冠层内的风向是否与行星边界层以上的风向相关?

Question

行星边界层(PBL)上方的风在短时间内趋于平稳和恒定。在行星边界层以下，光滑被与地表摩擦引起的涡流打破。在树冠之下，风可能更加汹涌，平均速度要慢得多。我很想知道这些涡流的整体影响是如何改变树冠内的风向的。

PBL与地面之间的涡流对风向的分散作用有多大?冠层以下的风向是否仍然与PBL以上的风向相关?风速也遵循类似的模式吗?

Answer 1

湍流是流动的一种特性，而不是流体的物理特性。自然界中的湍流流动是由于外界的影响而演变的，目前很少有演化的湍流流动得到很好的理解。冠层分布、地貌等边界条件对湍流动力学的决定起着至关重要的作用。所有的湍流都是不同的，但它们有相似的内在动力学，通过统计方法可以将平均流的性质与湍流动力学联系起来。

“大漩涡有小漩涡，以它们的速度为食;小轮齿有小轮齿;以及粘度。”

刘易斯·弗莱·理查森

湍流是一种多尺度现象，湍流中的小漩涡具有非常短的时间尺度。仅这一点就会使它们在统计上独立于平均流。因此，小尺度运动只取决于从大尺度运动中获得能量的速率，以及动能转化为热量的速率。假定这两种变化率相同，因此净变化率与耗散率相比较小。

这就是柯尔莫哥洛夫普适均衡理论的基础。它基本上是说，小尺度涡流的能量供应率等于耗散率:

$$U^3/L \sim \epsilon \， .$$

换句话说，粘度的耗散效应可以从大尺度动力学中估计出来，这实际上是无粘性的。惯性效应通过涡旋拉伸引起能量从小波数空间到大波数空间的转移。平均流动能以大涡的形式转化为湍流能量，再由大涡级联到小涡等，剩余的波动最终被粘性阻尼所消散。

湍流速度波动在流动的不同区域之间产生较大的动量通量，这是一个类似于应力(雷诺应力)的过程。雷诺应力量化了湍流运动对平均流的贡献。由于动量传递机制类似于分子扩散，湍流矩交换用涡流黏度来模拟。

所有这些讨论仍然在边界层内部。边界层外是平均风，它为边界层内的湍流提供必要的切变。虽然这种风不受边界层内湍流波动的影响，但这正是它们存在的原因。