湍流热通量
湍流热通量描述雪面和近地面大气边界层之间的能量交换。地表-大气界面的摩擦通过直接(分子)粘性阻力和湍流涡旋运动造成动量的耗散。直接的粘性影响局限在地面几厘米以内，通常很小;(3.1)中的能量通量主要与湍流涡有关。如果表面粗糙，风强到足以产生乱流，明智的和潜在的能量在表面，QH和Qe，作为动量和动能耗散的副产物而产生大气流动在雪地或冰面上。
用来估计的方程狂暴的能量通量是理论和经验主义的复杂混合体。最简单的方法是假设一个混合良好的大气边界层，其垂直通量的感能和势能成正比风速．这可以通过参数化
Q e PaLs/vCEUMv)’
其中pa和cpa为空气的密度和比热容，Ls/v为升华或蒸发潜能，ua为风速，CH和CE为无因次的热量和水分体积交换参数。大气变量9和q是指空气的潜在温度和比湿度。(3.12)中潜在温度和湿度的表面值，有时称为“蒙皮”值，是指距离表面约1毫米内的值。这些被认为是雪或冰的表面温度和饱和比湿度在这个温度。
雪和冰表面的特征是有一个稳定的边界层，在表面附近有冷空气，在温度、湿度和风速方面有很强的垂直梯度。(3.12)的空气动力系数可以进行稳定性调整，也可以修改整体空气动力公式，以包括更现实的边界层轮廓假设。后一种方法引入了一种不同的封闭模型，各种称为普朗特理论，通量梯度理论，剖面方法，标量转移理论，或的涡流扩散模型湍流通量．这种处理方法在概念上不同于平板混合层的大块气动方法，尽管这两种方法在某些应用中在数学上收敛。
基于对近地表边界层热力学变量垂直梯度的假设，普朗特理论本质上将湍流通量参数化为一种体扩散形式，具有涡动扩散系数KH和KE。这些参数和思想之间有直接的相似之处涡流粘度它被用于海洋学建模。涡流粘度是一种结构，与分子粘度无关。同样，热和湿的涡流扩散系数与热扩散系数和水力扩散系数相似，但它们不是材料性质。在某种程度上，将湍流传递视为一种形式的扩散是合理的:动量、热量和水分从高浓度转移到低浓度，形成一个更均匀的下边界层。与真扩散的类比有局限性。湍流交换对低层边界层的混合并不总是有效的，混合的效果取决于表面粗糙度性质、风力强度、风切变和低层边界层稳定性。原则上，这些影响可以被纳入涡动扩散系数、KH和KE。
根据经典的普朗特理论，风速随着地面高度的增加而增加
参数k是冯·卡门常数，其经验确定值为0.4,u是特征速度。这可以被积分得到众所周知的边界层风的对数关系，其中z0是一个积分常数，被称为表面粗糙度。在数学上，表面粗糙度的长度定义为风速趋近于零的高度。在物理上，粗糙度长度与雪面与边界层气流的力学耦合程度有关。粗糙的表面施加更大的粘性扰动，更有可能导致湍流的涡流，如果有足够的气流。气动粗糙度值小于几何粗糙度元素，但z0通常与表面的几何粗细和起伏成正比。根据中性稳定条件下的风廓线测量，公布的z0值在冰雪上从0.1毫米到几厘米不等。亚毫米测量主要是指颗粒尺度的粗糙度元素。1-10毫米是典型的熔化表面，可以形成太阳杯和相对大规模的表面波动。
根据(3.14)中的速度分布，并对潜在温度和比湿度的分布进行类似的假设，
ln (zlz0) ln (zlz0h) J' qv(z) q，(zQE)
其中，z0H和z0E为的粗糙度长度尺度感潜热通量。这与湍流动量交换中的粗糙度长度不同。然而，通过类比，它们可以被视为qa和qv等于表面(皮肤)值的高度。(3.15)隐含的假设是，动量的涡流扩散系数，感热和潜热运输平等。这个表达式也假定下边界层的中性稳定性。式(3.15)可以调整以参数化大气稳定性的影响，这将放大或限制湍流能量交换的程度。
继续阅读:大气中的雪
这篇文章有用吗?
