《大气边界层》PPT课件

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1、Chapter9TheAtmosphericBoundaryLayer大气边界层定义：Theportionoftheatmospheremostaffectedbythatboundaryiscalledtheatmosphericboundarylayer(ABL)边界层厚度：一般1~2km，随时间空间变化，从几百米~4km。边界层上方为自由大气（freeatmosphere）湍流是边界层最重要的特征。9.1Turbulence（湍流）大气运动的多尺度Planetaryscale（行星尺度）synopticscale（天气尺度）Mesoscale（中尺度）Microscales（微尺度

2、）turbulencescales（湍流尺度）：“湍流是这样一种不规则运动，其流场的各种特性是时间和空间的随机变量，因此其统计平均值是有规律性的。”9.1.1Eddiesandthermals当流体含有多种尺度的不规则涡流，称之为湍流。这种涡流称为湍涡（eddies）当流体运动很平稳是，每一个湍涡的尺度迅速变小并逐渐消失（湍涡破碎），大湍涡的能量最终耗散为热能。湍流的主要特征是湍流运动时流体的主要的物理属性如速度、温度、压力等随时间和空间以随机的方式发生变化。湍流的产生机械湍流（mechanicalTurbulence）热力湍流（thermalTurbulence）或对流湍流（convec

3、tiveturbulence）惯性湍流（inertialTurbulence）机械湍流（mechanicalTurbulence）由风切变产生风切变产生的原因：地面摩擦力，地形建筑等障碍物的阻挡等。热力湍流（thermalTurbulence）Thermalorconvectiveturbulence,alsoknownasfreeconvection,consistsofplumesorthermalsofwarmairthatrisesandcoldairthatsinksduetobuoyancyforces.Neartheground,therisingairisofteninth

4、eformofintersectingcurtainsorsheetsofupdrafts,theintersectionsofwhichwecanidentifyasplumeswithdiametersabout100m.Higherintheboundarylayer,manysuchplumesandupdraftcurtainsmergetoformlargerdiameter(∼1km)thermals.Foraircontainingsufficientmoisture,thetopsofthesethermalscontaincumulusclouds惯性湍流（inerti

5、alTurbulence）由大湍涡产生，湍流串级(turbulentcascade)Smalleddiescanalsobegeneratedalongtheedgesoflargereddies,aprocesscalledtheturbulentcascade,wheresomeoftheinertialenergyofthelargereddiesislosttothesmallereddies湍流的能谱（energyspectrum）湍流能量(湍能）（Turbulencekineticenergy）(TKE)湍能是不保守的。由于分子粘性（molecularviscosity）大湍

6、涡耗散成惯性湍流流（毫米尺度）。9.1.2Statisticaldescriptionofturbulence湍流的统计描述不同高度处温度的时间序列瞬时值（instantaneousvaluev)扰动值平均值方差variance速度方差基本不随时间变化，湍流是平稳的。速度方差在空间上是均匀的，即湍流是各向同性的（isotropic）。协方差9.1.3Turbulencekineticenergyandturbulenceintensity湍能和湍流强度Turbulencekineticenergy，湍能，（TKE）kineticenergyRichardsonnumber,Ri（理查逊数）

7、LaminarflowbecomesturbulentwhenRidropsbelowthecriticalvalueRic=0.25.FlowsforwhichRic<0.25aresaidtobedynamicallyunstable.Turbulentflowoftenstaysturbulent,evenforRichardsonnumbersaslargeas1.0,butbecomeslaminaratlar