大气对流边界层中温度的对数型剖面研究
流体动力学
2021-03-17 v1
摘要
壁面有界湍流在自然与工程系统中广泛存在，例如近地表的空气流动、河流中的水流动，以及汽车或飞机周围的流动。von Kármán 于 1930 年提出的壁面有界湍流通用对数速度剖面是湍流少数精确的物理描述之一。然而，当存在浮力效应时，平均速度和温度剖面无法被该通用对数律充分描述。1954 年提出的 Monin-Obukhov 相似理论（MOST）是解释这些浮力效应并描述大气边界层的基石理论。MOST 已被用于几乎所有全球天气、气候与水文模型，以描述平均速度、温度及标量剖面对于浮力的依赖关系。根据 MOST，随着浮力效应变得重要，温度的对数剖面会失效。相反，本文表明这一长期存在的 MOST 理论并不适用于温度。我们提出了近壁温度对数剖面的新理论，修正了 MOST 的缺陷，并得到了高分辨率直接数值模拟和对流大气边界层野外观测的支持。与通用的 von Kármán 斜率相比，浮力效应并未改变温度剖面的对数性质，而是调制了其斜率。新公式具有广泛应用，例如在气候模型中，所提出的温度新对数律应能产生更真实的大陆地表温度，而后者受浮力影响显著。
引用
@article{arxiv.2002.09776,
title = {On the logarithmic profile of temperature in the atmospheric convective boundary layers},
author = {Yu Cheng and Qi Li and Pierre Gentine},
journal= {arXiv preprint arXiv:2002.09776},
year = {2021}
}
备注
18 pages, 11 figures