第五章大氣邊界層

1、第五章 大氣邊界層王樹舟南京信息工程大學大氣科學學院 邊邊 界界 層層 理理 論論 的的 應用應用空氣污染學農(nóng)業(yè)氣象學水文學航空氣象學中尺度氣象學天氣預報和氣候城市氣象大氣（或行星）邊界層在許多領(lǐng)域中的重要作用大氣（或行星）邊界層在許多領(lǐng)域中的重要作用大氣邊界層研究重要內(nèi)容 湍流發(fā)生機理，湍流統(tǒng)計理論，科爾莫戈洛夫湍流理論，湍流標度律，湍流的非線性動力學理論，湍流時間序列分析等 納維-斯托克斯方程，雷諾平均，湍流能量平衡方程，應力和通量，湍流“不封閉問題”，一階閉合，高階閉合，大渦模擬等 相似性原理，穩(wěn)定度參數(shù)，莫寧-奧布霍夫長度，近地層相似理論，全邊界層相似理論，局地相似理論，湍流結(jié)構(gòu)的參數(shù)

2、化，邊界層結(jié)構(gòu)的參數(shù)化等整個大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過大氣后再被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣地氣之間動物質(zhì)和能量交換過程的核心問題就是湍流問題，絕大多數(shù)發(fā)生在大氣邊界層中的物理過程都是通過湍流來實現(xiàn)的。大氣邊界層幾乎總是處于湍流狀態(tài)，層流是極為少見的。云中空氣的運動也幾乎都是湍流。湍流也是大氣科學研究最為重要的基本問題之一。湍流是如何發(fā)生的？湍流是如何發(fā)生的？ 層流失穩(wěn)（剪切和熱對流）層流失穩(wěn)（剪切和熱對流） 雷雷 諾諾 ：在實驗室模擬湍流：在實驗室模擬湍流 雷諾數(shù)雷諾數(shù) Re = U L / v種種理論。種種理論。大氣邊界層物理大氣邊界層物理、邊界層氣象邊界

3、層氣象 本課程中需要掌握的邊界層內(nèi)容 大氣分層，特點 湍流重要性 湍流發(fā)展的判據(jù) 邊界層中風隨高度變化 ?？寺槲?，二級環(huán)流和旋轉(zhuǎn)減弱大氣邊界層是指大氣層最底下的一個薄層，大約大氣邊界層是指大氣層最底下的一個薄層，大約12公里厚度，它是大公里厚度，它是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次。它的研究與天氣預報、氣候預測氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次。它的研究與天氣預報、氣候預測以及大氣物理研究有非常密切的關(guān)系。以及大氣物理研究有非常密切的關(guān)系。并不限于12公里，比如青藏高原夏季邊界層高度可達3公里邊界層是對流層的一部分，它直接受地表的影響，對地表強迫響應的時間尺度約為1小時或更小。邊界層過程包括

4、：邊界層過程包括： 摩擦力摩擦力 蒸發(fā)和蒸騰蒸發(fā)和蒸騰 熱傳遞熱傳遞 污染物排放污染物排放 地形引起流的變性地形引起流的變性按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上對大氣進行分層： 1、貼地層：高度為幾個厘米附著在地表，風速 ，無湍流。 0V湍流粘性力0，分子粘性力最重要。2、近地面層：高度為80100m湍流運動非常劇烈，主要以湍流粘性力為主。3、上部摩擦層（Ekman層）： 高度為12km湍流粘性力、科氏力、壓力梯度力同等重要。0粘科壓FFF4、自由大氣： 湍流粘性力可略 準地轉(zhuǎn)。0科壓FF湍流重要理論 雷諾應力湍流脈動量的二次項稱為渦動應力項或雷諾應力項。它實質(zhì)上是湍流對動量輸送的結(jié)果。有9

5、個分量wwvwuwwvvvuvwuvuuuTzzYyzTxzTzyTyyTxyTzxTyxTxxT湍流重要理論 普朗特混合場理論的基本思想是把湍流輸送量用平均量來表示，這種方法稱為湍流半經(jīng)驗理論和湍流參數(shù)化方法。作了如下假設(shè)1.和分子一樣，湍流在運動的起始高度上具有該高度上的平均物理屬性；2.在湍流運動中存在一個混合長L，湍流移動一個混合長后才與四周混合，在此之前具有物理屬性保持不變。 湍流發(fā)展的判據(jù)，Ri數(shù)（理查森數(shù)）湍流重要理論Ri數(shù)（理查遜數(shù)）發(fā)展，湍流減弱，抑制對流流發(fā)展，湍流增強，有利于對湍流動能供給率湍流動能損耗率00)()(2zVrrTgRdi容易發(fā)生湍流的區(qū)域有（1）近地層（層

6、結(jié)不穩(wěn)定）（2）對流層頂（3）大氣邊界層（4）鋒面、颮線附近大氣邊界層中風隨高度的變化 在行星邊界層中，水平氣壓梯度力、科里奧里力和湍流黏性力是近似平衡的，即有)(1)(1TzyzypfuTzxzxpfv這里已假定邊界層中密度隨高度的改變可忽略不計。大氣邊界層中風隨高度的變化近地面層很薄，約為數(shù)十米厚。這層大氣中動量的渦動鉛直通量（即渦動應力）隨高度變化的改變是很小的。作為一級近似，可假定，渦動應力是一常值，且等于地面上的渦動應力。luzu*在中性層結(jié)下，可認為湍流的鉛直尺度由離地表高度決定，因而從邏輯上可設(shè)混合長是z的函數(shù)， 為卡曼常數(shù)，約為0.4zuzu*上式對z積分，Czuuln*C為任

7、意常數(shù)，可由邊界條件確定。因地面粗糙不平，離地面一定高度上u就減少到0 0*lnzuC這樣，大氣邊界層中風隨高度的變化00uzz邊界條件取為)ln(0*zzuuz0稱為粗糙度，它決定于下墊面的物理性質(zhì)?？梢钥闯?，中性層結(jié)條件下近地面層中風速隨高度呈對數(shù)分布，這就是著名的風隨高度分布的對數(shù)定律。?？寺槲？寺槲谶吔鐚又?，三力平衡下，風要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區(qū)產(chǎn)生輻合上升，反氣旋區(qū)產(chǎn)生輻散下沉。這種邊界層頂?shù)拇怪边\動，稱為。 相應的，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)形成閉閉合環(huán)流。合環(huán)流。 如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級如果將水平面上的

8、氣旋、反氣旋，稱為一級環(huán)流，則稱這個由一級環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上環(huán)流，則稱這個由一級環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為的閉合環(huán)流，為二級環(huán)流的作用：使邊界層與自由大氣二級環(huán)流的作用：使邊界層與自由大氣發(fā)生物理量交換。發(fā)生物理量交換。 （1）從角動量的角度看：空氣，輸送到邊界層。自由大氣中角動量大的氣，輸送到自由大氣；邊界層中角動量小的空結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動量 自由大氣角動量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱邊界層角動量增加，以補償耗散。 （2）從渦度角度看。用來補償耗散反氣旋加強反氣旋區(qū)輻散氣旋加強氣旋區(qū)輻合邊界層中：旋轉(zhuǎn)減弱反氣旋減弱反氣旋區(qū)輻合氣旋減弱氣旋區(qū)輻散自由大氣中：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。二級環(huán)流可使轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)渦旋強度減弱，這種作用常稱為旋轉(zhuǎn)衰減作用 二級環(huán)流使地轉(zhuǎn)風渦度隨時間呈指