冠层内风向是否与行星边界层上的风向相关?

Question

行星边界层(PBL)上的风在短时间内趋于相当平稳和恒定。在行星边界层之下，平滑被与陆地表面摩擦产生的涡流打破。在树冠之下，风可能更加湍流，平均速度也要慢得多。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。

边界层和地面之间的涡流对风向的分散有多大?冠层下方的风向是否仍然与边界层上方的风向相关?风速也遵循同样的模式吗?

Answer 1

湍流是流动的一种特性，而不是流体的物理特性。自然界中的湍流是受外界影响而不断演化的，目前人们对演化中的湍流知之甚少。林冠分布、地貌等边界条件对湍流动力学起着至关重要的作用。所有的湍流都是不同的，但它们具有相似的内在动力学，通过统计手段可以将平均流的性质与湍流动力学联系起来。

“大旋涡有小旋涡，小旋涡以速度为食;小轮有小轮;粘度也是如此。”

刘易斯·弗莱·理查森

湍流是一种多尺度现象，湍流中的小涡流具有很短的时间尺度。仅这一点就使它们在统计上独立于平均流量。因此，小尺度运动只取决于它从大尺度获得能量的速率，以及动能转化为热量的速率。假设这两种变化率相同，因此净变化率与耗散率相比很小。

这就是Kolmogorov的普遍平衡理论的基础。它基本上是说，小尺度涡流的能量供给率等于耗散率:

$$U^3/L \sim \epsilon \， .$$

换句话说，黏度的耗散效应可以从大尺度动力学中估计出来，而大尺度动力学实际上是无黏性的。惯性效应导致能量通过涡旋拉伸从小波数空间向大波数空间传递。平均流动动能以大涡流的形式转化为紊流能量，再由大涡流串降为小涡流等等，剩余的波动最终被粘性阻尼耗散。

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。雷诺兹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，湍流力矩交换用涡流粘度来模拟。

所有这些讨论都还在边界层内部。边界层外是平均风，它为边界层内的湍流提供必要的切变。这种风虽然不受边界层内湍流波动的影响，但却是它们存在的原因。