边界层气象学.docx

微气象学

定义：微气象学就是研究湍流这类小尺度现象的。

微气象学的三种研究途径：

随机方法

相似理论

现象分类

虚位温

虚位温是研究上升气流普遍采用的一个变量，在同一气压条件下，使干空气密度必须等于湿空气密度的正是此温度。

饱和空气虚位温定义为：

/=3（1+0.61r—I。

未饱和空气虚位温定义为：

0v=6（l+0.61r-r）

粘滞应力

定义：当一部分流体运动时，分子间作用力往往会在同一方向拖拽相邻的流体分子使流体产生变形的力叫做粘滞应力。

当流体中存在剪切运动时便有粘滞应力存在。运动可以是层流，也可以是湍流。

粘滞应力可通过除以流体平均密度而成为运动学形式

海面标准大气的运动学粘度

风剪切du/dz=0.5s-i（在大气表面层具有代表性）时，粘滞应力（注意单位！）

在边界层中，粘滞应力的量值与雷诺应力相比很小，以致在平均风速预报中通常被忽略不计。然而，湍流涡在局地涡尺度大小地区域中，则具有大的多的剪切，所以在预报湍流时，这个粘性应力不能忽略。

强颇流

湍流可以由浮力对流过程和机械过程产生，有时是一种过程处于支配地位，当机械过程占优势时，边界层被认为处于自由对流状态。

梯度Richar数

Ri

Ri

理论和实验是研究提出，当Ri小于临界理查孙数Rc时，片流不稳定导致KH波形成和湍流开始

另一个值*指示湍流终止时的临界理查孙数。

-对动力稳定度判据可作如下说明:

.当RieRc时,片流变成湍流;

.当Rig时,湍流变成片流;

-尽管目前Rc和Rt的精确值还存在某些争议,但采服c=0.21-0.25,Rt=1.0似乎还是可以的:

-因为*＞*于是,就出现了滞后作用的问题。

湍流

定义：不规则的涡旋运动

湍流的特点：

（1） 随机性：湍流是非规则的、混乱的、不可预测的；

（2） 非线性：湍流是高度非线性的。当流动达到某一特定状态，如Re数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度；

（3） 扩散性：湍流会引起热量、动量及流动中的其他物质快速扩散：

（4） 涡旋性：湍流由无数大小不同的湍涡组成，他们分裂、合并、拉长、旋转；

（5） 耗散性：湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散为热能。

?风速变化的不规则性一一湍流的特征之一；

?湍流并非完全无规律一一具备统计上稳定的平均值；

?湍流有一个可度量和确定的强度一一有界性；

?许多风速变化的时间尺度相互叠加而成一一湍流谱

Ekman螺线

定义：上部摩擦层中，在湍流粘性力、科氏力和压力梯度力平衡之下，各高度上的风速矢端迹在水平面上的投影。

边界层

定义：直接受地面影响的那部分对流层，它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。

大气边界层的基本特点：

?运动的湍流性

机械湍流

热力湍流

?受下垫面影响：沙漠、土壤、植被、城市、水域

?日变化特征：地球表面热力强迫的口变化通过湍流混合扩散使得边界层结构及气象要素的呈现口周期的循环

大气边界层的分层：

粘性副层

近地层

B.Ekman层（上部摩擦层）

湍流谱

定义：不同尺度湍涡的相对强度

＞湍流谱与透过棱镜所呈现的色谱相类似。

＞白光由许多颜色（多种波长或频率）的光相互叠加而组成。

＞雨滴能象棱镜一样分离出多种颜色的光。

＞测量出每种颜色的强度，研究它们对原来光速的贡献。

＞对于湍流信号，利用数学工具而不是物理仪器进行类似的分析，以研究每一个不同大小的涡对总的湍流动能所作的贡献。

雷诺应力

只有当气体处于湍流运动是才有雷诺应力，输送不同速度的空气穿过立方体任一面时的速率恰好是动量通量，如果我们把力作用在立方体某一面，那么该通量对立方体的影响就是和此力的影响完全一样，也就是说，立方体会变形。因此湍流运动通量的作用如同应力，故称之为雷诺应力。

自由对流

湍流可以由浮力对流过程和机械过程产生，有时是一种过程处于支配地位，当浮力过程占优势时，边界层被认为处于自由对流状态。

Richar数

定义：通过TKE方程中切变产生项和浮力消耗项有关量值的比较，来估计气流什么时候可能变成动力不稳定的指标。

气流分类

气流可以分为平均风速，湍流和波动三大类。

K理论是指

0级变量的支配预报方程可化为：

=I（V——V。） T1Wat gOn

=——±T1——） VWat gIn

用 a—守

= W0

昌N

方程组中的未知量是二阶矩量：

uw，vzwf

如果我们设f为任一变量，那么通量章的一个合理的1阶闭合近似是:

式中参数％是以ms为单位的标量。

对正K.来说，上式意味着通量章沿局地梯度W流动。

这种闭合近似往往称为梯度输送理论或K理论。

边界层分类方法

按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上对大气进行分层：

1、 粘性副层