏｉ
数化 方 案 。
中图 分 类 号 ：Ｐ ３ ７１ 文献 标 识码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０ ０ ３— ０ ３ （０ ７ ２９ ２０ ）２ — ０ ０ ０ ９— ０ ８
１ 引 言
半 个 多世 纪 以来 ，作 为近 地 层研 究 的基 础 ，Ｍｏ ｉ Ｏ ｕｈｖ『相似 理论 被 广 泛应 用 ｎｎ ｂ ｋｏ ｌ — １
含关 系 ，直 接对 湍 流 输送 系数 进 行参 数 化 。１８ ，Ｌ ｕｓ ９２年 ｏｉ等 （Ｔ ８ ）又 通 过 数值 试 Ｌ Ｇ２ 验 对 １７ ９ ９年 方案 中部分 参数 和 表 达 式进 行 了 改进 。至 今 为止 ，Ｌ Ｇ ２参 数 化 方案 因其 Ｔ ８
收稿 日期 ： ２０ —８Ｏ ０ ６０ 一Ｉ 基 金 资助 ： 家 自然科 学 基 金 重 点项 目 “ 北极 苔 原 和 海冰 地 区 边 界层 物 理 过 程 的观 测 研 究 （０ ３ ０ ２ ” 和 国家 自 ４３３３）
当 近 海 层 大 气 处 于 不稳 定层 结 时 ，Ｄ ｅ７ 案 计 算 的摩 擦速 度相 对 Ｅ ｙｒ４方 Ｃ直 接 测 量 值 的 归 一化
误差 最 小，仅为 ８ ７ ． ％，能 够较 好 的估 计近海 层 摩擦 速度 。在 稳 定层 结条 件下 ，当整 体 ４ Ｒｃａｄｏ ｉ ｒｓｎ数小于 ０１ ，除 Ｂ ｓ ｇ ｒ１ ｈ ．时 ｕｉ ｅ７ 方案外 ，其它五种 方案 的计算 误差接 近且较小 。 ｎ 关键词 ：摩擦速度 ；参数化方案； 海面状况
通量-方差法估算沿海近地面层的湍流通量分析
这一方 法估算湍流通量 。Ｐ ｄｏ ａｒ［ ３ 选取 不 同的标准差 函数估算 出森林下 垫面不稳定条件下 的感 热和水汽 通量。Ｋ ｎｌ ａＪ等 估算 出均匀平坦 以及不平坦地 区近
地层的感 热和动量通量 。Ｌｏ ｄ ｌｙ 等 估算 出非洲西部 植被下垫 面条件下 的感 热通量 。ｗｅｖｒ 用温度 ａ ｅ【 ６ 利 和 湿 度 方 差 的 关 系 估 算 出感 热 和 水 汽 通 量 。
的测量 。但使用过程中要 考虑 Ｔ ｙｏ 假定成立条件 ａｌｒ 和选用恰 当的大气稳定度相似性 函数 。涡动相关 法
ｃ Ａ ３三维超声风速仪 、Ｌ ．５ ０ ０ ／ ２ ｓＴ Ｉ ０ ２ ０分析仪 、 ７ ｃ Ｈ ｌ７温度传感器 、Ｈ ４ ｃ温度和相对湿度传感器 、 ０ ＭＰ ５ Ｈ Ｐ １土壤热通量板 、ｃ ｌ辐射计等 。超声风速 ＦＯ ＮＲ 仪安装在距离地面 ２ ｍ的高处 ，初始角度为北偏东 ２ ， ０。用于测量三维风速 “ 、 测 量精度 ４Ｏ ｓ 、 “（ ．ｃ ）
、 １ ４ ＮＯ ，． ． ． ０２ ６
Ｄｅ ． ０ ８ ｃ ．２ ｏ
文章编号 ：１ｏ —９５ （ ０ ８ ６Ｏ ０ —５ ０ ４４ ６ ２ ０ ）０ 一７ ８０
通量 方差法估算沿海近地面层的湍流通量分析
徐 安伦 一，吴晓庆 ，许利 明 所大气光学 中心，安徽 合肥 ２０ ３ １ ３０ ｌ ２ ．中国科学 院研 究生 院 ，北 京 １ｏ４ ） ００ ９
试验仪器是用于野外试验的涡动协方差相关测量系统系统安装的传感器有湍流通量测量方法三维超声风速仪涡动相关法温度传感器温度和相对湿度传感器近地面层常常是大气边界层中湍流通量变化小土壤热通量板辐射计等
物理实验技术中的湍流特性测量与控制方法
物理实验技术中的湍流特性测量与控制方法湍流是物理世界中的一种常见现象，存在于大气、水流、气流以及许多其他流体中。
在许多工程应用和科学研究中，我们需要准确地测量和控制湍流的特性。
本文将介绍一些物理实验技术中常用的湍流特性测量和控制方法。
一、湍流特性的测量方法湍流中包含许多关键参数，如湍流强度、湍流能量谱、湍流边界层厚度等。
为了准确地测量这些参数，物理实验中常用的一种方法是激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry，简称LDV）。
LDV利用激光的多普勒效应，测量流体中的速度分布。
通过分析激光经过散射回来的光的频移，可以计算出流体的速度。
LDV具有高精度、高时间分辨率等优点，被广泛应用于湍流实验中。
另一种常用的湍流特性测量方法是热线/热膜测速法。
这种方法通过在流体中悬挂带有微小热敏电阻或热膜的细丝，测量流体中的速度分布。
测量原理是根据细丝表面温度与速度之间的关系，计算出流体的速度。
热线/热膜测速法具有简单、灵敏等优点，在湍流实验中得到广泛应用。
二、湍流特性的控制方法湍流对于工程和科学研究而言经常是一种不可忽视的干扰因素。
因此，控制湍流特性具有重要意义。
在物理实验中，一种常用的湍流控制方法是利用微消化器。
微消化器是一种微小尺寸的装置，可以在流体中产生高频振荡。
通过调节微消化器的振荡频率和振幅，可以改变流体的湍流特性，实现湍流控制。
微消化器具有结构简单、易于操作等优点，在湍流实验中得到了广泛应用。
另一种湍流控制方法是利用附加激励。
这种方法通过在流体中施加外部力或能量，改变流体的流动状态，从而实现湍流控制。
例如，可以利用电磁力、压力脉动等方式产生附加激励，显著改变湍流的特性。
附加激励方法具有灵活性强、控制效果显著等优点，被广泛应用于湍流实验中。
三、湍流特性测量与控制的应用领域湍流特性的测量与控制在许多领域都有着重要应用。
例如，在飞行器的设计中，湍流特性的控制可以降低阻力、提高飞行性能。
南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究
基金项 目： 国家 自然科学基金 项 目（ 号 ：０ ７ ０ ９ ； 编 ４ ７ ５ １ ） 江苏省气 象灾害 重点实验 室基金项 目（ 编号 ： Ｌ Ｋ ＭＥ一 ５ ０ ） ００４
第一作者简介 ： 缪启龙 （ ９＿ ） 男 ， １ ４ 一 ， 教授 ， ４ 主要从事气 候与环境 研究．
通量最大 值一 般 为 ２ — ６ ｍ～， 均值 为 ２ ・ ， 热通 量 比感 热通 量小 一个 量级 。春季 动量 通量 的平 ０ Ｏ Ｗ・ 平 ７Ｗ ｍ～ 潜
均值 为一 ．６ ・ ， ００ ３Ｗ ｍ 夏季动 量通量 的平均值 为一 ．９ ・ 。 日变化 规律 比较 明显 ， ００ １Ｗ ｍ～ 日出后 ， 动量 向下传 输增 大 ， ０一 ｌ 在 ９ ０时（ 方时 ） 地 出现一个最 大值 ， 随后动量 向下传输 并开始 减小。
中 央 ， 中 国最 大 的 沙 漠 ， 积 为 ３ ．６ １ ｋ 是 面 ３７ ｘ ０ ｍ 。
陈 联 寿 院士 为 首 ， 青藏 高 原 组织 实 施 了第 二 次 青 在 藏 高 原 大 气 科 学 实 验 （ ＩＥ ， 青 藏 高 原 近 地 面 ＴＰ Ｘ）对
层 微 气 象 学 特 征 、 湍 流 特 征 和 高 原 边 界 层 结 构 特
１ ６
气 象 与 减 灾 研 究
３ 卷 Ｉ
本研究是基于最新安装在塔 中的 Ｏ Ｅ Ｐ Ｃ开路 涡 度 相 关 系 统 所 测 风 、 度 、 度 资 料 和 ８ 观 温 湿 ０ｍ 测 塔所 测 得 的梯 度资 料 ， 于研 究 流动 沙漠 腹 地 近 对 地 层 大 气 通 量 结 构 以 及空 气 动 力 学 参 数 具 有 得 天
水流湍流系数
水流湍流系数，也被称为湍流混合系数，是一种海洋学中的专业名词，用于描述流体中流动状态的不稳定程度。
它在一定程度上能够体现物质湍流迁移通量与平均浓度梯度之间的关系，通常被用以描述流体中流体动力学特征的分布情况。
该系数能够被确定并通过监测流体的温度、盐度等被动物理量的平均分布，或者在固定地点进行观测来实现。
水流湍流系数的大小通常与水流速度、温度、盐度、密度等因素有关，因此对于制定河流管理策略和水力工程的设计有着重要的作用。
影响水流湍流系数的主要因素包括：1. 流速：水流速度的变化会直接影响湍流的发生，因为流速是决定湍流强度的重要因素。
2. 水深：水深对水流的湍流系数有很大影响。
在浅水区，水流较为平缓，不易发生湍流；而在深水区，水流湍流系数会随着水深的增加而增加。
3. 水质：水中的杂质、颗粒等都会影响水流的湍流系数。
这些杂质在水流中可能产生扰动，导致水流变得不稳定。
4. 水流的不稳定性：流体的流动具有不稳定性，其湍流系数往往会随着流动的不稳定性而增加。
例如，湍流可以在湍涡分离、旋转、弥散和剪切等过程中形成。
5. 地形地貌：水流的湍流系数还会受到地形地貌的影响，例如河床的形状、河道的宽度等。
不同的地形地貌会导致水流在不同的区域产生不同的湍流系数。
水流湍流系数的测量方法主要有以下几种：1. 水力探针法：利用水力探针插入水流中，测量水流的脉动速度和压力，然后利用相关公式计算湍流系数。
这种方法适用于测量快速流动的水流。
2. 叶轮测量法：在水流中安装一个叶轮，利用叶轮的转动速度和阻力来计算湍流系数。
这种方法适用于测量较慢流动的水流。
3. 三维流场测量法：通过测量水流中的流速、压力、温度等物理量，利用三维流场分析软件计算湍流系数。
这种方法适用于测量复杂流场的湍流系数。
4. 超声波测量法：通过测量水流中的超声波传播速度来计算湍流系数。
这种方法适用于测量较宽广的水流区域。
5. 现场实验法：利用实船实验或水槽实验测量水流中的湍流系数，适用于不同水深和速度条件下的水流。
物理实验技术中的流体力学测量与分析方法
物理实验技术中的流体力学测量与分析方法流体力学是研究流体运动和相互作用的学科，广泛应用于物理、化学、工程学等领域。
在物理实验中，流体力学的测量与分析方法是非常重要的一部分。
本文将介绍几种常见的流体力学测量与分析方法。
一、流速测量方法在流体力学实验中，测量流体的流速是至关重要的。
有多种方法可以测量流速，其中最常见的是使用流速计。
流速计有多种类型，包括旋涡流速计、热线流速计和超声波流速计等。
旋涡流速计利用旋涡感应原理，根据流体流过感应探头时产生的旋涡频率来测量流速。
热线流速计则利用电热丝的热量散失与流体流过时的传热速率成正比关系来测量流速。
超声波流速计通过发射超声波并接收回波来测量流体流速。
二、液面测量方法在一些实验中，需要测量液体的液面高度。
常用的测量方法有静压力法和光学法。
静压力法利用液体的静压力与液面高度成正比的原理来测量液面高度。
这种方法简单、精确，适用于各种液体。
光学法则是利用光的折射原理来测量液面高度，通过测量光线在液面处的折射程度来得到液面高度信息。
三、纹影法纹影法是一种常用的流体力学测量方法。
它通过使流体在真空室内流动，并使流动区域成为光学屏幕，然后观察流体的纹影情况，从而获得流体流动的信息。
纹影法可以测量流体的速度分布、湍流行为和流动方向等参数。
这种方法具有无接触、无污染、高精度等优点，广泛应用于涡旋度测量、边界层研究和流体结构分析等领域。
四、压力测量方法在流体力学实验中，常常需要测量流体的压力变化。
常用的压力测量方法有压电式传感器和压力测量仪表。
压电式传感器利用压电效应将压力转化为电信号，通过测量电信号的变化来得到压力信息。
压力测量仪表则是通过测量流体对压力敏感部件的影响，如弯曲变形、电阻或电容变化来得到压力信息。
这些方法具有精度高、稳定性好等特点，广泛应用于流体力学实验中。
综上所述，流体力学测量与分析方法对于物理实验技术的发展和应用至关重要。
通过流速测量、液面测量、纹影法和压力测量等方法，可以获得流体力学实验中所需的流体参数，进而推动流体力学相关领域的发展。
一种新型海-气湍流通量参数化方案的模式测试
摘 要 ：将 一种新 型湍流 通量 参数 化方案代 入 到大 气环 流模 式 Ｃ ＡＭ３中， 比分 析 了模 式 改进前 后 对
模 拟 的风 应 力、 热通量 、 热通量 和 降水 的全球 分 布 ， 感 潜 以及 风 应 力 、 潜热 通 量 和 降水 的 纬 向平 均。 结果表 明 ： 改进 后模 式 的模 拟 结果更 接近 Ｅ Ｓ Ｅ Ｒ 、 ＲＡ４ ０湍流 通 量 数据 和 Ｃ ＭＡＰ综 合 降水 数 据 ， 其 中对 西风 带上洋面 风应 力、 亚洲季风 区的潜热 通量 和 降水 改进 明显 。 由于该 新 型 湍流 通 量 参数 化 方案直 接 由整体理 查逊 数 、 空气动 力学粗 糙度 和热力 学粗 糙度 参数 化稳定 度参 数 ， 免 了通过 循环 避
（．中 国科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 大 气 边 界层 物理 和 大气 化 学 国 家 重 点 实 验 室 ， 京 １０ ２ ； ．中 国科 学 院 研 究 １ 北 ００ ９ ２ 生 院 ， 京 １０ ４ ； ．空 军 装 备 研 究 院 航 空 气 象 防 化 研 究 所 ， 京 １０ ８ ； ．山西 省 气 象 局 ， 北 ００９ ３ 北 ００５ ４ 太原 ０ ０ ０ ） ３ ０ ２
（Ｃｏ ｐｌ ｄ Ｏｃ ａ — ｍｏ ｐ ｒ Ｒｅ ｐ ｕ ｅ ｅ ｎ Ａｔ ｓ ｈｅ ｅ ｓ ｏｎｓ Ｅｘ ｒ— ｅ ｐｅ ｉ
辨 率 的 ＧＣ 模式 对年 际 、 代 际变 化 的模 拟 效率 。 Ｍ 年 目前在 大气 环流模 式 中应用 最广 泛 的是整体 空气 动
力 学方 法 ， 其核 心思 想 是对 整 体 输 送 系数 进 行 参 数
第３卷 ２
第 ６ 期
海
洋
学
报
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（I）
r
r
其中 u 是风速； u 是物质 的速度，忽略地表大气的扩散作用，此时可取
r rr
r
u u ； nout 是垂直于体元 V 的向外的单位向量； nin 是垂直于地表指向体元的
单位向量。由方程可见，地表的收支方程中包含了 8 项
物质（比如水汽、CO2）通量
F
(
)
1 1B04
rr
( u
B40 4 2
在安装超声风速仪时，不能保证仪器绝对垂直于下垫面，尤其是长期垂直 于下垫面。然而水平方向风速的一个很小的分量，也会对平均垂直速度产生很 大的影响。假设超声风速仪的垂直方向与下垫面的法线之间存在 0.1º的夹角（这 个角度属于安装超声风速仪时的误差允许范围），水平风速为 2 m/s，那么此时 水平风速在超声风速仪垂直方向上的分量约是 0.1 mm/s，与实际的平均垂直速 度 w 的量级相当。因此我们不能直接利用超声风速仪所测的垂直风速平均求其 平均垂直速度。
收支方程
0
1 1t4
V4(4(t22)
(t1))dV
4443
S idV
V
1i 4 2 4 3
rr
+
1Bt
( u)gnoutdBt
4 4 2 4 43
I 存贮
II 各种化学产生过 r
+
1Bs
( u)gnoutdBs
4 4 2 4 43
1B0
( u )gnindB0
mv
a
有三个物理过程：感热输送、水汽蒸发，以及下垫面的摩擦导致的动量变化。
这是因为：（1）当地气之间存在垂直感热输送时，会导致贴近地表的气体膨胀，
的动量输送，因而具有二阶张量性质。
u2 uv uw
vu v2 vw
wu wv w2
湍流场：
cp ( 'u' , 'v' , ' w' )
(q'u' , q'v', q' w')
u'2 u' v' u' w'
v'u' v'2 v' w'
w'u' w'v' w'2
涡度相关法（Eddy Covariance，EC）
)gnin 44
dB0 43
地表排放
1 1B04t
4
V
(t2
442
) 4
4
(t1)dV 4 43
1 1B044V
S chemdV 2 4 43
1 S vapdV 1B044V2 4 43
I 存贮
II 化学产生过程
III 水汽蒸发输送
1 1B04
rr
B4t 42u
gnout 44
dBt 43
测量地气通量的原理
• 地气通量是指地表和大气之间的物质、能量交换；
• 涡度相关法测量地气通量是从物质能量守恒方程出发，经 过一系列的简化而得到的
涡度相关系统
选择垂直于地表的一个体元 V 内的空气为研究对象，利用连续方 程，分析该体元内物质 的收支情况， 如图所示。其中该方框的上边界是 Bt，下边界是地表 B0，侧边界 Bs，并 且上边界 Bt 平行于地表 B0。通过一 定时间尺度上对该体元内的物质变 化体积分，可以得到该体元内的物质 收支方程
过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
热通量： ( u , v , w)
水汽通量： (qu , qv , qw)
动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三 个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则 具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向
1 1B04
rr
B4s 42u
gnout 44
dBs 43
IV 上边界的垂直对流输送
V 侧边界的水平平流输送
（II）
是物质成分 的浓度，并且 不包含固态或者液态的 。由方程(II) 可见，地表物质通量方程总共包括 5 项：存贮项，化学产生过程，水 汽蒸发输送，上边界的垂直对流输送和侧边界的水平平流输送。
了计算方程（IX）中的第一项，Webb 等以及他的后继者们假设干空气通量 为零，从理想气体状态方程出发，间接给出了求解平均垂直速度的表达式：
w (1 k) w'T ' w' 'v 2k w'u '
T
v
u
（X）
其中， ma : 1.6 ， v : 0.015 ， k u2 2 p 。平均垂直速度的形成总共
用涡度相关法计算地气通量。
F( ) w|z
（III）
理想条件下的地气通量计算
物质通量、感热通量和潜热通量的简化形式分别如下：
物质通量： F( ) w| z
（V）
QH F (cpT ) ~ cpF (T ) cp wT | z
感热通量： cp wT w'T ' w 'T ' T w' ' ' w'T '
（VI）
动量通量： duw| z vvw| z
（VII）
方程(V)、(VI)和（VII）中的地表通量计算公式都含有普遍形式 w ，利用
雷诺平均，可以将 w 分解为如下的形式：
F ( ) w w w ' '
（IX）
而在前面的假设中，在利用涡度相关法计算通量时，假设了平均垂直速度 w 是为零的，而实际的实验资料也表明， w 的量级的确非常小（~0.1 mm/s）。但 是实际上，平均垂直速度是客观存在的，其通量输送的贡献也非常大。
4 4 2 4 43
+
1i
4
4Bt
J gnoutdBt 2 4 43
IV 侧边界的平流输送
V 地表排放
VI 其他物质在上边界输送的影响
ur r
ur r
+
Bs J gnout dBs 1i 4 4 2 4 43
1i
4 4B0
J gnindB0 2 4 43
VII 其他物质在侧边界输送的影响 VIII 其他物质地表排放的影响
质量守恒方程简化——理想条件下的地气通量计算
当满足下列假设时：
• (1)平稳（定常）湍流；
• (2)水平均匀（平流可以忽略）；
• (3) 近地面存在常通量层；
• (4)影响通量的各种度的涡旋都已被测到；
• (5)测量到的通量代表仪器所在的下垫面。
此时，湍流输送（第III项）为地气输送的唯一机制，可以利
二 湍流通量测量方法简介
湍流通量测量方法
• 涡度相关法（Eddy Covariance，EC） • 梯度法－廓线法 • 鲍恩比方法
通量
• 通量是指单位时间通过单位面积的流体的某属性量的输送。 • 流体运动可分为平均运动和脉动运动两部分，因此属性输
送也分别由这两部分运动引起。 • 热通量和水通量：风速分量乘以热量和水汽含量和表示通