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1、万方数据第28卷第2期海洋技术V01.28,No.22009年6月OCEANTECHNOLOGYJune,2009应用湍流通量理论分析蒸发波导机理郭相明,康士峰,张玉生,成印河(中国电波传播研究所,山东青岛266107)摘要:蒸发波导是近海面经常出现的大气结构。从湍流运动方程出发,基于近海面海一气耦合湍流通量理论和算法分析了蒸发波导机理。对气象要素变化时,蒸发波导高度和感热、蒸发潜热和动量通量间的关系进行了分析,表明蒸发波导的形成和湍流通量具有明显相关性,为蒸发波导机理研究提供了新途径。关键词:蒸发波导;大气湍流;湍流通量中图分类号:TNOll.3文献标识码:A
2、文章编号:1003—2029(2009)02—0096-051引言大气波导环境是导致无线电波非正常传播的一种重要的环境因素,它能够部分地陷获电磁波的传播,从而改变电磁波传播的特征flI。因此,大气波导中的环境特性和电波传播特性研究在雷达通信、探测、电子对抗等无线电系统应用中有着重要的军事意义。蒸发波导是大气波导的一种,是海上经常m现的大气结构,有研究表明某些海域蒸发波导的出现概率可达80%以上,因此,蒸发波导是影响海面卜电磁波传播的重要因素。蒸发波导不仅具有一般尺度、天气和地理特征,且对大气湿度、海面温差和水平风速的变化具有敏感性,随季节和日变化等121。通常认
3、为蒸发波导的形成机制是由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范同内的大气湿度自海面饱和状态向上随高度锐减而形成的。其实,其形成过程与海一气边界层湍流运动紧密相关,具有特殊的形成机理和复杂的模型结构。本文基于近地(海)面层湍流理论,首先介绍近海(地)面湍流通董理论和算法,利用海一气耦合通母算法COARE3.0,从蒸发波导主要特征量波导高度随海气界面间的湍流通量变化分析了蒸发波导机理。2近地面湍流通量理论蒸发波导出现在海洋大气边界层内,可以运用大气边界层的湍流理论进行研究。在近海(地)面大气的主要运动形式为大气湍流运动,也是海一气界面之间作用的主要形式,湍流运动的动量
4、、热量和水汽守恒方程(张量形式)为PI:粤肾一吉詈一点39+fe·ja矿⋯a2厅,a(ulu?)”茸一1产收稿日期:2009—02—16基金项目:电波环境特性及模化技术国家重点实验室基金资助项目(9140C0802050703)a万一aga2万1ae;百棚,i%可一万瓦一一LP,一三(万)(2)≯cp瓠i。—j—●研一研S。a(u,q)蔷枷7葛2芗一百■(3)式中:_f或i,P一,舀,歹和矿分别是雷诺平均水平风速分量、气压、位温、空气密度和湿度;Mj或Ⅱj,07,q7分别为雷诺平均脉动量风速、位温和湿度;80,∈档为克罗内克(Kronecker)张量符号和交换张
5、量;Ft为静辐射通量在J方向的辐射散度;£为水汽的源和汇导致空气水汽含量的增减;pI为单位体积、单位时间的蒸发量;£为与相变有关的潜热i厂为科氏参数;”为分子粘性系数;c,为湿空气定压比热。可见,近地层湍流运动过程是多种因素的综合过程,其中五瓦、五万j和五i_,,可以写成p矗霄妒c,五歹和P而j形式,它们分别为沿水平算,柱单位时间通过单位面积上的动量、热量和水汽量,称为湍流动量通量、湍流热量通量和水汽通量,它们是导致风速、温度和湿度变化的主要因素。考虑到大气中水平方向的湍流通量比垂直方向的湍流小的多,可以略去,只剩下了垂直分量Pc万矿,Pj07和pu一'w'(p
6、彳矿),分别代表湍流运动的感热交换、水汽交换和上面流体对下面流体的切向力,即为感热、水汽和动量通量,其中水汽通量乘以蒸发潜热为潜热通量。通过这砦湍流通量,大气与地(海)面间进行物质和能量的垂直交换,这些湍流通量在近地面层内随垂直高度的变化小于其自身量级10%,可以认为是近乎不变,因此近地(海)面层也称为常通最层。海一气界面通董的计算方法通常分为两种:直接算法和参数化方法。直接算法是根据通量的定义直接测鼍气象要素的湍流脉动量,计算其二阶矩算出,是最准确的方法,实际中。由于受到人力、物力以及观测手段的影响,通常采用参数化的方法(整体公式)去估计海气界面的湍流通量,该
7、方法依赖于诸如风速、温度和湿度等近海面基本变量的测量。目前,普遍使用的计算湍流通量的是块体公式,较为先进且普遍认万方数据第2期郭相明等:应用湍流通量理论分析蒸发波导机理可的通量算法为COARE3.0通量算法141。3COARE3.0通量算法多国科研人员在伞球大气研究计划“耦合海气响应试验”(TOGA—c0ARE)和以后的试验基础上发展了COARE通鼍算法旧。该算法采用块体方法,以Monion—Obukhov(MO)相似理论和LKB通量算法为基础161,经过不断发展和改进,到2003年发展为3.0版本,使算法适用的区域扩展至中高纬,风速限制也南原来的12m/s扩至
8、20m/s,主要用于海一
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