動(dòng)力氣象-第八章(大氣邊界層1)課件

大氣中熱量和水汽的源主要集中在下墊面，下墊面首先影響與之直接接觸的大氣行星邊界層，通過湍流擴(kuò)散（混合）作用，使熱量和水汽向上擴(kuò)展，進(jìn)而影響其上的自由大氣層。雖然大氣動(dòng)量主要集中在自由大氣層，但動(dòng)量卻大多是在行星邊界層被消耗掉，因此，大氣行星邊界層是整個(gè)大氣的主要熱量和水汽的源，是動(dòng)量的匯。第八章大氣行星邊界層

——引言對流：當(dāng)暖而輕的空氣上升時(shí)，周圍冷而重的空氣便下降來補(bǔ)充（下圖），這種升降運(yùn)動(dòng)，稱為對流。通過對流，上下層空氣互相混合，熱量也就隨之得到交換，使低層的熱量傳遞到較高的層次。這是對流層中熱量交換的重要方式。

湍流：空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱亂流（下圖）。湍流是在空氣層相互之間發(fā)生摩擦或空氣流過粗糙不平的地面時(shí)產(chǎn)生的。有湍流時(shí)，相鄰空氣團(tuán)之間發(fā)生混合，熱量也就得到了交換。湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。

湍流：不規(guī)則的渦旋運(yùn)動(dòng)地球表面粗糙不平－－湍流性很強(qiáng)－－大氣邊界層－－湍流邊界層大氣邊界層中：粘性力重要。動(dòng)量輸送湍流粘性力

水汽、熱量輸送物理量的輸送

湍流粘性力（摩擦力），邊界層的風(fēng)往往和等壓面相交而向低壓方向吹，從而使邊界層內(nèi)低壓和高壓系統(tǒng)分別伴隨水平的幅合和輻散。

特別是當(dāng)邊界層是潮濕時(shí)，湍流粘性力對低壓系統(tǒng)產(chǎn)生的水平幅合極為重要，進(jìn)而降水與之有密切聯(lián)系。故行星邊界層對自由大氣的熱力和動(dòng)力強(qiáng)迫和耗散作用也是大氣中天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展、演變和消亡的重要因素。湍流——強(qiáng)烈的混合作用——物理量的輸送1.具有存在物理量的梯度2.從物理量大值區(qū)向小值區(qū)輸送3.邊界層中物理量的垂直梯度大，所以，輸送主要在垂直方向上。第八章大氣行星邊界層

——主要內(nèi)容§1大氣邊界層及其特征§2湍流平均運(yùn)動(dòng)方程、混合長理論§3近地面風(fēng)隨高度的變化規(guī)律★§4?？寺鼘又酗L(fēng)隨高度的變化規(guī)律★§5二級環(huán)流、?？寺槲托D(zhuǎn)減弱★重點(diǎn)：邊界層中風(fēng)隨高度的變化規(guī)律，

Ekman抽吸和旋轉(zhuǎn)減弱大氣分層及其特性由于受地表（固壁粗糙不平）影響——湍流邊界層。——地表對大氣的影響隨高度增加而較弱；——湍流的強(qiáng)度隨高度增加而較弱；——湍流粘性力隨高度增加而減??；——湍流粘性力的重要性隨高度不同而不同。大氣動(dòng)力學(xué)分層一般把大氣分為三層：近地面層、上部摩擦層、自由大氣邊界層約占整個(gè)大氣質(zhì)量的1/10按“湍流粘性力的重要性”，在垂直分析對大氣進(jìn)行分層：2、近地面層：高度約為80~100m湍流運(yùn)動(dòng)非常劇烈，主要以湍流粘性力為主。1)湍流摩擦力和氣壓梯度力起主要作用，科氏力可省略。2)風(fēng)向幾乎不隨高度變化，但風(fēng)速隨之增加。3)物理量通量的垂直輸送幾乎不隨高度改變（常值通量層）。4)物理量垂直梯度>>物理量的水平梯度。5)湍流運(yùn)動(dòng)明顯，地氣相互作用強(qiáng)烈，調(diào)整較快，呈準(zhǔn)定常。三力平衡示意圖：風(fēng)穿越等壓線指向低壓一側(cè)、湍流的概念湍流：無規(guī)則渦旋運(yùn)動(dòng)；——隨機(jī)運(yùn)動(dòng)

與分子運(yùn)動(dòng)類似——無規(guī)律、不確定性。確定或者描述個(gè)別分之的運(yùn)動(dòng)是不可能也是沒有意義的。只有統(tǒng)計(jì)量才有規(guī)律。如：大數(shù)平均量。

§2湍流平均動(dòng)量方程，混合長理論地面上自動(dòng)溫度儀記錄的溫度溫度的日變化曲線每隔t作一次平均步驟：幾個(gè)常用的關(guān)系式：二、平均運(yùn)動(dòng)方程1．平均連續(xù)方程：

此為脈動(dòng)連續(xù)方程2、平均運(yùn)動(dòng)方程：

進(jìn)一步：利用連續(xù)方程：=0物體由于外因而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力：單位面積上內(nèi)力的大小；應(yīng)力在平面中可以分為垂直于作用面積的應(yīng)力稱為正應(yīng)力；平行于作用面積的應(yīng)力稱為切應(yīng)力；流體力學(xué)中，切應(yīng)力又叫做粘性力，是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，一部分流體微團(tuán)作用于另一部分流體微團(tuán)切向上的力。1）作用于以i軸為法向的平面上的湍流粘性應(yīng)力在j軸方向上的分量2）由i軸的正向往負(fù)向、通過以i軸為法向的單位截面輸送的的j方向的脈動(dòng)動(dòng)量通量的平均值共9項(xiàng)都是脈動(dòng)量的二次乘積項(xiàng)的平均值。把這9項(xiàng)寫成張量形式：

是對稱張量，6個(gè)分量獨(dú)立。Prantalmixing-length：參數(shù)化：用大尺度運(yùn)動(dòng)物理量表示小尺度運(yùn)動(dòng)的影響；如用參數(shù)化理論研究分子粘性。

牛頓分子粘性假設(shè)：

用宏觀運(yùn)動(dòng)速度u來表達(dá)由于分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的分子粘性力

如何用平均運(yùn)動(dòng)量來表達(dá)脈動(dòng)量的二次乘積項(xiàng)？1．普朗特(Prantal)混合長理論：

由于湍流運(yùn)動(dòng)引起的物理量的輸送與分子運(yùn)動(dòng)情形非常相似——普朗特混合長理論——模仿分子運(yùn)動(dòng)理論分子運(yùn)動(dòng)自由程：

分子存在間隙，分子在與其它分子發(fā)生碰撞前走過的距離，為自由程。在自由程中，分子物理屬性守恒，發(fā)生碰撞后，分子的物理屬性與其它分子進(jìn)行了交換，屬性發(fā)生改變。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，湍渦間是無間隙的，因此湍渦在運(yùn)動(dòng)過程中是不斷與周圍發(fā)生混合，逐漸失去屬性。

Prantal假設(shè)：湍渦在運(yùn)動(dòng)過程中并不和周圍發(fā)生混合，當(dāng)經(jīng)過混合長距離后才與周圍流體發(fā)生混合失去其原有屬性?！耆７路肿舆\(yùn)動(dòng)?？梢姡哼@里的混合長類似于分子自由程。在混合長前，湍渦的物理屬性守恒?；旌祥L的定義：湍渦在運(yùn)動(dòng)過程中失去其原有屬性前所走過的最長距離。2．Prantalmixing-length：(1)不同的湍渦在固定點(diǎn)的置換引起了脈動(dòng)——如何確定脈動(dòng)場某個(gè)湍渦某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到某位置，則該處的瞬時(shí)物理性質(zhì)就是這個(gè)湍渦的特性。2．Prantalmixing-length：

湍渦的特性為原位置周圍介質(zhì)特性的平均值。湍渦在運(yùn)動(dòng)過程中，在混合長距離內(nèi)不與周圍混合而失去其原有的特性；

——在混合長距離內(nèi)，物理屬性守恒。

設(shè)有一湍渦所攜帶的物理量屬性為A