大氣行星邊界層第七章

第七章大氣邊界層

大氣邊界層（AtmosphericBoundaryLayer)或稱為行星邊界層（PlanetaryBoundaryLayer),簡稱A.B.L.(ABL)或簡稱P.B.L.(或者PBL)大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!大氣邊界層的定義：與地表直接接觸，厚度約為1-1.5km、受分子粘性、湍流摩擦等動力、熱力過程影響，具有湍流特性的大氣層。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!由圖1可見，邊界層是與地表面直接接觸的大氣最底層，由于受到地表面熱力-動力作用的影響，大氣運(yùn)動的層流狀態(tài)受到干擾和破壞，形成了各種大小不同的不規(guī)則渦旋，因此這一層內(nèi)空氣具有明顯的湍流運(yùn)動特征。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!湍流現(xiàn)象雜亂、隨機(jī)、無序達(dá)芬奇描繪的湍流火山爆發(fā)大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!研究方法

主要介紹參數(shù)化方法(parameterization)參數(shù)化：將次網(wǎng)格尺度運(yùn)動所引起的總效果，用大尺度現(xiàn)象的物理量加以表現(xiàn)。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!——各層上的動力學(xué)特征不同大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!2、近地面層（常值通量層）：80－100m大氣受地表動力和熱力影響強(qiáng)烈，氣象要素隨高度變化激烈，運(yùn)動尺度小，科氏力可略。湍流運(yùn)動非常劇烈，由于近地面層很薄和湍流擴(kuò)散強(qiáng)烈混合的結(jié)果，該層動量、熱量和水汽的鉛直輸送通量不隨高度變化，同樣原因，近地面層中風(fēng)向也不隨高度變化。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!三力平衡示意圖：風(fēng)穿越等壓線指向低壓一側(cè)大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!4、自由大氣：湍流粘性力可略

——準(zhǔn)地轉(zhuǎn)。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!思考：已知低層具有如下的風(fēng)壓場配置，請畫出可能相對應(yīng)的高層風(fēng)壓場配置。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!地面上自動溫度儀記錄的溫度日變化曲線：如果作大數(shù)平均——每隔作一次平均

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!因此類似于分子運(yùn)動的研究方法，研究平均運(yùn)動規(guī)律，但考慮湍流運(yùn)動的影響。為此對任意一個物理量q,我們令：其中：q－瞬時量；－平均量；－稱脈動量。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!2、平均運(yùn)動方程求法大氣運(yùn)動方程

是瞬時運(yùn)動，存在湍流時是不確定的，只有平均運(yùn)動才有規(guī)律——平均運(yùn)動方程大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!幾個有用的關(guān)系式：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!=0大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

表示作用于法向為z軸的平面上湍流粘性應(yīng)力在x向的分量；

個下標(biāo)為受力面的外法向，第二個下標(biāo)為作用力的具體方向解釋：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!

表示：作用于法向為y軸的平面上的湍流粘性應(yīng)力在x方向上的分量；輸送的是x方向的脈動動量。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!1）作用于以i軸為法向的平面上的湍流粘性應(yīng)力在j軸方向上的分量2）由i軸的正向往負(fù)向、通過以i軸為法向的單位截面輸送的的j方向的脈動動量通量的平均值共9項都是脈動量的二次乘積項的平均值。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!作用于法向為z軸的平面上的湍流粘性應(yīng)力矢量；

作用于單位質(zhì)量流團(tuán)6個面上的湍流粘性力在x方向的分量。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!4、熱力學(xué)方程：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!其中：

定義：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!定義：

由此可見，湍流作用表現(xiàn)為脈動量二次乘積項平均值——1）是統(tǒng)計量

2）體現(xiàn)的是湍流引起的物理量的輸送大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!處理“脈動量的二次乘積項的平均值”有兩種方法

1）高階矩閉合用瞬時方程－平均方程大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!優(yōu)點(diǎn)：理論的，非經(jīng)驗的2）半經(jīng)驗參數(shù)化理論經(jīng)驗性的，基于假設(shè)。簡單實(shí)用，效果較好。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!具體到我們這里：將脈動量的二次乘積項表達(dá)為平均運(yùn)動量的函數(shù)，即：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!分子運(yùn)動自由程：分子存在間隙，分子在與其它分子發(fā)生碰撞前走過的距離，為自由程。在自由程中，分子物理屬性守恒，發(fā)生碰撞后，分子的物理屬性與其它分子進(jìn)行了交換，屬性發(fā)生改變。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!可見：這里的混合長類似于分子自由程。在混合長前，湍渦的物理屬性守恒?；旌祥L的定義：湍渦在運(yùn)動過程中失去其原有屬性前所走過的最長距離。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!（3）湍渦在運(yùn)動過程中，在混合長距離內(nèi)不與周圍混合而失去其原有的特性；

——在混合長距離內(nèi)，物理屬性守恒。3、參數(shù)化：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!類同于分子粘性情形：

4、湍流粘性系數(shù)設(shè)湍流運(yùn)動“各向同性”的性質(zhì)，則：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!同理：位焓湍流擴(kuò)散系數(shù)（湍流熱傳導(dǎo)系數(shù)）；

動量湍流擴(kuò)散系數(shù)，或稱湍流粘性系數(shù)

兩者通常不同大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!

一致不穩(wěn)定凈浮力與位移相反穩(wěn)定為0中性氣團(tuán)垂直向受到凈浮力的作用大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!2．平均運(yùn)動的作用湍流運(yùn)動的主要能源來源是平均運(yùn)動（宏觀）,通過湍流粘性應(yīng)力作功提供湍能——轉(zhuǎn)化為湍流運(yùn)動動能(微觀)；有序運(yùn)動向無序運(yùn)動的轉(zhuǎn)化：能量串級如：摩擦生熱：宏觀運(yùn)動動能轉(zhuǎn)化為微觀運(yùn)動動能平均運(yùn)動總是有利于湍流發(fā)展。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!實(shí)際中，一般取

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!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“近地面層”中，物理量的垂直通量輸送幾乎不隨高度變化。

由于近地面層中物理量的垂直通量輸送幾乎不隨高度變化，所以又稱近地面層稱為常值通量層。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!在近地面層中，

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!三、風(fēng)廓線的一般解法：由摩擦速度方程

1）一階方程給一個邊界條件就可以求解。2）已知混合長l大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!混合長l與湍流運(yùn)動的強(qiáng)度有關(guān)

湍流強(qiáng)度取決于：

不同層結(jié)下風(fēng)廓線不同大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!

在近地面層中，即中性層結(jié)下，風(fēng)隨高度變化滿足對數(shù)率分布。

引入對數(shù)坐標(biāo)，即令：y=lnz大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!五、非中性層結(jié)下的風(fēng)廓線：拉依赫特曼假設(shè)：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!在不同層結(jié)條件下的風(fēng)切變：穩(wěn)定>中性>不穩(wěn)定大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!二、定解問題——求解u(z),v(z)

三力平衡：X方向的湍流粘性力為：

垂直項的輸送>>水平項的輸送

根據(jù)混合長理論大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!且設(shè)：

二元二階常系數(shù)的微分方程組大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!矢量與復(fù)數(shù)在幾何表達(dá)上具有一致性大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!令：復(fù)地轉(zhuǎn)偏差大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!令：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!風(fēng)速大?。?/p>

風(fēng)速與地轉(zhuǎn)風(fēng)向（x向）夾角：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!三、Ekman螺線的性質(zhì)：1、風(fēng)向隨高度的變化（1）（2）右旋

某一高度hB，風(fēng)向次與地轉(zhuǎn)風(fēng)向一致，，即滿足：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!（3）隨

風(fēng)向在地轉(zhuǎn)風(fēng)向附近擺動，幅度

，風(fēng)向地轉(zhuǎn)風(fēng)向。

2、風(fēng)速隨高度變化（1）（2），直至

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!(4)根據(jù)上式給出地轉(zhuǎn)偏差與湍流摩擦力的關(guān)系，在北半球，面向地轉(zhuǎn)偏差的方向，湍流摩擦力方向與其垂直且指向其左方。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!思考題:已知上部摩擦層中某高度上的實(shí)際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)如圖所示，請分析該層上湍流粘性力的方向？大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!

在邊界層中，三力平衡下，風(fēng)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\(yùn)動，稱為Ekman抽吸。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!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。（1）從角動量的角度看：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(bǔ)償耗散。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!二、Ekman抽吸與二級環(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?！疾煊筛邏合虻蛪狠斔颓闆r。(設(shè)X軸沿等壓線)

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!將Ekman層中風(fēng)隨高度分布的解v(z)代入得：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁!

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，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。由輻合量得到相應(yīng)的垂直速度。下面討論由質(zhì)量輻合所引起的摩擦層頂?shù)你U直速度。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁!由此可見，邊界層頂?shù)拇怪边\(yùn)動與地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度成正比，該關(guān)系式建立了邊界層與自由大氣之間的聯(lián)系。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁!三、大氣旋轉(zhuǎn)減弱（考察）假設(shè)：不計氣塊的大范圍南北移動，即在正壓渦度方程中不考慮β效應(yīng)。代入不可壓的連續(xù)方程大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁!考慮初始條件

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁!這與天氣系統(tǒng)實(shí)際消亡時間尺度相近。

可以表明：這種機(jī)制是引起天氣系統(tǒng)消亡的最主要機(jī)制。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁!自由大氣中天氣系統(tǒng)由于粘性耗散引起的衰減時間為

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁!

大氣邊界層的特征：幾何學(xué)特征：D<<L運(yùn)動學(xué)特征：湍流運(yùn)動（受下墊面熱力-動力過程影響）

動力學(xué)特征：湍流粘性力重要

湍流－－不規(guī)則的、雜亂無章的渦旋運(yùn)動。能引起強(qiáng)烈的混合作用。－－物理量輸送：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁!研究PBL的重要性：（1）人類活動主要在這一層；（2）天氣預(yù)報的最終結(jié)果落實(shí)在此層;（3）是自由大氣中熱量、水汽的源，動量的匯。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁!節(jié)大氣分層地表對大氣的影響隨高度增加而減弱——湍流的強(qiáng)度隨高度增加而減弱?！牧髡承粤﹄S高度增加而減小。——湍流粘性力的重要性隨高度不同而不同。地表既是大氣的動力邊界，也是大氣的熱力邊界。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁!按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上對大氣進(jìn)行分層：

1、貼地層：高度為幾個厘米附著在地表，風(fēng)速，無湍流。

湍流粘性力＝0，分子粘性力最重要。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁!3、上部摩擦層（Ekman層）：1－1.5km湍流粘性力、科氏力、壓力梯度力同等重要，要考慮風(fēng)隨高度的切變。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁!低壓系統(tǒng)：邊界層中穿越等壓線指向低壓——輻合上升——1）邊界層氣旋加強(qiáng)補(bǔ)償湍流粘性耗散。2）自由大氣產(chǎn)生輻散使得氣旋減弱。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁!一般把大氣分為三層：近地面層、上部摩擦層、自由大氣

邊界層占整個大氣的1/10大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第74頁!大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第75頁!第二節(jié)大氣的湍流運(yùn)動與平均運(yùn)動方程、湍流的概念湍流：無規(guī)則渦旋運(yùn)動——隨機(jī)運(yùn)動

與分子運(yùn)動類似——無規(guī)律、不確定性。確定或者描述個別分子的運(yùn)動是不可能也是沒有意義的。所以采用統(tǒng)計量，如：大數(shù)平均量，以代表其規(guī)律性。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第76頁!由圖可見：1.由于湍流的作用，溫度變化呈現(xiàn)不確定性，瞬時看溫度的增減具有隨機(jī)性。2.每隔求其平均值：＝？才能使得這種平均值既濾去這種隨機(jī)變化，又體現(xiàn)溫度日變化的規(guī)律。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第77頁!平均量是有規(guī)律的；脈動量是隨機(jī)的，體現(xiàn)的是湍流運(yùn)動。1．平均量的取法時間平均量：

空間平均量：

時空平均量：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第78頁!步驟：1）任一變量：，代入方程；

2）對整個方程求平均：

3）整理：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第79頁!二、平均運(yùn)動方程組1．平均連續(xù)方程：代入方程：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第80頁!2、平均運(yùn)動方程：脈動量的連續(xù)方程大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第81頁!對比<1>和<2>：

方程的左邊X向的加速度，右邊是單位質(zhì)量流團(tuán)受到的合力在X向的分量?！獑挝毁|(zhì)量的流團(tuán)受到的湍流粘性力在X方向的分量

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第82頁!法應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力湍流粘性應(yīng)力雷諾應(yīng)力大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第83頁!因此，也被定義為湍流通量密度，這里是脈動動量通量的意義通過法向為z軸的截面輸送的x向脈動動量通量密度，等于湍流粘性應(yīng)力的負(fù)值。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第84頁!與瞬時方程相比，發(fā)現(xiàn)右邊多出了9項：

T：湍流粘性應(yīng)力；i=1、2、3——作用面方向；j=1、2、3——力分量方向；1=x;2=y;3=z大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第85頁!把這9項寫成張量形式：

是對稱張量，6個分量獨(dú)立大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第86頁!3．狀態(tài)方程：瞬時方程為：

設(shè):

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第87頁!與瞬時方程比較：左邊多了——脈動量的二次乘積項。它體現(xiàn)了湍流的作用——由湍流造成的物理量的輸送項。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第88頁!都是脈動量的二次乘積項。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第89頁!5、水汽方程：同理得：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第90頁!第三節(jié)湍流半經(jīng)驗理論瞬時方程

平均方程除了6個未知量外，多了脈動量二次乘積項求解過程中，如何處理？大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第91頁!如此：得到某次乘積項，又出現(xiàn)更高次的，忽略高次——閉合大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第92頁!參數(shù)化：用大尺度運(yùn)動物理量表示小尺度運(yùn)動的影響；如用參數(shù)化理論研究分子粘性：

牛頓分子粘性假設(shè)：

用宏觀運(yùn)動速度u來表達(dá)由于分子無規(guī)則運(yùn)動引起的分子粘性力

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第93頁!如何用平均運(yùn)動量來表達(dá)脈動量的二次乘積項？1．Prantal混合長理論：

由于湍流運(yùn)動引起的物理量的輸送與分子運(yùn)動情形非常相似，模仿分子運(yùn)動理論

普朗特混合長理論。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第94頁!

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，在充滿湍流場的空間內(nèi)，有許多離散的湍渦，湍渦在運(yùn)動過程中是不斷與周圍發(fā)生混合，逐漸失去屬性。

Prantal假設(shè)：湍渦在運(yùn)動過程中并不和周圍發(fā)生混合，當(dāng)經(jīng)過混合長距離后才與周圍流體發(fā)生混合失去其原有屬性?！耆７路肿舆\(yùn)動。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第95頁!2．Prantal混合長理論的基本思想：（1）不同的湍渦在固定點(diǎn)的置換引起了脈動——如何確定脈動場某個湍渦某時刻運(yùn)動到某位置，則該處的瞬時物理性質(zhì)就是這個湍渦的特性。（2）湍渦的特性為原位置周圍介質(zhì)特性的平均值。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第96頁!∴z高度上的t時刻的脈動場：

脈動量與平均量之間建立了聯(lián)系，脈動是由于平均物理量的分布不均勻（有梯度）引起的。這里：湍流粘性系數(shù)大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第97頁!l:平均混合長，稱混合長湍流粘性系數(shù)湍流交換系數(shù)大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第98頁!第五節(jié)湍流運(yùn)動的發(fā)展判據(jù)

——Richardson數(shù)影響湍流運(yùn)動的因子：1、層結(jié)的作用：大氣密度隨高度變化

——層結(jié)大氣。穩(wěn)定、不穩(wěn)定、中性層結(jié)大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第99頁!凈浮力取決于氣團(tuán)與環(huán)境大氣的密度差,如：氣團(tuán)上升過程中，周圍氣壓減小，引起氣團(tuán)膨脹（準(zhǔn)靜力過程）－－溫度密度減小。同時，環(huán)境大氣的密度溫度也在隨高度減小。凈浮力取決于氣團(tuán)和環(huán)境哪個減小的更快。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第100頁!凈浮力與位移相反

穩(wěn)定層結(jié)——凈浮力抑制湍流運(yùn)動的發(fā)展，作負(fù)功。中性層結(jié)，凈浮力＝0，無影響大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第101頁!定義Ri數(shù)：平均運(yùn)動的湍能供給率：

反抗層結(jié)作功的湍能耗散率

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第102頁!第六節(jié)近地面層風(fēng)隨高度的分布（風(fēng)廓線）大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第103頁!二、摩擦速度，摩擦速度方程由于近地面層是常值通量層，則近地面層風(fēng)向不隨高度變化，風(fēng)向沿x軸。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第104頁!1）是常量；2）量綱——速度的量綱3）體現(xiàn)了湍流粘性應(yīng)力Tz的大小。稱為摩擦速度為摩擦速度方程

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第105頁!一個邊條件：Z0是平均風(fēng)為0的高度,體現(xiàn)了地面狀況粗糙程度,稱——粗糙度。已知混合長則可得：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第106頁!四、中性層結(jié)下的風(fēng)廓線中性層結(jié)下層結(jié)對湍流不起作用，即不考慮熱力作用；

僅考慮動力作用：

近地面層中，越接近地面，受到地面的限制越多，湍流越弱，湍渦走的距離越短。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第107頁!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u*及z0大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第108頁!確定？

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第109頁!非中性層結(jié)下，風(fēng)廓線滿足指數(shù)律。進(jìn)一步可證：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第110頁!第七節(jié)上部摩擦層的風(fēng)隨高度的分布－Ekman螺線

上部摩擦層（Ekman層）中，近似滿足三力平衡：

由于湍流粘性力的作用，風(fēng)要穿越等壓線，從高壓指向低壓。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第111頁!令：

把x軸取在等壓線上，則：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第112頁!二、上部摩擦層中風(fēng)隨高度的變化把方程組寫作矢量方程：（解二元方程比較繁瑣）

一個未知數(shù)，一個方程，但求解矢量方程存在困難，引入復(fù)數(shù)解法。大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第113頁!再由(1)＋i×(2)得：一元二階常系數(shù)非齊次方程：大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第114頁!特征根：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第115頁!上部摩擦層中風(fēng)速隨高度的變化：

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第116頁!風(fēng)向隨高度右旋。

風(fēng)速增大大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第117頁!Ekman螺線：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，各高度上的風(fēng)速矢端跡在水平面上的投影。

所以，上部摩擦層中，風(fēng)隨高度的分布滿足Ekman螺線律。

大氣行星邊界層第七章共132頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第118頁!當(dāng)

n=1時，

梯度風(fēng)高度。

定義：風(fēng)向次與地轉(zhuǎn)風(fēng)向一致的高度，稱為梯度風(fēng)高度。

通常取梯度風(fēng)高度為邊界層頂?shù)母叨龋?/p>