Statistical characteristics of turbulence and the budget of turbulent energy in the surface boundary layer

摘要

接地層における乱流構造を定量的に把握することを目的として、大気安定度の各領域(安定・中立・不安定)を含める乱流エネルギー収支モデルを作成することがこの研究の目的である。筑波大学水理実験センターの気象観測塔の4高度に設置した超音波風速温度計による3次元の風速変動および温度変動の測定結果を使用して、乱流統計量を算定した。次いで，乱流統計量から乱流エネルギー収支式の各項を評価し、それらの鉛直構造と時間変化を考察した。また、各項と大気安定度との関数関係を実験的に求め、乱流エネルギー収支モデルを導いた。　得られた結果は次の通りである。　1)摩擦速度は平均風速とともに直線的に増加し，風速成分の標準偏差は測定高度・平均風速・大気安定度と密接な関係がある。摩擦速度で無次元化した鉛直成分の乱流強度はモニン・オブホフの相似則に従い、大気安定度の関数として表わすことができる。　2)風速成分のスペクトルは高周波側で-5/3乗則に従い、コルモゴロフの乱流理論における慣性小領域は測定高度および大気安定度が増加するにつれて、低周波側へ移動する。　3)乱流の代表的なスケールは測定高度および大気安定度と共に増加し、平均風速と共に減少する。水平成分のスケールは。鉛直成分よりも大きい。　4)鉛直成分のスペクトルのピーク周波数は慣性小領域の始まる周波数と対応し、その波長の高さに対する比は2～4の間の値をとる。　5)粘性消散項は平均風速の3乗に比例して増加し、高さと共に減少する。中立の場合，粘性消散項と風速シアー項は、ほぼ平衡する。　6)乱流エネルギー・フラックスは不安定の場合、正で高さと共に増加し、安定の場合、高さと共にほぼ一定である。乱流輸送項は不安定の場合には浮力項の約2倍であるが，安定の場合にはほぼ零となる。　7)残差項は中立の場合、零になり、不安定および安定の場合、増大する。　8)乱流エネルギー収支の鉛直構造と時問変化を調べた結果、大気安定度が不安定の場合、風速シアー項と粘性消散項がそれぞれ主要な乱流エネルギーのソースとシンクである。両者は地表面の影響を受け、高さと共にその絶対値を減少する。浮力項もまたエネルギーのソースであるが、その大きさは風速シアー項よりも小さい。 Turbulence measurements of wind and temperature were made by sonic anemometer-thermometers in the first thirty meters of the atmosphere. Direct measurements of turbulent fluctuations are possible to present the data in the context of the Monin-Obukhov similarity theory. ...