Contents
1 General Characteristics of the Atmospheric Boundary Layer . . . . . .
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References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Aerodynamic Characterization of the Surface Layer . . . . . . . . . . . . 13
2.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Turbulent Diffusivity Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Aerodynamic Method Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Direct Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Iterative Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Characterization of Turbulent Flow in the Surface Boundary
Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Mean and Flutuation Components for Turbulent Flows . . . . . . . . 35
3.3 Taylor’s Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Ergodic Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Introduction to Turbulent Motion Equations . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1 Navier–Stokes Equations for Laminar Flow . . . . . . . . . . . 40
3.5.2 Equations for Mean Variables in Turbulent Flow . . . . . . . 44
3.5.3 Equations for Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.4 Equations for the Vertical Momentum Flux . . . . . . . . . . . 50
3.5.5 Equations for Vertical Flow of Scalar Quantities . . . . . . . 51
3.5.6 Kinetic Energy Budget Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.7 The Closure Equation Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Spectral Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.2 Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.4 Discrete Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
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1 General Characteristics of the Atmospheric Boundary Layer . . . . . .
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References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Aerodynamic Characterization of the Surface Layer . . . . . . . . . . . . 13
2.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Turbulent Diffusivity Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Aerodynamic Method Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Direct Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Iterative Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Characterization of Turbulent Flow in the Surface Boundary
Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Mean and Flutuation Components for Turbulent Flows . . . . . . . . 35
3.3 Taylor’s Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Ergodic Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Introduction to Turbulent Motion Equations . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1 Navier–Stokes Equations for Laminar Flow . . . . . . . . . . . 40
3.5.2 Equations for Mean Variables in Turbulent Flow . . . . . . . 44
3.5.3 Equations for Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.4 Equations for the Vertical Momentum Flux . . . . . . . . . . . 50
3.5.5 Equations for Vertical Flow of Scalar Quantities . . . . . . . 51
3.5.6 Kinetic Energy Budget Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.7 The Closure Equation Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Spectral Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.2 Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.4 Discrete Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
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