定常條件下的大氣邊界層-1課件

第四章定常條件下的大氣邊界層第一節(jié)近地層相似理論第二節(jié)全邊界層相似理論第三節(jié)譜相似第四節(jié)半經(jīng)驗(yàn)理論在邊界層研究中的應(yīng)用補(bǔ)充：相似理論我們現(xiàn)有的基本物理知識(shí)對(duì)一些邊界層情況還不足以獲得以基本原理為基礎(chǔ)的一些規(guī)律然而，邊界層觀測結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)可重現(xiàn)的一些特征，我們對(duì)有關(guān)變量能夠研究出一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式π理論（參考流體力學(xué)課本）這個(gè)方法幫助我們從所選的變量中建立無量綱組無量綱組的正確選擇將能提供無量綱組之間的普遍適用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即研究的結(jié)果時(shí)時(shí)處處都適用，這是人們所希望的研究相似理論共分4步：1）選擇（推測）那些與研究對(duì)象相關(guān)的變量2）根據(jù)π理論把變量組合成無量綱組3）進(jìn)行試驗(yàn)，或者從早期的資料中積累有關(guān)數(shù)據(jù)以決定無量綱組的值4）對(duì)資料進(jìn)行曲線擬合或者求回歸方程，以描述這些無量綱之間的關(guān)系第一節(jié)Monin-Obukhov相似性理論基礎(chǔ)：任意變量的無量綱組合。原則：任何一個(gè)近地層湍流規(guī)律，其中的變量均以適當(dāng)?shù)奶卣鞒叨茸鰺o量綱化，無量綱化方程將僅僅是穩(wěn)定度因子（z/L）的普氏函數(shù)關(guān)系。Note：（1）無量綱化過程應(yīng)具有相應(yīng)的物理意義；（2）無量綱化應(yīng)與被無量綱化特征量具有相同量級(jí)。相似尺度的分類動(dòng)量、熱量、水分、物質(zhì)交換過渡層局地自由對(duì)流層邊界層頂大氣邊界層的概念化分層冠層或粘性次層混合層近地面層1）大氣邊界層最下面部分，受到下墊面影響最直接，氣象要素日變化大。2）氣壓梯度力、柯氏力、分子粘性應(yīng)力都可以忽略不計(jì)，湍流應(yīng)力為主要作用力。風(fēng)向隨高度近乎不變，氣流結(jié)構(gòu)不受柯氏加速度影響。3）各種湍流通量傳輸隨高度變化而數(shù)值近乎不變，稱常通量層（書P115）。4）層內(nèi)風(fēng)速、溫度和其余氣象要素場隨高度變化十分劇烈。近地面層(surfacelayer)主要特征1風(fēng)速梯度和廓線相似理論的一個(gè)重要應(yīng)用就是近地層的平均風(fēng)廓線由于近地層風(fēng)速廓線容易在地面觀測，所以人們對(duì)它已進(jìn)行了廣泛研究通常近地層風(fēng)速隨高度大致上呈對(duì)數(shù)變化，靠近地面，摩擦曳力士風(fēng)速變?yōu)榱阒行詶l件下的風(fēng)速廓線估計(jì)平均風(fēng)速為地面以上高度的函數(shù)中性層結(jié)條件下，熱力因子不作用，影響大氣運(yùn)動(dòng)的主要參量是地表應(yīng)力(用摩擦速度表示)和高度Z。應(yīng)用π理論，可確定函數(shù)F的形式為：對(duì)上式積分，可得：其中k為馮?卡門常數(shù)，在0.35-0.4之間。中性層結(jié)條件下的近地層風(fēng)廓線典型形式——對(duì)數(shù)風(fēng)廓線。不同地表粗糙度取值海面的粗糙度一些學(xué)者（Chamberlain,1983）提出用某些粗糙因子之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來估計(jì)粗糙度。對(duì)海面，沙地和雪面等，對(duì)于海洋，解釋例題，在中性層結(jié)條件下，測出Z＝z1處，u＝u1，Z＝z2處，u＝u2，其中z2>z1,由觀測資料求和Z0位移距離氣流越過林冠層時(shí)風(fēng)速為高度的函數(shù)，稠密林冠層的作用就像在實(shí)際地面以上位移了某一距離的地面那樣。粗糙度長度林冠頂部以上，風(fēng)速廓線隨高度是對(duì)數(shù)增大對(duì)靜力中性條件來說，我們能確定位移距離d和粗糙度長度，所以：我們已規(guī)定在時(shí)已知在靜力中性條件下三個(gè)或三個(gè)以上高度上的風(fēng)速觀測結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)處理的諸如馬夸特算法或高斯-牛頓一類的非線性回歸算法，很容易求出三個(gè)參數(shù)2溫度和濕度梯度中性層結(jié)：濕度廓線

建立起由描述的動(dòng)量通量與垂直速度廓線的關(guān)系式這些表達(dá)式叫做通量-廓線關(guān)系式，這些關(guān)系是可以推廣運(yùn)用到非中性近地層在非中性條件下，除了摩擦速度和高度Z外，我們可以預(yù)計(jì)浮力參數(shù)和地面熱通量是外加的兩個(gè)有關(guān)變量。應(yīng)用π理論，可確定函數(shù)F的形式為：L，首先由O