邊界層參考考題(南京信息工程大學(xué))

1、1.大氣邊界層的定義大氣的最低部分直接受下墊面（地面）影響的層次，或者說大氣與下墊面相互作用的層次。大氣邊界層厚度的時空差異很大，平均厚度為地面以上約1km的范圍，以湍流運動為主要特征。還可細分為近地層（大氣邊界層下部約1/10的厚度內(nèi)）和Ekman層。大氣邊界層又稱行星邊界層，是指存在著連續(xù)性湍流的低層大氣：（1）湍流是邊界層大氣的主要運動形態(tài)，對地表面與大氣間的動量、熱量、水汽及其他物質(zhì)的輸送起著重要作用；（2）地球表面熱力強迫的日變化通過湍流混合擴散使得邊界層中氣象要素呈現(xiàn)日周期的循環(huán)。2.大氣邊界層的主要特征（1）大氣運動的湍流性（2）大氣邊界層中的風(fēng)溫廓線（3）大氣邊界層的日變化（4

2、）大氣邊界層的風(fēng)向有規(guī)則地隨高度右旋（北半球）地球自轉(zhuǎn)而形成的柯氏力的影響。（5）大氣邊界層比一般流體邊界層更為復(fù)雜。不僅有動力作用、還存在熱力作用溫度分布影響著湍流脈動動能。3.特征Re數(shù)定義： =特征慣性力/特征粘性力（1）Re1，粘性力相對小（可忽略），大Re數(shù)流體，弱粘性流；（2）Re1，慣性力相對?。珊雎裕e數(shù)流體，強粘性流；（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；4.湍流的基本特征（1）隨機性：湍流是非規(guī)則的，混亂的、不可預(yù)測的；（2）非線性：湍流是高度非線性的。當流動達到某一特定狀態(tài)，例如Reynolds數(shù)或Richardson數(shù)超過某臨界值，流動中的小擾動就會自發(fā)地增

3、長，并很快達到一定的擾動幅度；（3）擴散性：湍流會引起動量、熱量及流動中的其他物質(zhì)快速擴散；（4）渦旋性：利用湍流的可視化，例如將幾滴顏料注入湍流運動的水中，表明湍流結(jié)構(gòu)可設(shè)想成由無數(shù)大小不同的湍渦組成，它們分裂、合并、拉長、旋轉(zhuǎn)。最大的湍渦可達到整個湍流層的寬度，小的可到毫米的量級。它們相互疊加在一起，構(gòu)成湍流的渦旋結(jié)構(gòu)；（5）耗散性：湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞，最后通過分子粘性耗散成為熱能。5.午后觀測的風(fēng)速計錄6.雷諾平均定義平均值后，可以將湍流運動表示為：湍流運動 = 平均運動+脈動運動而把任意實際物理量表示為 或雷諾平均：7.推導(dǎo)邊界層方程的基本思想（1）邊界層的基本控制方程（

4、2）雷諾平均：把方程中的因變量展開成平均和脈動量兩部分（3）求方程的雷諾平均的湍流平均變量的方程 （4）利用連續(xù)性方程à通量形式的方程（5）從步驟3方程中減去步驟5方程，得到偏離平均的湍流脈動量方程 方差方程和協(xié)方差方程的基礎(chǔ)方程（6）將湍流脈動量方程乘以速度脈動量à湍流通量方程（7）將基礎(chǔ)方程乘以2倍的湍流脈動量 à方差方程 （湍流能量方程）湍流的穩(wěn)定性參數(shù)89.湍流脈動（預(yù)報）方程：10.普朗特混合長理論對于湍流，流體微團單位質(zhì)量含有某種特性量q，如果q是被動的：即不影響流體的運動情況；q是保守的：在運行距離l/2之后，q值守恒，l/2類似分子運動的自由程。在

5、湍流運動過程中特性量q保持不變（失去原有特性）前所走過的距離，稱之為混合長。1112.13. Ekman螺線定性地解釋了邊界層內(nèi)風(fēng)分布的基本特征，即風(fēng)速隨高度而增加，風(fēng)向隨高度向右偏轉(zhuǎn)（北半球），最后趨于地轉(zhuǎn)風(fēng)的這一現(xiàn)象。也定性地說明風(fēng)達到地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度或者可以說邊界層的高度是隨K 增加而增加，隨參數(shù) f 減少而增加的。14.邊界層高度的確定主要有：動力因素考慮，即風(fēng)隨高度的變化：（1）取風(fēng)向達地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度；（2）風(fēng)速達地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度；3）風(fēng)速達最大值的高度；熱力因素考慮：（1）將溫度梯度變?yōu)樽杂纱髿馑哂械闹档母叨龋唬?）溫度梯度明顯不連續(xù)的高度；（3）溫度日變化非常小，接近消失的高度；能量角度

6、考慮：（1）湍流能量接近消失的高度；（2）湍流應(yīng)力接近消失的高度等。15.對流邊界層的基本特征（1）對流邊界層的發(fā)展不是依賴于較強的風(fēng)切變導(dǎo)致的動力驅(qū)動，地面輸送的感熱通量是熱力驅(qū)動湍流能量的來源。（2）各種氣象要素除了在近地面層存在明顯的梯度外，由于強烈的混合作用，對流邊界層的主體部分氣象要素梯度很?。辉谥械纫陨喜环€(wěn)定時，溫度和風(fēng)隨高度接近均勻分布，湍流通量隨高度近似線性變化。（3）對流熱泡在對流邊界層頂?shù)纳仙龥_擊，引發(fā)自由大氣空氣團向下卷入邊界層，形成了卷夾層；卷夾層以上是無湍流或很弱湍流的自由大氣。（4）對流熱泡尺度大、壽命長、攜帶的湍流能量也大，導(dǎo)致對流邊界層內(nèi)各氣象屬性的垂直分布比較

7、均勻，具有整體的空間結(jié)構(gòu)以及較強的時間相關(guān)。16.穩(wěn)定邊界層的一般特征（1）穩(wěn)定邊界層的共同特征是有逆溫層，此時浮力的作用不但不能給湍流補充動能，相反，湍流微團在垂直運動中因反抗重力作功而損失動能，所以湍流能量很弱。但因有切應(yīng)力的作用，湍流不會完全消失，維持在弱的水平上，仍是一個不可忽略的因子。湍流熱交換過程并不占優(yōu)勢，而其它的熱交換過程例如輻射、平流、氣層的抬升及地形等的影響與湍流熱交換過程的影響相當。（2）理論分析和實驗事實均表明，當浮力引起的湍流動能損失達到切應(yīng)力產(chǎn)生動能的1/5左右（通量理查孫數(shù)Rf = 0.2） ，湍流便會因連續(xù)不斷地耗散而衰竭。穩(wěn)定邊界層的湍流結(jié)構(gòu)在空間和時間上出現(xiàn)

8、不連續(xù)，形成所謂的間歇性湍流或波與間歇性湍流共存。 （3）因湍流很弱，湍渦尺度小，邊界層不同層次之間的相互作用減弱，地面強迫對邊界層的響應(yīng)放緩。下墊表面的強制作用達到邊界層頂所需的時間尺度可長達數(shù)個小時，形成分層式湍流，故邊界層往往不能作為整體處理。例如，由地面參量計算的莫寧奧布霍夫長度值不能代表邊界層中、上層的情況。（4）各種特征量在邊界層頂沒有明顯的過渡特征，難于確定層頂?shù)奈恢谩?7.動力內(nèi)邊界層：上游來流為中性大氣，氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度的下墊表面，在地面的動力強制作用下，在新的下墊面上空將形成一個內(nèi)邊界層。熱力內(nèi)邊界層（熱內(nèi)邊界層）：氣流從一種溫度的下墊表面過渡到另一種溫度的下墊表面，在地面的熱力強制作用下，在新的下墊表面上空將形成一個內(nèi)邊界層。18.Richardson數(shù)19.M-O長度20近地層的重要特點： 近地層較薄，可近似認為動量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化（風(fēng)向也幾乎不隨高度改變），各種通量近似為常值，故稱為常值通量層： 大氣受地