[科普中國(guó)]-湍流譜

湍流譜的定義以及特性一、湍流譜的定義

不同大小、相互疊加的湍渦組成湍流，而不同尺度湍渦的相對(duì)強(qiáng)弱就被定義為湍流譜。湍流譜表明了各種類型大小的湍渦對(duì)湍能的貢獻(xiàn)大小。理查遜曾這樣描述：“大渦里面套小渦，大渦給小渦以速度，小渦里面更有小渦，直至被粘性耗散”。

二、湍流譜的特性大氣湍流能譜峰值頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，表征攜帶能量最多的湍渦尺度。

與峰頻率的換算關(guān)系是：

λm =U/np

式中：λm是譜極大尺度；np是譜峰的率；U是平均風(fēng)速。譜極大尺度為湍流積分尺度的4～2π倍，具體數(shù)值取決于湍流譜的形式。

湍流譜的應(yīng)用一：在草原上的應(yīng)用利用相同探測(cè)設(shè)備、相同試驗(yàn)方法在戈壁、草原、郊區(qū)和城郊等不同下墊面開展的多次重復(fù)湍流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)資料，采用相同的湍流數(shù)據(jù)采集和處理方法，研究了不同下墊面溫度和濕度湍流譜特征。研究表明：歸一化的溫度和濕度譜的高頻段滿足-2/3冪次律，低頻段譜曲線相對(duì)集中在較窄的范圍內(nèi)，不呈現(xiàn)隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L規(guī)則散布；較濕潤(rùn)地區(qū)的濕度譜曲線與溫度譜十分相似，譜形一致；平坦地形譜曲線比粗糙下墊面要開闊、平緩;粗糙下墊面的譜曲線較為尖銳，"拐點(diǎn)"對(duì)應(yīng)的無因次頻率約為0.1；高粗糙度下墊面的高頻段譜曲線高于平坦地形，說明高粗糙度地區(qū)的局地湍流耗散較強(qiáng)。戈壁下墊面的低頻段濕度譜數(shù)值明顯高于其他地區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定層結(jié)下，由于大尺度過程和重力波的共同作用，在分析雙峰數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)慎重。1

二：在森林上的應(yīng)用利用新型三維超聲風(fēng)速 /溫度儀 ，根據(jù)在長(zhǎng)白山原始森林冠層上下兩個(gè)高度上測(cè)量的湍流資料，采用渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算和分析了森林冠層上下湍流譜的結(jié)構(gòu)、局地各向同性和耗散率。結(jié)果表明，在慣性副區(qū)，歸一化湍流譜遵從 - 2/3的指數(shù)規(guī)律，在森林冠層上，盡管譜的形狀與均勻表面的一致。但是，大氣湍流是非各向同性的，而在森林冠層內(nèi)則是近似各向同性的，森林冠層上下湍流能量和熱量耗散率比典型草原和牧場(chǎng)的結(jié)果大 ,，揭示了森林粗糙表面在湍流輸送過程中的動(dòng)力擾動(dòng)和對(duì)大渦的破碎作用 。2

三：在衛(wèi)星上的應(yīng)用分析了地面對(duì)衛(wèi)星激光瞄準(zhǔn)精度受大氣湍流效應(yīng)的影響。首先，提出了大氣湍流作用下地面對(duì)衛(wèi)星激光瞄準(zhǔn)精度的概念。其次，采用多層相位屏的數(shù)值方法求解激光大氣傳輸滿足的拋物型方程，仿真研究了不同發(fā)射參數(shù)下地面對(duì)衛(wèi)星的激光瞄準(zhǔn)精度。結(jié)果表明：地面對(duì)衛(wèi)星的激光瞄準(zhǔn)精度與激光束的發(fā)射口徑成正比，發(fā)射口徑越大，瞄準(zhǔn)精度越高；而與激光束的發(fā)散角成反比，光束發(fā)散角越大，瞄準(zhǔn)精度越低。最后，比較研究了不同瞄準(zhǔn)精度下到達(dá)衛(wèi)星入瞳處的功率以及功率密度。研究成果可為開展地面對(duì)抗衛(wèi)星的試驗(yàn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。3