定常大气边界层ppt培训课件

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1、第四章定常边界层第一节近地层相似理论第二节全边界层相似理论第三节半经验理论在边界层研究中的应用补充：相似理论我们现有的基本物理知识对一些边界层情况还不足以获得以基本原理为基础的一些规律然而，边界层观测结果经常出现可重现的一些特征，我们对有关变量能够研究出一些经验关系式相似理论的最大优点就是为组织和组合变量提供了一种方法，而且也对如何设计试验方案以获得最多信息提供了指导相似理论的思想是把变量组成无量纲组量纲分析方法π理论（参考流体力学课本）这个方法帮助我们从所选的变量中建立无量纲组无量纲组的正确选择将能提供无量纲组之间的普遍适用的经

2、验关系，即研究的结果时时处处都适用，这是人们所希望的研究相似理论共分4步：1）选择（推测）那些与研究对象相关的变量2）根据π理论把变量组合成无量纲组3）进行试验，或者从早期的资料中积累有关数据以决定无量纲组的值4）对资料进行曲线拟合或者求回归方程，以描述这些无量纲之间的关系实例：近地层中水平脉动方差u作为高度函数的相似形关系（1）选择与大气边界层要素有关的变量：已知变量：近地层中水平脉动方差u和高度z，相关变量：摩擦速度u*、风速u、Obukhov长度L、地表粗糙度z0、边界层高度zi等，（2）对所选择的变量进行组合，形成无量纲

3、组合：将以上变量进行无量纲组合，可以有：（3）利用已有实验资料或进行实验，确定无量纲组合的数值：以往的观测资料显示有或关系。（4）给出拟合（或经验）曲线或方程对无量纲组合描述：北京密云站冬季，农林混合下垫面无量纲速度方差的变化规律不稳定层结条件稳定层结条件北京密云站冬季，农林混合下垫面无量纲速度方差的变化规律第一节近地层相似性理论基础：任意变量的无量纲组合。原则：任何一个近地层湍流规律，其中的变量均以适当的特征尺度做无量纲化，无量纲化方程将仅仅是稳定度因子（z/L）的普氏函数关系。Note：（1）无量纲化过程应具有相应的物理意义；（

4、2）无量纲化应与被无量纲化特征量具有相同量级。常用的特征尺度变量长度尺度：z：高度；zi：混合层厚度；z0：地表粗糙长度；L：Obukhov尺度；速度尺度：u*：摩擦速度；w*：对流速度尺度；G：地转风速；U：地面风速；温度尺度：*：温度特征尺度；湿度尺度：q*：湿度特征尺度；时间尺度：f：无量纲频率；参见STULL，P382相似尺度的分类1954年Monin和Obukhov提出了具有化时代意义的Monin-Obukhov相似性理论1961年Kazanskii和Monin创立了Rossby相似性理论，建立了近地层与边界层之间的联系

5、。1971年Wyngaard提出了局地自由对流近似，补充了近地面层相似性理论在局地自由对流的缺陷。1971－72年Deardorff和Wybgaard提出了对流相似性理论，构成了应用于对流边界层的相似性原理。1971年以美国Kansas试验资料Businger等人用得到了Monin-Obukhov相似性函数的具体形式，1976年Dyer等人利用澳大利亚ITCE试验又做了完善，使得该理论有了极大应用价值。1984年Neuwstadt建立了局地相似性理论，出现了应用于稳定大气边界层的相似性原理1990年Shao等人将局地相似性理论应用于

6、存在平流的非均匀下垫面。相似理论的形成与发展1）大气边界层最下面部分，受到下垫面影响最直接，气象要素日变化大。2）气压梯度力、柯氏力、分子粘性应力都可以忽略不计，湍流应力为主要作用力。风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响。3）各种湍流通量传输随高度变化而数值近乎不变，称常通量层（书P115）。4）层内风速、温度和其余气象要素场随高度变化十分剧烈。近地面层(surfacelayer)主要特征(一)平均变量梯度（风、温、湿）近地层大气中，风速、温度、湿度等气象要素随高度迅速变化，其变化特征与大气稳定度有关。一中性层结相似理论的

7、一个重要应用就是近地层的平均风廓线由于近地层风速廓线容易在地面观测，所以人们对它已进行了广泛研究通常近地层风速随高度大致上呈对数变化，靠近地面，摩擦曳力使风速变为零当在半对数图纸上作图时，诸如在静力中性条件下风速廓线对数关系就表现为一条直线估计平均风速为地面以上高度的函数中性层结条件下，热力因子不作用，影响大气运动的主要参量是地表应力(用摩擦速度表示)和地表粗糙程度（用地表粗糙度Z0表示）。应用白汉金π理论，得到两个无量纲组：和1中性条件下的风速廓线（重要）应用π理论，可确定函数F的形式为：对上式积分，可得：其中k为冯•卡门常数，对

8、冯•卡门常数的精确值的意见还不一致，约在0.35-0.4之间。中性层结条件下的近地层风廓线典型形式——对数风廓线空气动力学粗糙度另一种推导-混合长理论梯度输送，或者混合长理论：其中，近地层动量通量是：另一种推导-混合长理论但是近地层动