大气行星边界层第七章讲解.ppt

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、受分子粘性、湍流摩擦等动力、热力过程影响，具有湍流特性的大气层。 ;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。;;湍流现象;研究PBL的重要性： （1）人类活动主要在这一层； （2）天气预报的最终结果落实在此层; （3）是自由大气中热量、水汽的源，动量的汇。 ;研究方法 主要介绍参数化方法(parameterization) 参数化：将次网格尺度运动所引起的总效果，用大尺度现象的物理量加以表现。;第一节 大气分层;——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： ;2、近地面层（常值通量层）：80－100m;3、上部摩擦层（Ekman层）：1－1.5km;三力平衡示意图： 风穿越等压线指向低压一侧;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。;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 ;思考： 已知低层具有如下的风压场配置，请画出可能相对应的高层风压场配置。;第二节 大气的湍流运动与平均运动方程;地面上自动温度仪记录的温度 日变化曲线：;由图可见： 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去这种随机变化，又体现温度日变化的规律。 ;;平均量是有规律的；脉动量是随机的，体现的是湍流运动。;2、平均运动方程求法 ;步骤： 1）任一变量： ，代入方程； ;几个有用的关系式：;二、平均运动方程组;;;;对比1和2： ;;法应力; 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； ;; 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： ;1）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;把这9项写成张量形式： ;;3．状态方程：;4、热力学方程：;;;;;5、水汽方程：;定义： ;第三节 湍流半经验理论;处理“脉动量的二次乘积项的平均值”有两种方法 ;;优点：理论的，非经验的;参数化： 用大尺度运动物理量表示小尺度运动的影响； 如用参数化理论研究分子粘性：;具体到我们这里： 将脉动量的二次乘积项表达为平均运动量的函数，即：;如何用平均运动量来表达脉动量的二次乘积项？;分子运动自由程： 分子存在间隙，分子在与其它分子发生碰撞前走过的距离，为自由程。; 连续介质假设，在充满湍流场的空间内，有许多离散的湍涡，湍涡在运动过程中是不断与周围发生混合，逐渐失去属性。;可见：这里的混合长类似于分子自由程。在混合长前，湍涡的物理属性守恒。;2．Prantal混合长理论的基本思想： （1）不同的湍涡在固定点的置换引起了脉动——如何确定脉动场 某个湍涡某时刻运动到某位置，则该处的瞬时物理性质就是这个湍涡的特性。 （2）湍涡的特性为原位置周围介质特性的平均值。;（3）湍涡在运动过程中，在混合长距离内不与周围混合而失去其原有的特性； ——在混合长距离内，物理属性守恒。 3、参数化：;∴z高度上的t时刻的脉动场： ;类同于分子粘性情形： ;;;第五节 湍流运动的发展判据 ——Richardson数;;净浮力取决于气团与环境大气的密度差,如： 气团上升过程中，周围气压减小，引起气团膨胀（准静力过程） －－温度密度减小。 同时，环境大气的密度温度也在随高度减小。 净浮力取决于气团和环境哪个减小的更快。;;净浮力与位移相反 ;2．平均运动的作用;定义Ri 数：;;第六节 近地面层风随高度的分布（风廓线）;一、常值通量层的概念 边界层最重要的特性是： 湍流性——物理量输送;二、摩擦速度，摩擦速度方程;在近地面层中， ;1）是常量； 2）量纲——速度的量纲 3）体现了湍流粘性应力Tz的大小。