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文檔簡介

1、第八章第八章 大氣行星邊界層大氣行星邊界層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)動方程、混合長理論湍流平均運(yùn)動方程、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??寺鼘又酗L(fēng)隨高度的變化規(guī)律 5 二級環(huán)流、??寺槲托D(zhuǎn)減弱二級環(huán)流、??寺槲托D(zhuǎn)減弱混合長示意圖混合長示意圖近地面層風(fēng)隨高度的分布(風(fēng)廓線)近地面層風(fēng)隨高度的分布(風(fēng)廓線)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)律一、常值通量層的概念一、常值通量層的概念 邊界層最重要的特性是: 湍流性物理量輸送據(jù)觀測近地面層中zxzxTT “近地面層”中,該層很薄,

2、該層很薄,物理量的通量幾乎不隨高度變化。由于近地面層中物理量的通量幾乎不隨高度變化,所以又稱近地面層稱為常值通量層。 常通量層中,物理量的垂直輸送不隨高度常通量層中,物理量的垂直輸送不隨高度變化。則湍流動量輸送(雷諾應(yīng)力)變化。則湍流動量輸送(雷諾應(yīng)力) Tz = Tz0 =常矢量常矢量 其中其中z0稱為地面粗糙度稱為地面粗糙度,定義為風(fēng)速為零,定義為風(fēng)速為零的高度,風(fēng)洞實(shí)驗確定其值為覆蓋下界面的高度,風(fēng)洞實(shí)驗確定其值為覆蓋下界面粗糙物平均高度的粗糙物平均高度的1/30。有代表性的地面粗糙度有代表性的地面粗糙度圖中的w表示垂直運(yùn)動,F(xiàn)表示浮力lz中性層結(jié)中,湍流僅決定與下墊面動力作用。離中性層

3、結(jié)中,湍流僅決定與下墊面動力作用。離下墊面越近,下墊面越近,l 就越小。就越小。Prandtl假設(shè)假設(shè)l是是z的線性的線性函數(shù)函數(shù)l= z。 是卡曼常數(shù)(是卡曼常數(shù)(0.350.42,一般取,一般取0.4)。)。00;lnuctgzyz斜率為軸上的截距為二個點(diǎn)可以確定一直線,所以二個高度上有二個點(diǎn)可以確定一直線,所以二個高度上有觀測,可以得到風(fēng)廓線,可以得到觀測,可以得到風(fēng)廓線,可以得到u* 及及z0三力平衡示意圖三力平衡示意圖 4 ??寺鼘又酗L(fēng)隨高度的變化規(guī)律??寺鼘又酗L(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 假定:假定: 密度密度 取常數(shù);取常數(shù);

4、略去加速度項略去加速度項(運(yùn)動定常以及平流慣性力相對于科氏力和水平(運(yùn)動定常以及平流慣性力相對于科氏力和水平氣壓梯度力可忽略);氣壓梯度力可忽略); 只考慮湍流粘性力在只考慮湍流粘性力在鉛自方向的變化。鉛自方向的變化。垂直項的輸送垂直項的輸送水平項的輸送水平項的輸送 略去平均量的平均符號略去平均量的平均符號,上式變?yōu)椋海鲜阶優(yōu)椋?10110zxzxzzyzyzpuufvTTKKxzzzpvvfuTTKKyzzz110110pufvKxzzpvfuKyzz 再假定:再假定: 水平氣壓梯度力不隨高度改變(各層的水平氣壓梯度力不隨高度改變(各層的ug 和和vg 不變);不變);密度密度 和湍流系數(shù)

5、和湍流系數(shù)K 為常數(shù)為常數(shù),則有??寺瑒t有??寺?層(大氣運(yùn)動)方程組:層(大氣運(yùn)動)方程組:11;ggppfvfuxy Ekman螺線: 上部摩擦層中,在湍流粘性力、科上部摩擦層中,在湍流粘性力、科氏力和壓力梯度力平衡之下,氏力和壓力梯度力平衡之下,各高度上的各高度上的風(fēng)速矢端跡在風(fēng)速矢端跡在水平面上的投影。水平面上的投影。 ??寺菥€的討論??寺菥€的討論 求出復(fù)速度的模求出復(fù)速度的模 W (大小):(大小): 輻角輻角 (風(fēng)與等壓線之間的夾角)(風(fēng)與等壓線之間的夾角) 2221 2cosEEzzhhgEzcWuvueehsin1cosEEzhEzhEzehvtguzeh ??寺菥€的討

6、論??寺菥€的討論 取取 =45 N,湍流系數(shù),湍流系數(shù)K=5m2/s,ug=10m/s,計算出??寺鼘痈鞲叨壬巷L(fēng),計算出??寺鼘痈鞲叨壬巷L(fēng)速分量速分量u, v風(fēng)速值大小及風(fēng)與等壓線之風(fēng)速值大小及風(fēng)與等壓線之間的夾角間的夾角 (見下表):(見下表):??寺鼘又酗L(fēng)向、風(fēng)速隨高度的變化埃克曼層中風(fēng)向、風(fēng)速隨高度的變化u,v 隨高度的變化隨高度的變化 梯度風(fēng)高度梯度風(fēng)高度ZH 與湍流系數(shù)與湍流系數(shù)K 和緯度和緯度 有關(guān)。有關(guān)。 同緯度,同緯度,K值越大,湍流運(yùn)動越強(qiáng),梯度值越大,湍流運(yùn)動越強(qiáng),梯度風(fēng)高度越高。反之亦然,這是因為強(qiáng)的湍風(fēng)高度越高。反之亦然,這是因為強(qiáng)的湍流運(yùn)動影響的層次深厚,所以需要在

7、更高流運(yùn)動影響的層次深厚,所以需要在更高的高度上風(fēng)向才與地轉(zhuǎn)風(fēng)趨于一致。的高度上風(fēng)向才與地轉(zhuǎn)風(fēng)趨于一致。2KHfZ 當(dāng)當(dāng)K值相同時,高(低)緯度處的梯度風(fēng)值相同時,高(低)緯度處的梯度風(fēng)高度低(高)。這是因為高緯度的高度低(高)。這是因為高緯度的f 值較值較大,則科氏力也較大,因此與低緯度相大,則科氏力也較大,因此與低緯度相比,能在較低的高度達(dá)到科氏力與氣壓比,能在較低的高度達(dá)到科氏力與氣壓梯度力相平衡。梯度力相平衡。2KHfZ梯度風(fēng)高度(梯度風(fēng)高度(zH) 梯度風(fēng)高度:梯度風(fēng)高度:當(dāng)zH= hE時,邊界層的風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)平行,但比地轉(zhuǎn)風(fēng)稍大,通常把這一高度視為行星邊界層的頂部,也稱為??寺穸龋?/p>

8、埃克曼厚度( De )2421,10/5/KEfDehDekm fsKms 梯度風(fēng)高度梯度風(fēng)高度 取緯度取緯度 =45 N,K=5m2/s,ZH980m, 此高此高度可視為行星邊界層頂。度可視為行星邊界層頂。2KHEfZh ??寺菥€的討論??寺菥€的討論 對于天氣尺度的渦動粘性系數(shù)對于天氣尺度的渦動粘性系數(shù)K5m2/s,取,取 f10-4/s,De103m,若風(fēng)速的垂直切變?nèi)。?,若風(fēng)速的垂直切變?nèi)。?則平均混合長則平均混合長l 大約為大約為30m,這個厚度比??寺@個厚度比??寺穸群穸?80m小許多。小許多。2uKlz315(/ ) /510umskmsz ??寺鼧?biāo)高(??寺鼧?biāo)高(hE)

9、,), 具有高度因次,它具有高度因次,它又是推導(dǎo)??寺菥€所特有的參數(shù),也是又是推導(dǎo)??寺菥€所特有的參數(shù),也是邊界層厚度的特征量。邊界層厚度的特征量。 梯度風(fēng)高度梯度風(fēng)高度ZH(hB)為??寺鼧?biāo)高的)為??寺鼧?biāo)高的 倍倍 hE312m2KEfh 當(dāng)當(dāng)zH= hE =hB時時,45o3、湍流粘性力隨高度的變化湍流粘性力隨高度的變化(1)(1)()()0(1)EEzihggggzihggWuivuiv euivvWue 則湍流粘性應(yīng)力為:2()22EEzzihhgd WKfu eedz大?。#椋篍zhgrfu e2Ezh幅角為:WW復(fù)速度記為取 =45N,K=5m2/s,地轉(zhuǎn)風(fēng)ug=10m/

10、s,由上式計算出??寺鼘痈鞲叨壬贤牧髡承詰?yīng)力的大小和方向(見表) 湍流粘性應(yīng)力大小隨高度的變化湍流粘性應(yīng)力風(fēng)向隨高度的變化??寺菥€解的問題:??寺菥€解的問題: 下邊界取在地面(z=0)時,u=v=0是不合適的,這樣就將湍流交換K=const的假定擴(kuò)展到近地面層了,而近地面層的湍流交換系數(shù)隨高度時線性或冪指數(shù)的關(guān)系; 上邊界取在z,也不合適的,這樣就相當(dāng)于把邊界層延伸到整個大氣層了; 假定地面風(fēng)速為零,從而得到風(fēng)與等壓線交角為45。然而當(dāng)z=0時,u=v=0,那么風(fēng)向是無法確定的,45的交角是理論的,實(shí)際上,地面風(fēng)不為零,海洋上該角為15,陸地上一般為30。埃克曼為等角螺線??寺鼮榈冉锹菥€引入復(fù)地轉(zhuǎn)偏差: (1)(1)(1)EEzziihhgggWuivu euue (1)EzihggWWuu e 2(1 )()1EEEEEKEfzzzzziiihhhhhggghWu eu eeu ee 埃克曼螺線的切線方向:(1 )()4112(1)/ 2EEEzzziihhhggEEWiu eu h eezhii Wz(1 )()4112EEEzihgEzzihhgEWiu ezhWu h eez ??寺鼘尤ζ胶鈭D螺線的切線方向(水平風(fēng)的垂直切變螺線的切線方向

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