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题名从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论
被引量：12
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作者
胡隐樵
陈晋北
吕世华
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机构
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室
中国科学院黑河上游生态-水文实验研究站
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出处
《高原气象》
CSCD
北大核心
2012年第1期1-27,共27页
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基金
国家自然科学基金项目(40705007
40775017
+1 种基金
40233035)
国家自然科学基金重点项目(1141130961)共同资助
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文摘
湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。
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关键词
大气湍流
非平衡态热力学
湍流输送通量
湍流强度
非均匀下垫面
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Keywords
Atmospheric turbulence Nonequilibrium thermodynamic Turbulent transport flux Turbulent intensity Heterogeneous underlying surface
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分类号
P404
[天文地球—大气科学及气象学]
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