第5章定常ABL之2.ppt

第五章 定常条件下的大气边界层 Thank you ! 5.3.3 地形对速度谱的影响 低频湍流对地形的响应慢 高频湍流对地形的响应快 垂直速度谱主要包含高频成分，能迅速适应地形变化； 水平速度谱含能区频率低，对地形响应慢，而其高频成分（惯性子区）对地形响应快，结果水平谱形状变化。 近中性层结下2米处的 u 谱 1.滨海水上；2.离岸70米内陆处 1.水面（上游）-光滑 2.内陆（下游）-粗糙 低频湍流—响应慢 高频湍流—响应快 近地层相似理论 1 全边界层相似理论 2 谱相似 3 第五章 定常条件下的大气边界层 第一节 近地层相似理论 5.1.1 近地面层概念 5.1.2 中性层结 5.1.3 非中性层结（理解掌握） (重点掌握) (掌握) (了解) 第二节 全边界层相似理论 近地层：湍流应力 Ekman层（上部摩擦层）：气压梯度力、柯氏力、湍流应力三力平衡。 5.2.1 全边界层相似理论 5.2.2 对流边界层（CBL）相似 5.2.3 稳定边界层（SBL）相似 5.2.4 中性边界层相似 第二节 全边界层相似理论 近地层，M-O相似，控制湍流状态的参数： 5.2.1 全边界层相似理论 近地层以上，地转偏向力不可忽略 ： （ f 为地转参数 ） 组成2个无因次组合： 边界层中不同高度的风、温差为： 不同稳定度的风速廓线 μ 为稳定度参数： μ0稳定； μ0不稳定 不同稳定度的位温差廓线 μ 为稳定度参数：μ0稳定； μ0不稳定 5.2.2 对流边界层（CBL）相似关系 （Convective Boundary Layer ; Mixed Layer） 无风/微风的晴天，混合层处于自由对流状态，湍流由浮力驱动，混合层顶清晰可辨，控制变量z 应由混合层高度zi 来替代。 有4个控制变量： 组成4个相似性尺度： 一、平均变量梯度 对流边界层内风、位温分布 位温 风向 风速 (K) (m/s) ( °) 上界不连续 近地层变化大 对流边界层内湍流热通量 QH (W m-2) 上部：夹卷 下部：浮力上升 二、通量 混合层通量与近地层通量之间的关系： 若夹卷层没有切变或其它强迫： 归一化速度方差 归一化温湿度方差 三、方差等 （无因次长度尺度） 5.2.3 稳定边界层（SBL）相似关系 （Stable Boundary Layer） 在SBL大气中，浮力抑制湍涡运动，使湍涡尺度变小，这时湍涡尺度与离地面的距离无关。 边界层中、上部的湍流与近地层之间处于不平衡状态，因此“局地的”通量、切应力和稳定度将比近地面通量更重要。 在SBL中，用下面的不含z 的尺度： 局地摩擦速度 局地温度 局地湿度 局地M-O长度 在SBL中，无因次长度尺度为 无因次相似性函数为： （类似于近地层中局地与高度无关的极稳定层结） 注意，局地相似假定SBL湍流在时间和空间上连续，但实际SBL中存在零星的不均匀湍流，因此这些相似关系具有一定局限性。 5.2.4 中性边界层相似关系 ζ=z/L?0，强风和阴天，ABL近似呈中性状态。 中性条件下，湍能由机械作用产生，u* 是重要尺度，很少用M-O长度（因为L?∞）。 无因次风、温梯度： 通量： 方差： 本节小结——ABL的几种相似性尺度 5.3.1 湍谱的表示方法 5.3.2 近地层谱的一般特征 5.3.3 地形对速度谱的影响 第三节 谱相似 5.3.1 湍谱的表示方法 湍谱分析，即分析某个量的方差（即ξ的脉动能量 ，如湍流能量e 、位温方差等）在不同尺度湍涡上的分布。 ξ的总脉动能量 S(n):谱密度，表示频率在n至n+dn之间的波对湍能的贡献 nS(n): 对数频率谱 湍谱图通常有3种形式： S(n)～n ，曲线的某一频率(或被数)间隔下的面积表示在该间隔内频率对总能量的贡献； 半对数坐标图nS(n)～lnn ，曲线下面的面积仍然等于该频率段的方差，这样的谱图至少会出现一个极大值，其位置往往是湍流的典型“尺度”； 对数坐标图lnnS(n)～lnn ，违反了面积-方差的等效性，优点是湍能所遵循的幂次律一目了然。 湍谱中几个基本概念 n ：频率（弧度/单位时间 or 周/单位时间） k1：平均风方向的波数 （弧度/单位长度 or 周/单位长度） 根据泰勒假说， 无量纲频率 f ， lnk lnS(k) 含能区 惯性 子区 耗散区 能量串级：能量由低频（大尺度）湍涡向高频（小尺度）湍涡输