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(shuō)大氣與下墊面相互作用的層次。大氣邊界層厚度的時(shí)空差異很大，平均厚度為地面以上約1km的范圍，以湍流運(yùn)動(dòng)為主要特征。還可細(xì)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(yùn)動(dòng)形態(tài)，對(duì)地表面與大氣間的動(dòng)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(qiáng)迫的日變化通過(guò)湍流混合擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(dòng)力作用、還存在熱力作用溫度分布影響著湍流脈動(dòng)動(dòng)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(duì)小（可忽略），大Re數(shù)流體，弱粘性流；（2）Re1，慣性力相對(duì)?。珊雎裕?，小Re數(shù)流體，強(qiáng)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(jī)性：湍流是非規(guī)則的，混亂的、不可預(yù)測(cè)的；（2）非線性：湍流是高度非線性的。當(dāng)流動(dòng)達(dá)到某一特定狀態(tài)，例如Reynolds數(shù)或Richardson數(shù)超過(guò)某臨界值，流動(dòng)中的小擾動(dòng)就會(huì)自發(fā)地增

3、長(zhǎng)，并很快達(dá)到一定的擾動(dòng)幅度；（3）擴(kuò)散性：湍流會(huì)引起動(dòng)量、熱量及流動(dòng)中的其他物質(zhì)快速擴(kuò)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(yùn)動(dòng)的水中，表明湍流結(jié)構(gòu)可設(shè)想成由無(wú)數(shù)大小不同的湍渦組成，它們分裂、合并、拉長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)。最大的湍渦可達(dá)到整個(gè)湍流層的寬度，小的可到毫米的量級(jí)。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(guò)分子粘性耗散成為熱能。5.午后觀測(cè)的風(fēng)速計(jì)錄6.雷諾平均定義平均值后，可以將湍流運(yùn)動(dòng)表示為：湍流運(yùn)動(dòng) = 平均運(yùn)動(dòng)+脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)而把任意實(shí)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(kāi)成平均和脈動(dòng)量?jī)刹糠郑?）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(dòng)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(dòng)量方程乘以速度脈動(dòng)量à湍流通量方程（7）將基礎(chǔ)方程乘以2倍的湍流脈動(dòng)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(dòng)（預(yù)報(bào)）方程：10.普朗特混合長(zhǎng)理論對(duì)于湍流，流體微團(tuán)單位質(zhì)量含有某種特性量q，如果q是被動(dòng)的：即不影響流體的運(yùn)動(dòng)情況；q是保守的：在運(yùn)行距離l/2之后，q值守恒，l/2類似分子運(yùn)動(dòng)的自由程。在

5、湍流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中特性量q保持不變（失去原有特性）前所走過(guò)的距離，稱之為混合長(zhǎng)。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(shuō)明風(fēng)達(dá)到地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度或者可以說(shuō)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(dòng)力因素考慮，即風(fēng)隨高度的變化：（1）取風(fēng)向達(dá)地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度；（2）風(fēng)速達(dá)地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度；3）風(fēng)速達(dá)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?；?）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(duì)流邊界層的基本特征（1）對(duì)流邊界層的發(fā)展不是依賴于較強(qiáng)的風(fēng)切變導(dǎo)致的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，地面輸送的感熱通量是熱力驅(qū)動(dòng)湍流能量的來(lái)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(qiáng)烈的混合作用，對(duì)流邊界層的主體部分氣象要素梯度很??；在中等以上不穩(wěn)定時(shí)，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(duì)流熱泡在對(duì)流邊界層頂?shù)纳仙龥_擊，引發(fā)自由大氣空氣團(tuán)向下卷入邊界層，形成了卷夾層；卷夾層以上是無(wú)湍流或很弱湍流的自由大氣。（4）對(duì)流熱泡尺度大、壽命長(zhǎng)、攜帶的湍流能量也大，導(dǎo)致對(duì)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(qiáng)的時(shí)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(shí)浮力的作用不但不能給湍流補(bǔ)充動(dòng)能，相反，湍流微團(tuán)在垂直運(yùn)動(dòng)中因反抗重力作功而損失動(dòng)能，所以湍流能量很弱。但因有切應(yīng)力的作用，湍流不會(huì)完全消失，維持在弱的水平上，仍是一個(gè)不可忽略的因子。湍流熱交換過(guò)程并不占優(yōu)勢(shì)，而其它的熱交換過(guò)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(guò)程的影響相當(dāng)。（2）理論分析和實(shí)驗(yàn)事實(shí)均表明，當(dāng)浮力引起的湍流動(dòng)能損失達(dá)到切應(yīng)力產(chǎn)生動(dòng)能的1/5左右（通量理查孫數(shù)Rf = 0.2） ，湍流便會(huì)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(shí)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(qiáng)迫對(duì)邊界層的響應(yīng)放緩。下墊表面的強(qiáng)制作用達(dá)到邊界層頂所需的時(shí)間尺度可長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，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(jì)算的莫寧奧布霍夫長(zhǎng)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(méi)有明顯的過(guò)渡特征，難于確定層頂?shù)奈恢谩?7.動(dòng)力內(nèi)邊界層：上游來(lái)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(dòng)力強(qiáng)制作用下，在新的下墊面上空將形成一個(gè)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(guò)渡到另一種溫度的下墊表面，在地面的熱力強(qiáng)制作用下，在新的下墊表面上空將形成一個(gè)內(nèi)邊界層。18.Richardson數(shù)19.M-O長(zhǎng)度20近地層的重要特點(diǎn)： 近地層較薄，可近似認(rèn)為動(dòng)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