動(dòng)力氣象-第八章(大氣邊界層3)

1、第八章第八章 大氣行星邊界層大氣行星邊界層 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1 大氣邊界層及其特征大氣邊界層及其特征 2 湍流平均運(yùn)動(dòng)方程、混合長理論湍流平均運(yùn)動(dòng)方程、混合長理論 3 近地面風(fēng)隨高度的變化規(guī)律近地面風(fēng)隨高度的變化規(guī)律 4 ?？寺鼘又酗L(fēng)隨高度的變化規(guī)律埃克曼層中風(fēng)隨高度的變化規(guī)律 5 二級(jí)環(huán)流、?？寺槲托D(zhuǎn)減弱二級(jí)環(huán)流、?？寺槲托D(zhuǎn)減弱 物理分析物理分析 5 二級(jí)環(huán)流、?？寺槲托D(zhuǎn)減弱二級(jí)環(huán)流、?？寺槲托D(zhuǎn)減弱 相應(yīng)的，自由大氣中的氣旋區(qū)要產(chǎn) 生輻散，反氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻合，這樣就 在垂直面內(nèi)形成閉合環(huán)流。閉合環(huán)流。 如果將水平面上的氣旋、反氣旋，如果將水平面上的氣旋、反氣旋， 稱

2、為一級(jí)環(huán)流，則稱這個(gè)由一級(jí)環(huán)流誘稱為一級(jí)環(huán)流，則稱這個(gè)由一級(jí)環(huán)流誘 發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為 二級(jí)環(huán)流的作用：使邊界層與自由大二級(jí)環(huán)流的作用：使邊界層與自由大 氣發(fā)生物理量交換。氣發(fā)生物理量交換。 (1) 從角動(dòng)量的角度看： 邊界層中角動(dòng)量小的空氣，輸送到自由大氣； 自由大氣中角動(dòng)量大的空氣，輸送到邊界層。 結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動(dòng)量。 自由大氣角動(dòng)量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱旋轉(zhuǎn)減弱 邊界層角動(dòng)量增加，以補(bǔ)償耗散。 （2）從渦度角度看： 氣旋區(qū)輻散氣旋減弱 自由大氣中：旋轉(zhuǎn)減弱 反氣旋區(qū)輻合反氣旋減弱 氣旋區(qū)輻合氣旋加強(qiáng) 邊界層中：用來補(bǔ)償耗散 反氣旋區(qū)輻

3、散反氣旋加強(qiáng) 注意：自由大氣中忽略耗散，是通過與邊 界層發(fā)生相互作用使得大氣旋轉(zhuǎn)減弱，耗 散發(fā)生在邊界層。 Ekman抽吸與二級(jí)環(huán)流抽吸與二級(jí)環(huán)流 風(fēng)穿越等壓線由高壓吹 向低壓而輸送的質(zhì)量， 是由v分量引起的。 考察由高壓向低壓 輸送情況。 0 B h Mvdz vvldz 由于穿越等壓線從高壓向低壓輸送由于穿越等壓線從高壓向低壓輸送 質(zhì)量，在氣旋（低壓）產(chǎn)生輻合上升，質(zhì)量，在氣旋（低壓）產(chǎn)生輻合上升， 反氣旋（高壓）產(chǎn)生耗散下沉，在邊界反氣旋（高壓）產(chǎn)生耗散下沉，在邊界 層頂產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)。層頂產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)。 由輻合量得到相應(yīng)的垂直速度。由輻合量得到相應(yīng)的垂直速度。 上該式表明，?？寺鼘禹?shù)拇?/p>

4、直速度w(De) 與地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度g成正比。 對(duì)于典型的天氣 尺度系統(tǒng)來說，g10-5m/s，f10-4/s， De103m，w0.510-2ms-1，這與自由大 氣本身的垂直速度具有相同的量級(jí)。 2 Eg K w f 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦旋流場中，由于湍流摩擦效應(yīng)將會(huì)在 ?？寺鼘又性斐蓮?qiáng)迫的鉛直環(huán)流，它疊加在準(zhǔn) 地轉(zhuǎn)水平環(huán)流（地轉(zhuǎn)渦旋的切向環(huán)流，也稱為 一級(jí)環(huán)流，它是自由大氣不計(jì)湍流粘性應(yīng)力而 形成的環(huán)流）上，稱之為二級(jí)環(huán)流。二級(jí)環(huán)流 是由行星邊界層摩擦所驅(qū)動(dòng)，所以產(chǎn)生此二級(jí) 環(huán)流的機(jī)制稱為埃克曼抽吸。 2 Eg K w f 二級(jí)環(huán)流示意圖二級(jí)環(huán)流示意圖 大氣旋轉(zhuǎn)減弱大氣旋轉(zhuǎn)減弱 () BB g HH g

5、hh duv f dtxy dw f dtz d w dzfdz dtz 名次解釋名次解釋 1.行星邊界層行星邊界層(PBL) 2.?？寺？寺?Ekman)層層 3.上部邊界層上部邊界層 4. 雷諾應(yīng)力雷諾應(yīng)力 5.普朗特普朗特 (Prandtl)混合長混合長 6.湍流摩擦力湍流摩擦力 7.風(fēng)的對(duì)風(fēng)的對(duì) 數(shù)分律數(shù)分律 8.風(fēng)的指數(shù)分布律風(fēng)的指數(shù)分布律 9.?？寺菥€?？寺菥€ 10.埃克曼高度?？寺叨?11.梯度風(fēng)高度梯度風(fēng)高度 12.?？寺？寺?抽吸抽吸 13.一級(jí)環(huán)流一級(jí)環(huán)流 14.二級(jí)環(huán)流二級(jí)環(huán)流 15.旋轉(zhuǎn)減旋轉(zhuǎn)減 弱弱 16.?？寺槲？寺槲?17.摩擦速度。摩擦速度。 隨

6、高度（Z），風(fēng)速C 逐漸增大，當(dāng)?shù)侥骋桓?度時(shí)，風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的大小相等，令該高度為Zc： Zc 略小于/2hE，為?？寺鼧?biāo)高的1.46倍。 /2 / /2 / /2 / /2 / 12cos( /) 12cos( /)1 12cos( /)1 2cos( /)2cos(/) 2 /1.461.461.46455 EE EE EE cEEE z hz h gEg z hz h E z hz h E zhz hz h EcE cEcE cuez heu ez he ez he ez heezh K zhzhm f 作業(yè)題作業(yè)題1： 偏角隨高度逐漸，風(fēng)向自地面向上朝右旋轉(zhuǎn)， 到某一高度與地轉(zhuǎn)風(fēng)方向趨于一致。其中第一 次與地轉(zhuǎn)風(fēng)方向一致的高度