边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

第23卷　第2期2004年4月

高　原　气　象

PLA TEAU M ETEOROLOGY

V ol .23　No .2

April ,2004

文章编号:1000-0534(2004)02-0132-07

收稿日期:2003-09-11;改回日期:2003-11-06 基金项目:国家自然科学基金项目(49835010,40233035)资助 作者简介:胡隐樵(1938—),男,江西南昌人,研究员,主要从事大气物理、大气环境和非线性热力学等方面研究 E -mail :hyq @ns .lzb .ac .cn

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

胡隐樵,　左洪超

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州　730000)

摘　要:总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出:由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。

关键词:大气边界层;线性热力学;湍流输送;非均匀下垫面;地表能量平衡中图分类号:P404

文献标识码:A

1　引言

回顾大气边界层物理发展历史会注意到,20

世纪后半叶才趋于成熟。20世纪50年代M onin -Obukhov 相似性理论的提出[1],首先在近地面层提出大气边界层自己的理论观点。60年代末Businger -Dyer 相似性关系的建立标志着近地面层相似性理论的成熟[2,3]。大气边界层物理才得到真正的实用。70年代至80年代是大气边界层物理发展的辉煌时代。一系列大气边界层观测实验和数值模拟研究揭示了大气边界层结构,并建立了一系列大气边界层相似理论[4,5]。从而标志着大气边界层理论的成熟。80年代以后,大气边界层理论研究进展缓慢。大气边界层研究主要适应大气污染、海气相互作用和地气相互作用的应用研究,发展大气扩散理论和大气边界层湍流输送参数化方案[6]。为此在世界范围内进行了大量大气污染以及海气相互作用和地气相互作用观测实验研究,并取得一系列重要成果[7]。

但是,这些大气边界层物理应用研究也遇到不少难以克服的困难。实际大气扩散和陆面过程往往是热力非均匀下垫面问题。首先陆面过程研究中就遇到非均匀下垫面陆面过程参数化问题,并提出加

权平均方案[8,

9]

。这种方法不仅需要获取各种非均

匀下垫面地表特征的湍流输送实验资料;既使取得这些实验资料,如何加权平均也是一个问题。这种加权平均方案的物理依据是值得研究的。如何从目前陆面过程实验中所得到的实验资料,获取大气环流所需要的参数,也是有待于进一步从物理上深入探索的问题。近年来在大量陆面过程观测实验中,又提出了现有的湍流输送观测地表能量不平衡问题。热力非均匀下垫面湍流输送量观测本身就是一个尚未解决的问题。这一系列问题的提出,要求大气边界层物理理论给予回答。但是经典的大气边界层理论基本上是建立在均匀下垫面基础上的,从而使大气边界层理论在这些问题面前显得软弱无力,暴露出大气边界层物理的理论不足,所以必须发展热力非均匀下垫面湍流输送理论。

Onsager 倒易关系(reciprocal relation )和Pri -gogine 最小熵产生原理(principle of least entropy production )的确立标志着非平衡态线性热力学的成熟。它的主要结果对许多输运现象有重要的应用[11],但是线性热力学在大气中的应用很少见到。文献[12,13]分析了非平衡态热力学应用于大气系统的困难,指出非平衡态热力学熵平衡方程中引入动力过程和湍流输送的必要性。并修正了经典非平

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质,除了湍流输送外也还应包括大气辐散和辐合对能量垂直输送的贡献。这对于非均匀下垫面和对流边界层尤为重要。目前处理均匀下垫面陆面过程参数化,一般采用面积加权平均方法[7～9]。这当然是一种不得己而为之的方法,它使问题处理大为复杂化,失去了参数化本来的含义。众所周知,气候模拟的参数化,就是要用地面常规气象观测资料,简单地估算地表能量和物质向自由大气的输送通量。这本身就是一个大尺度面积输送问题。以垂直湍流输送补充大气辐散和辐合对能量和物质垂直输送的贡献,估算地表能量和物质向自由大气的输送通量,在物理上就更为合理,如方程(31)～(33)所示。对于非均匀下垫面陆面过程边界层参数化,这种估算也可能更精确。

5　今后的任务

大气线性热力学演绎出一系列大气唯象关系,并以大气边界层大量观测事实证明这些唯象关系确实存在。并导出了唯象系数同大气湍流输送系数的关系。此外大气线性热力学还指出,大气湍流输送存在热量和水汽输送间的交叉耦合,以及温度对水汽输送和动量输送的热力耦合效应。大气线性热力学还从理论上证明大气动力过程同热力过程之间的交叉耦合。致使大气中能量和物质输送,除了大气湍流输送还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。这些问题在经典大气边界层物理研究中都未曾涉及。需要从大气边界层的观测实验加以证明,并从观测实验中确定一系列系数。这不仅将丰富大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中遇到的困难提供了线索。

我们知道,由于当时观测技术条件的限制,从1954年Monin-Obukhov相似性理论的提出,到1971年Businger-Dyer相似性关系的建立,达到真正的实用,经历了17年时间。可见,上述提出的大气系统线性热力学理论达到完全实用的关键,是以观测实验确定关系(13)和(16)式的交叉耦合系数KθW和K VW。对于当代观测技术,这已不存在任何困难,利用目前正在执行的各种有关陆面过程或其它的近地面层观测实验即可实现。在近地面层观测实验中,关系(13)和(16)式可用如下形式

H|z=ρc p w′θ′=-ρc p Kθθ

z

+ρc p KθW W,(36)

E|z=ρw′q′=-ρK V q z+ρK VW W,(37)上面两式左边是涡旋相关法可观测量;右边第一项是梯度法可观测量,右边第二项垂直速度可用垂直风速脉动长时间平均求取;所以从(36)和(37)式原则上可确定交叉耦合系数KθW和K VW。一旦交叉耦合系数KθW和K VW被确定,大气边界层参数化即可利用(31)和(32)式;地表能量平衡方程利用(24)式。并进一步用于陆面过程模式。对于中尺度数值模式或大气环流模式,水平流场是已知的,可以直接确定辐合或辐散量,所以(31)和(32)式是确定的。

参考文献

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