湍流热通量
湍流热通量描述之间的能量交换雪地表和近地表大气边界层。摩擦surface-atmosphere接口创建耗散的动力通过直接(分子)粘性阻力和湍流涡运动。直接粘滞效应仅限于几厘米的表面通常是次要的;(3.1)的能量通量主要是与动荡的漩涡。如果表面是粗糙的,风是强大到足以产生湍流,明智的和潜在的能量创建表面,QH和量化宽松政策,作为副产品的动量和动能耗散大气流动在雪或冰。
用于估计方程狂暴的能量通量是一个复杂的理论和经验主义的混合物。最简单的方法是假设一个混合大气边界层垂直通量的明智的和潜在的能量成正比风速。这可以参数化的
问e朋友/ vCEUMv 9。)
pa和会计师空气的密度和比热容,Ls / v的潜能是升华或蒸发,ua是风速,CH和CE无因次参数湿热交换。大气变量9和q指的是潜在的空气温度和特定的湿度。表面的潜在的温度和湿度值(3.12),有时被称为“皮肤”的价值观,是那些在ca。1毫米的表面。这些被雪或冰的表面温度,在该温度下饱和含湿量。
雪和冰表面具有一个稳定边界层,表面附近的冷空气和强大的垂直梯度温度,湿度和风速。稳定的调整可以内置空气动力系数(3.12)或大部分空气动力学公式可以修改包括对边界层资料更现实的假设。后一种方法引入了一个不同的模型,不同的被称为普朗特的理论,flux-gradient理论,方法,标量转移理论,或涡流扩散系数模型湍流通量。这种治疗在概念上不同于大部分平板混合层的空气动力学的方法,虽然这两种方法融合数学在某些应用程序中。
基于假设的垂直梯度热力学变量在近地表边界层,普朗特理论本质上是参数化湍流通量作为一种散装扩散、涡流扩散系数KH和柯。这些参数之间有直接联系的想法涡流粘度这是用于oceano-graphic建模。涡流粘度是一个构造,与分子粘度无关。同样,热量和湿气像热涡流扩散系数和液压dif-fusivities,但它们不是材料属性。在某种程度上是合理的认为湍流传输扩散的一种形式:动量,热量,和水分传输从高到低浓度,创建一个更均匀降低边界层。类比与真正的扩散有一定的局限性。湍流交换并不总是有效的边界层越低,混合和混合的效果取决于表面粗糙度特性,风力强度、风切变、低边界层的稳定性。原则上,这些影响在涡流扩散系数可以合并,KH和柯。
根据古典普朗特理论,风速随高度表面以下
参数k是卡门常数,一个经验值为0.4时决定的,和美国是一个特征速度。这可以集成给著名的对数关系边界层风、z0在哪一个积分常数,称为表面粗糙度。数学上,表面粗糙度长度定义为高度的风速趋于零。身体上,粗糙度长度与雪表面的机械耦合的程度和边界层气流。粗糙表面施加更大的粘性微扰,更有可能导致动荡的漩涡,给予足够的气流。空气动力学粗糙度值低于几何粗糙度元素,但z0通常是成正比的几何表面粗糙和起伏。发表z0值从0.1毫米到几厘米在冰雪,基于风速剖面测量在中性稳定条件。亚毫米波测量主要指grain-scale粗糙度元素。值1 - 10毫米的典型表面融化,可以开发的太阳杯和相对大规模的表面起伏不定。
工作的速度剖面和类似的假设(3.14)和潜在的温度和含湿量的资料,
ln (zl z0) ln (zl z0h) J ' qv (z) q (zQE)
这里,z0H和z0E粗糙度长度尺度明智的和潜热通量。这些是不同的湍流粗糙长度的动量交换。以此类推,但是,它们可以作为qa和qv的高度等于表面(皮肤)值。隐含在(3.15)是假设艾迪dif-fusivities为动力,显热、潜热运输是相等的。这个表达式还假设中性稳定边界层较低。方程(3.15)可以调整参数化大气稳定性的影响,这将扩大或限制湍流能量交换的程度。
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