第五章大氣邊界層

第五章大氣邊界層王樹舟南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院

邊界層理論的應(yīng)用空氣污染學(xué)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)水文學(xué)航空氣象學(xué)中尺度氣象學(xué)天氣預(yù)報(bào)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邊界層研究重要內(nèi)容湍流發(fā)生機(jī)理，湍流統(tǒng)計(jì)理論，科爾莫戈洛夫湍流理論，湍流標(biāo)度律，湍流的非線性動(dòng)力學(xué)理論，湍流時(shí)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(yīng)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(zhǎng)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)化，邊界層結(jié)構(gòu)的參數(shù)化等整個(gè)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(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)也幾乎都是湍流。湍流也是大氣科學(xué)研究最為重要的基本問題之一。湍流是如何發(fā)生的？

層流失穩(wěn)（剪切和熱對(duì)流）雷諾：在實(shí)驗(yàn)室模擬湍流雷諾數(shù)

Re=UL/v種種理論。。?！洞髿膺吔鐚游锢怼贰ⅰ哆吔鐚託庀蟆?/p>

本課程中需要掌握的邊界層內(nèi)容大氣分層，特點(diǎn)湍流重要性湍流發(fā)展的判據(jù)邊界層中風(fēng)隨高度變化?？寺槲?，二級(jí)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(gè)薄層，大約1~2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(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)以及大氣物理研究有非常密切的關(guān)系。并不限于1~2公里，比如青藏高原夏季邊界層高度可達(dá)3公里邊界層是對(duì)流層的一部分，它直接受地表的影響，對(duì)地表強(qiáng)迫響應(yīng)的時(shí)間尺度約為1小時(shí)或更小。邊界層過程包括：摩擦力蒸發(fā)和蒸騰熱傳遞污染物排放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(duì)大氣進(jìn)行分層：

1、貼地層：高度為幾個(gè)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。2、近地面層：高度為80－100m湍流運(yùn)動(dòng)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1－2km湍流粘性力、科氏力、壓力梯度力同等重要。4、自由大氣：湍流粘性力可略

——準(zhǔn)地轉(zhuǎn)。湍流重要理論雷諾應(yīng)力湍流脈動(dòng)量的二次項(xiàng)稱為渦動(dòng)應(yīng)力項(xiàng)或雷諾應(yīng)力項(xiàng)。它實(shí)質(zhì)上是湍流對(duì)動(dòng)量輸送的結(jié)果。有9個(gè)分量湍流重要理論普朗特混合場(chǎng)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(yàn)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(yùn)動(dòng)的起始高度上具有該高度上的平均物理屬性；2.在湍流運(yùn)動(dòng)中存在一個(gè)混合長(zhǎng)L’，湍流移動(dòng)一個(gè)混合長(zhǎng)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)）容易發(fā)生湍流的區(qū)域有（1）近地層（層結(jié)不穩(wěn)定）（2）對(duì)流層頂（3）大氣邊界層（4）鋒面、颮線附近大氣邊界層中風(fēng)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，即有這里已假定邊界層中密度隨高度的改變可忽略不計(jì)。大氣邊界層中風(fēng)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(dòng)量的渦動(dòng)鉛直通量（即渦動(dòng)應(yīng)力）隨高度變化的改變是很小的。作為一級(jí)近似，可假定，渦動(dòng)應(yīng)力是一常值，且等于地面上的渦動(dòng)應(yīng)力。在中性層結(jié)下，可認(rèn)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(zhǎng)是z的函數(shù)，為卡曼常數(shù)，約為0.4上式對(duì)z積分，C為任意常數(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

大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化邊界條件取為z0稱為粗糙度，它決定于下墊面的物理性質(zhì)。可以看出，中性層結(jié)條件下近地面層中風(fēng)速隨高度呈對(duì)數(shù)分布，這就是著名的風(fēng)隨高度分布的對(duì)數(shù)定律。埃克曼抽吸在邊界層中，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(dòng)，稱為Ekman抽吸。相應(yīng)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)形成閉合環(huán)流。如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級(jí)環(huán)流，則稱這個(gè)由一級(jí)環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為二級(jí)環(huán)流二級(jí)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(dòng)量的角度看：結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動(dòng)量

自由大氣角動(dòng)量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱邊界層角動(dòng)量增加，以補(bǔ)償耗散。

（2）從渦度角度看。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(jí)環(huán)流可使轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)渦旋強(qiáng)度減弱，這種作用常稱為旋轉(zhuǎn)衰減作用二級(jí)環(huán)流使地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減。Г≡H(2/fK)1/24天湍流擴(kuò)散Г≈H2/K