大气行星边界层第七章

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1、第七章大气边界层大气边界层的定义：与地表直接接触，厚度约为1-1.5km、具有湍流特性的大气层(PBL，PlanetaryBoundaryLayer)。由图1可见，边界层是与地表面直接接触的大气最底层，由于受到地表面热力-动力作用的影响，大气运动的层流状态受到干扰和破坏，形成了各种大小不同的不规则涡旋，因此这一层内空气具有明显的湍流运动特征。边界层的特征：1、几何学特征：D<

2、－物理量输送：1、存在物理量的梯度2、从物理量大值区向小值区输送3、边界层中物理量的垂直梯度大，所以，输送主要在垂直方向上。边界层是热量、水汽源、动量汇研究边界层目的：1、边界层本身的特性：如污染物的扩散，飞机起降、植物生长等。2、在整个大气中起重要作用：如数值预报中的物理过程描述，大气运动的强迫耗散问题。第一节大气分层大气边界层，由于受地表（固壁粗糙不平）影响－－湍流边界层。地表对大气的影响随高度增加而较弱——湍流的强度随高度增加而较弱。——湍流粘性力随高度增加而减小。——湍流粘性力的重要性随高度不同而不同。地表既是

3、大气的动力边界，也是大气的热力边界。——各层上的动力学特征不同按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上对大气进行分层：1、贴地层：高度为几个厘米附着在地表，风速，无湍流。湍流粘性力＝0，分子粘性力最重要。2、近地面层：高度为80－100m湍流运动非常剧烈，湍流粘性力和气压梯度力起主要作用，科氏力可以忽略。3、上部摩擦层（Ekman层）：高度为1－1.5km湍流粘性力、科氏力、压力梯度力同等重要。4、自由大气：湍流粘性力可略——准地转。一般把大气分为三层：近地面层、上部摩擦层、自由大气边界层占整个大气的1/10第二节边界层

4、的一般特点1、近地面层中，气象要素的日变化大：地表（热容量小），由于太阳辐射作用其日变化大。——近地面层贴近地面，因而日变化大。2、近地面层中，气象要素的垂直梯度大（与近地面层外部比；与水平方向比）3、湍流运动引起物理量的输送；由于垂直梯度大，所以垂直向输送>>水平向输送。4、上部摩擦层中，满足“三力平衡”：三力平衡示意图：风穿越等压线指向低压一侧从能量平衡角度看：低压系统：边界层中穿越等压线指向低压——辐合上升——1）边界层气旋加强补偿湍流粘性耗散。2）自由大气产生辐散使得气旋减弱。思考：已知低层具有如下的风压场配置

5、，请画出可能相对应的高层风压场配置。第三节大气的湍流运动与平均运动方程、湍流的概念湍流：无规则涡旋运动——随机运动与分子运动类似——无规律、不确定性。确定或者描述个别分子的运动是不可能也是没有意义的。只有统计量才有规律如：大数平均量。“流点”：流点的速度——流点内所有分子的平均运动速度流点的温度——体现流点内所有分子运动的平均动能地面上自动温度仪记录的温度日变化曲线：如果作大数平均——每隔作一次平均可见：1、由于湍流的作用，温度变化呈现不确定性，瞬时看温度的增减具有随机性。2、每隔求其平均值：＝？才能使得这种平均值既滤

6、去这种随机变化，又体现温度日变化的规律。因此类似于分子运动的研究方法，研究平均运动规律，但考虑湍流运动的影响。为此对任意一个物理量q,我们令：其中：q－瞬时量；－平均量；－称脉动量。平均量是有规律的；脉动量是随机的，体现的是湍流运动。1．平均量的取法时间平均量：空间平均量：时空平均量：2、平均运动方程求法大气运动方程是瞬时运动，存在湍流时是不确定的，只有平均运动才有规律——平均运动方程步骤：1）任一变量：，代入方程；2）对整个方程求平均：3）整理：几个有用的关系式：二、平均运动方程组1．平均连续方程：代入方程：2、平均

7、运动方程：脉动量的连续方程对比<1>和<2>：方程的左边X向的加速度，右边是单位质量流团受到的合力在X向的分量。——单位质量的流团受到的湍流粘性力在X方向的分量=0法应力切应力切应力表示作用于法向为z轴的平面上湍流粘性应力在x向的分量；第一个下标为受力面的外法向，第二个下标为作用力的具体方向另外也具有脉动动量通量的意义通过法向为z轴的截面输送的x向脉动动量通量密度。解释：表示：作用于法向为y轴的平面上的湍流粘性应力在x方向上的分量；输送的是x方向的脉动动量。与瞬时方程相比，发现右边多出了9项：T：湍流粘性应力；i=1、

8、2、3——作用面方向；j=1、2、3——力分量方向；1=x;2=y;3=z1）作用于以i轴为法向的平面上的湍流粘性应力在j轴方向上的分量2）由i轴的正向往负向、通过以i轴为法向的单位截面输送的的j方向的脉动动量通量的平均值共9项都是脉动量的二次乘积项的平均值。把这9项写成张量形式：是对称张量，6个分量独立作用于法向为z轴的平面上的