Page 210 - 《高原气象》2022年第1期

高 原 气 象 41 卷
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谱在低频区谱密度较高，峰值不明显，且不同稳定
度条件下的谱密度曲线较为接近，说明 u 和 v 方向
的湍流能量强于w方向的湍流能量。温度的归一化
谱在低频区 0. 01 Hz 处也存在“上翘”现象，不同稳
定度下的谱峰值较接近，则 w 方向的湍流与温度变
化较为密切。
根据 Kolmogorov 的谱相似理论，在惯性副区
内，湍涡符合各向同性的假设条件，w 和 v 方向风
速与 u 方向风速的谱密度比值满足：S（f）/S（f）=S v
u
w
（f）/S（f）=4/3，据此可以判断惯性副区所在频率范
u
围。图 6 给出了 S（f）/ S（f）和 S（f）/S（f）随频率的
图4 生长季和非生长季各时间不同大气稳定条件的 w u v u
变化。从图 6 中可以看出，不同大气稳定度条件下
出现概率
实线表示生长季，虚线表示非生长季 S（f）/S（f）在低频处（<0. 2 Hz）离 4/3 理论线较远，
u
w
Fig. 4 Probability of different atmosphere stability in the 随着频率增加逐渐向理论线靠近。因此在高频区
growing and non-growing seasons. The solid line indicates 不同稳定度条件下湍涡在 w 和 u 方向满足各向同性
the growing season，the dashed line indicates the 条件，符合惯性副区的相似理论，而低频段S（f）/S u
w
non-growing season （f）表现出较大的离散性，存在湍流各向同性的低
0. 01 Hz 处具有明显的“上翘”现象，谱峰值对应频 频限制。S（f）/S（f）低频限制对应的频率较低，大
u
v
率随着大气稳定度的增加逐渐向高频区移动，表示 致位于 0. 03 Hz，说明湍涡在 v和 u方向的各向同性
湍流能量和湍流尺度随大气稳定度的增加逐渐降 条件受低频限制的影响较小。因此水平方向较大
低，大气稳定条件下的谱峰值向高频区移动最明 的湍涡仍满足各向同性，而垂直方向只有高频的小
显，峰值频率为 0. 08 Hz。u 和 v 方向风速的归一化 涡符合各向同性条件。

图5 不同大气稳定度下三维风速和温度的归一化谱
Fig. 5 Normalized spectra of velocity components in three dimensions and
temperature with different atmosphere stability