邊界層氣象學(xué)

1、微氣象學(xué)定義：微氣彖學(xué)就是研究湍流這類小尺度現(xiàn)彖的。微氣象學(xué)的三種研究途徑：隨機(jī)方法相似理論現(xiàn)象分類虛位溫虛位溫是研究上升氣流普遍采用的一個(gè)變量，在同一氣壓條件卞，使干空氣密度必須等于濕空氣密度的正是此溫度。飽和空氣虛位溫定義為：2=0(1+0.61I吃)未飽和空氣虛位溫定義為：0v=6(l+0.61r-r)粘滯應(yīng)力定義：當(dāng)一部分流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子間作用力往往會(huì)在同一方向拖拽相鄰的流體分子使流體產(chǎn)生變形的力叫做粘滯應(yīng)力。當(dāng)流體中存在剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)便有粘滯應(yīng)力存在。運(yùn)動(dòng)可以是層流，也可以是湍流。粘滯應(yīng)力可通過除以流體平均密度而成為運(yùn)動(dòng)學(xué)形式海面標(biāo)準(zhǔn)大氣的運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度風(fēng)剪切du/dz=0.5s1(在大氣表

2、面層具有代表性)時(shí)，粘滯應(yīng)力(注意單位！)在邊界層中，粘滯應(yīng)力的量值與雷諾應(yīng)力相比很小，以致在平均風(fēng)速預(yù)報(bào)中通常被忽略不計(jì)。然而，湍流渦在局地渦尺度人小地區(qū)域中，則具有大的多的剪切，所以在預(yù)報(bào)湍流時(shí)，這個(gè)粘性應(yīng)力不能忽略。強(qiáng)M流湍流可以由浮力對流過程和機(jī)械過程產(chǎn)生，有時(shí)是一種過程處于支配地位，當(dāng)機(jī)械過程占優(yōu)勢時(shí)，邊界層被認(rèn)為處于自由對流狀態(tài)。梯度Richar數(shù)理論和實(shí)驗(yàn)是研究提出，當(dāng)Ri小于臨界理查孫數(shù)Rc時(shí),片流不穩(wěn)定導(dǎo)致KH波形成和湍流開始另一個(gè)值%指示湍流終止時(shí)的臨界理查孫數(shù)。對動(dòng)力穩(wěn)定度判據(jù)可作如卜說明:當(dāng)RiRc時(shí),片流變成湍流;當(dāng)Ri&時(shí),湍流變成片流;盡管目前Rc和&的精確值還存

3、在某些爭議,但采跟C02LO.25,Rt=1.0似乎還是可以的:丙為Rt&于是,就出現(xiàn)了滯后作用的問題。湍流定義：不規(guī)則的渦旋運(yùn)動(dòng)湍流的特點(diǎn)：（1）隨機(jī)性：湍流是非規(guī)則的、混亂的、不可預(yù)測的；（2）非線性：湍流是高度非線性的。當(dāng)流動(dòng)達(dá)到某一特定狀態(tài)，如Re數(shù)超過某臨界值，流動(dòng)中的小擾動(dòng)就會(huì)自發(fā)地增長，并很快達(dá)到一定的擾動(dòng)幅度；（3）擴(kuò)散性：湍流會(huì)引起熱量、動(dòng)量及流動(dòng)中的其他物質(zhì)快速擴(kuò)散：（4）渦旋性：湍流由無數(shù)人小不同的湍渦組成，他們分裂、合并、拉長、旋轉(zhuǎn)；（5）耗散性：湍流的能量是由人湍渦向小湍渦傳遞，最后通過分子粘性耗散為熱能。風(fēng)速變化的不規(guī)則性一一湍流的特征之一；湍流并非完全無規(guī)律一一具

4、備統(tǒng)計(jì)上穩(wěn)定的平均值；湍流有一個(gè)可度量和確定的強(qiáng)度一一有界性；許多風(fēng)速變化的時(shí)間尺度相互疊加而成一一湍流譜Ekman螺線定義：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。邊界層定義：直接受地面影響的那部分對流層，它響應(yīng)地面作用的時(shí)間尺度為1小時(shí)或更短。大氣邊界層的基本特點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)的湍流性機(jī)械湍流熱力湍流受下墊面影響：沙漠、土壤、植被、城市、水域口變化特征：地球表面熱力強(qiáng)迫的口變化通過湍流混合擴(kuò)散使得邊界層結(jié)構(gòu)及氣象要素的呈現(xiàn)口周期的循環(huán)大氣邊界層的分層：1粘性副層2.近地層B.Ekman層（上部摩擦層）湍流譜定義：不同尺度湍渦的相對強(qiáng)度湍流譜與透

5、過棱鏡所呈現(xiàn)的色譜相類似。白光由許多顏色（多種波長或頻率）的光相互疊加而組成。雨滴能彖棱鏡一樣分離出多種顏色的光。測量出每種顏色的強(qiáng)度，研究它們對原來光速的貢獻(xiàn)。對于湍流信號，利用數(shù)學(xué)工具而不是物理儀器進(jìn)行類似的分析，以研究每一個(gè)不同大小的渦對總的湍流動(dòng)能所作的貢獻(xiàn)。雷諾應(yīng)力只有當(dāng)氣體處于湍流運(yùn)動(dòng)是才有雷諾應(yīng)力，輸送不同速度的空氣穿過立方體任一面時(shí)的速率恰好是動(dòng)量通量，如果我們把力作用在立方體某一面，那么該通量對立方體的影響就是和此力的影響完全一樣，也就是說，立方體會(huì)變形。因此湍流運(yùn)動(dòng)通量的作用如同應(yīng)力，故稱之為雷諾應(yīng)力。自由對流湍流可以由浮力對流過程和機(jī)械過程產(chǎn)生，有時(shí)是一種過程處于支配地位

6、，當(dāng)浮力過程占優(yōu)勢時(shí)，邊界層被認(rèn)為處于自由對流狀態(tài)。Richar數(shù)定義：通過TKE方程中切變產(chǎn)生項(xiàng)和浮力消耗項(xiàng)有關(guān)量值的比較，來估計(jì)氣流什么時(shí)候可能變成動(dòng)力不穩(wěn)定的指標(biāo)。氣流分類氣流可以分為平均風(fēng)速，湍流和波動(dòng)三人類。K理論是指0級變量的支配預(yù)報(bào)方程可化為：fCv)atf（H嘔）一aOnaeat方程組中的未知量是二階矩量:vzwfW0如果我們設(shè)孑為任一變量，那么通量1匚了的一個(gè)合理的1階閉合近似是:dLu5=二-K叫az式中參數(shù)k4是以ms為單位的標(biāo)量。對正K.來說，上式意味著通量町石沿局地梯度1流動(dòng)。這種閉合近似往往稱為梯度輸送理論或K理論。邊界層分類方法按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向

7、上對人氣進(jìn)行分層：1粘性副層（微觀層）分子輸送過程處于支配地位，分子切應(yīng)力遠(yuǎn)人于湍流切應(yīng)力。湍流粘性力=0,分子粘性力最重要。2、近地面層（常值通量層）：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l-1.5km湍流粘性力、科氏力、壓力梯度力同等重要F-I-F.4-V1（0）階閉合0階閉合：沒有被保留的預(yù)報(bào)方程，甚至不保留平均量方程，也就是說，平均風(fēng)，溫度，濕度和其他平均變量是作為時(shí)間和空間函數(shù)直接參數(shù)化的。1階閉合：只保留諸如風(fēng)、溫度、濕度等o階平均變量預(yù)報(bào)方程。靜力穩(wěn)定度靜力穩(wěn)定度是浮力對流能力的一個(gè)量度；靜力這個(gè)詞指的是沒有運(yùn)動(dòng)：當(dāng)不太

8、稠密的空氣位于稠密空氣下面時(shí)，大氣就處于靜力不穩(wěn)定狀態(tài)；作為對這個(gè)不穩(wěn)定的反應(yīng)，氣流產(chǎn)生了熱泡之類的對流壞流，以至使浮力空氣可以上升到不穩(wěn)定層頂部，從而使流體穩(wěn)定；熱泡也需要某些觸發(fā)機(jī)制才能使他們得到產(chǎn)生；在實(shí)際邊界層中，存在著許多觸發(fā)機(jī)制（小山，建筑物，樹林等，或?qū)ζ骄鶜饬鞯钠渌麛_動(dòng)），以至只要有靜力不穩(wěn)定，就能保證對流發(fā)生。歸一化被除以尺度參數(shù)使無量綱后產(chǎn)生的方程被認(rèn)為是歸一化方程。什么是Ekman螺線,并說明之上部摩擦層中，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。在常定狀（0（）/空=（）,水

9、平皆1（aQ/5x=0），和（dT）/dy=0）靜力中性（d6/dz=0），正壓大氣（空睜隨高度變化）以及沒有下沉（W=0）W特殊情況下，運(yùn)動(dòng)方程可以簡化為：選擇橫坐標(biāo)與地轉(zhuǎn)風(fēng)一致，于是乂=0。利用一階局部閉合K理論和常數(shù)K爲(wèi)因此得到:邊界條件是：(u5v)=0atz=0and(u,v)t(喬護(hù)0)asztoo這個(gè)方程組的解是：u=ugl-ez0cos(z/8)v=ugez0sin(z/8)其中5=(f/2KM)l/2把這個(gè)解的速度矢量繪制成高度的函數(shù)，矢量軌跡的端為一螺線一一因此而得Ekman螺線解釋混合長理論定義：湍渦在運(yùn)戲過程中失去其原有屬性前所走過的最長距離如果KE=l2|5U/fe|

10、,水汽通量的最后表達(dá)式與K理論就完全相似，因?yàn)槭街薪o我們留下R=_K（丙/氐）實(shí)際上，混合長理論借助前一個(gè)方程式告訴我們,|Km|的人小是隨切變加強(qiáng)（即湍流強(qiáng)度的量度）和混合長增大（即湍流產(chǎn)生混合的能力）而增加的。近地層中，湍渦的大小是受地面情況限制的，因此有時(shí)我們假設(shè)l3=k2z2，其中k是卡門常數(shù)。最后得到的近地層渦動(dòng)粘滯系數(shù)表達(dá)式為大氣的旋轉(zhuǎn)減弱/e折時(shí)間尺度與天氣系統(tǒng)實(shí)際消亡時(shí)間尺度相近。/表明：這種機(jī)制是引起天氣系統(tǒng)消亡的最主要機(jī)制。/考察自由大氣本身的粘性耗散對大氣旋轉(zhuǎn)減弱的作用/自由人氣中天氣系統(tǒng)由于粘性耗散引起的衰減時(shí)間為100天說明了：實(shí)際自由大氣本身粘性耗散，使天氣系統(tǒng)衰亡的作用很弱?？珊雎哉承宰饔猛牧鳟a(chǎn)生的條件人雷諾數(shù)只是湍流發(fā)生的必要條件，大氣湍流的發(fā)生還須具備相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的條件。/動(dòng)力學(xué)條件：空氣層中具有明顯的風(fēng)速切變；/熱力學(xué)條件：空氣層必須具有一定的不穩(wěn)定度，其中最有利的條件是上層空/度低于下層的對流條件，在風(fēng)速切變較強(qiáng)時(shí)，上層