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大气湍流的尺度谱

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  大气湍流有很宽的尺度谱。近地面层风速脉动的能谱函数充分显示了这一点,图中为涡旋频率,为时间,为能谱密度。 公认的大气湍流尺度(时间尺度从0.001~0.1小时),跨越了三个量级,如果把日变化(能量峰值在10小时附近)和天气系统的变化(能量峰值在 100小时附近)考虑在内,则谱区将更宽。

  大气湍流扩散系数的数值和研究对象的尺度有关。例如,在考虑污染物随风飘移的扩散过程时,飘移的距离越,大尺度湍流的影响越大。从湍流扩散系数K和湍流尺度的关系中,可以看出K值随湍流尺度的变化从1.6×10米/秒增加到10米/秒,跨越了12个数量级。

  大气湍流在三个方向(顺风、横风和铅直方向)的尺度和强度都不同,说明它是非各向同性的。在一般情况下,它的铅直分量比水平方向的两个分量都小。在大气边界层中,湍流主要受地面的状态限制。在晴空湍流区里,湍流区本身的铅直范围(几十米到几百米)总是小于水平范围(几公里到几十公里)。在对流云内, 情况可能不同, 一块发展旺盛的浓积云(见云),铅直厚度往往超过它的水平范围,铅直脉动速度有时高达每秒几米,这方面仍缺乏系统观测的结果。大气湍流的非各向同性还表现在湍流扩散系数的数值上。从强稳定层结到不稳定层结,铅直湍流扩散系数的数值为2×10~10米/秒,横向湍流扩散系数则为 10~10米/秒。

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