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大气行星边界层;湍流：不规则的涡旋运动

地球表面粗糙不平

－－湍流性很强

－－大气边界层－－湍流边界层;湍流－－强烈的混合作用

－－物理量输送：

1、具有存在物理量的梯度

2、从物理量大值区向小值区输送

3、边界层中物理量的垂直梯度大，所以，输送主要在垂直方向上。;边界层是热量、水汽源、动量汇;研究边界层目的：

1、边界层本身的特性：

如污染物的扩散，飞机起降、植物生长等。

2、在整个大气中起重要作用：

如数值预报中的物理过程描述，大气运动的强迫耗散问题。;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：高度为80－100m;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;第二节边界层的一般特点;3、湍流运动引起物理量的输送；

由于垂直梯度大，所以垂直向输送水平向输送。;三力平衡示意图：

风穿越等压线指向低压一侧;从能量平衡角度看：;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。;比较刚体和流体运动中摩擦（粘性）力：

刚体：

流体：;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。;第三节大气的湍流运动与平均运动方程;“流点”：;地面上自动温度仪记录的温度

日变化曲线：;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;;;;对比1和2：;;解释：;;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：;第四节湍流半经验理论;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：;如：用气候量来表达天气过程影响。

积云对流参数化等;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，湍涡间是无间隙的，因此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：;;;位焓的输送是沿着其“负梯度方向”输送的;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;二．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）体现了湍流粘性力T0