自由大气层

自由大气层


发布日期: 2016-10-24 更新日期: 2016-11-10 编辑:xuzhiping 来源:本站 浏览次数: 2690

摘要: 自由大气层的定义 自由大气层是指远离地面、不受地面摩擦力影响的大气层,通常是指2000米高度以上的大气层。自由大气层中,由于没有摩擦力的作用,空气的运动主要受气压梯度力和科里奥利力的影响。通常将单位距离内气压变化的大小称为气压梯度,气压梯度使空气产生运动的力称...

自由大气层的定义

自由大气层是指远离地面、不受地面摩擦力影响的大气层,通常是指2000米高度以上的大气层。自由大气层中,由于没有摩擦力的作用,空气的运动主要受气压梯度力和科里奥利力的影响。通常将单位距离内气压变化的大小称为气压梯度,气压梯度使空气产生运动的力称为气压梯度力;科里奥利力或又简称为科氏力,是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

自由大气层的简介

地球表面不同纬度的地区接受阳光照射的量不同,从而影响大气的流动,在地球表面延纬度方向形成了一系列气压带,如所谓“极地高气压、副极地低气压带”、“副热带高气压带”等。在这些气压带压力差的驱动下,空气会沿着经度方向发生移动,风向风速自记仪利用这个原理制成,而这种沿经度方向的移动可以看作质点在旋转体系中的直线运动,会受到科里奥利力的影响发生偏转。受到地表摩擦影响的大气层称为“大气边界层”。在接近地面的大气层中,风受到大量的地面因素的影响,包括地表摩擦力、地表热交换、湿度变化和地形变化等。大气边界层的范围一般是从地表到2000米高度,在这个范围内又分为3个区域:2米以下的底层、2米到100米范围的下部摩擦层和100米到2000米的上部摩擦层。对于风电场而言,主要研究2米到100米区域的下部摩擦层。在大气边界层中,空气运动是一种随机的湍流运动。所谓湍流运动,是指雷诺数较大,惯性力对流场的影响大于薪滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的流场。对于湍流运动,无法用解析的方法来研究,主要用统计方法来描述。影响大气边界层风速的主要有以下几个因素: 大气温差引起的空气上下对流运动;由于地表摩擦力的影响,风速随高度变化;由于地球自转引起的科里奥利力随高度的变化,风向随高度变化;由于湍流运动引起的动量垂直变化,大气湍流特性随高度变化。风速是指单位时间内空气在水平方向上移动的距离。由于空气运动的湍流特性,导致风速的随机变化。为了研究方便,平均风速随时间和空间变化,平均风速的分布具有一定的统计规律。根据已有的平均风速数据,可以计算并绘制出风速的概率密度曲线图。平均风速的分布可以用概率密度函数来描述,通常用威布尔(wethull)分布和瑞利(Rayeigh)分布来描述平均风速的分布。威布尔分布可以较好地拟合大部分情况下的风速分布,但对于有些情况却不能有效地拟合。要得到准确的平均风速的概率密度曲线,需要大量的风速实测数据。大气运动是一个随机过程,是一种湍流运动。脉动风中随时间和空间的变化是随机的,可以用数理统计的方法研究脉动风的特性。脉动风速的时间平均值为零,概率密度函数非常接近于高斯分布。脉动风的统计特性包括湍流强度、湍流尺度和功率谱密度等。湍流强度描述了风速随时间和空间变化的程度,反映脉动风速的相对强度,是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。湍流强度的大小主要与离地高度和地面粗糙长度有关。湍流强度随离地高度增加而减小,随地面粗糙长度增加而增大。

大气湍流运动是由许多不同尺度的涡旋运动组合而成的;不同大气尺度的涡旋在大气运动中起着不同的作用。风向风速监测仪可以很明显的显示出来这些大气尺度中的风向和风速,湍流积分尺度是与脉动速度有关的涡旋的平均尺度。当两点间距离小于湍流积分尺度时,则两点经常处于同一个涡旋内,因此,两点的脉动速度是相关的,涡旋的作用将增强;反之,当空间两点间距大于湍流积分尺度时,则两点经常处于不同的涡旋,因此,两点的脉动速度是不相关的,涡旋作用会减弱。湍流积分尺度同样与离地高度和地面粗糙长度有关。它随离地高度增加而变大,随地面粗糙长度增加而减小。

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