夜间稳定大气边界的艾克曼层结构

【作者】 刘罗勤； 沈洲行； 陆夕云； Richard J.A.M.Stevens；

【机构】 中国科学技术大学,近代力学系； Physics of Fluidsgroup University of Twente；

【摘要】 随着风机和风电场不断向大型化发展,风能研究将面临一系列新的挑战,其中之一就是增进大气边界层的物理理解。在大气边界层中,表面层的平均流动通常可用莫宁-奥布霍夫相似理论描述。然而,在表面层以上的艾克曼层,由于科里奥利效应变得非常显著,莫宁-奥布霍夫相似理论不再适用。为了解决这个难题,本报告推导了一种新的理论模型,可以用来预测夜间稳定大气边界层的湍流剪切力和地转风亏损。这里,夜间稳定大气边界层是指地面热流为负且边界层顶部势温梯度为零的大气边界层。该理论解是基于艾克曼方程和一种更准确的通量理查森数参数化方法,结果表明湍流剪切力和地转风亏损的特征尺度分别为ustar2和ustar2/(hf),其中ustar2是摩擦速度的平方,h是边界层高度,f是科里奥利参数。理论预测与大涡模拟和观测结果一致,从而证实了该模型的正确性。结合地转阻力定律,该模型还可以准确预测艾克曼层的风速剖面。因此,本报告获得的艾克曼层结构对风力发电等气象应用具有重要的潜在价值。更多还原