第五章大气边界层

第五章大气边界层王树舟南京信息工程大学大气科学学院边界层理论的应用•空气污染学•农业气象学•水文学•航空气象学•中尺度气象学•天气预报和气候•城市气象大气（或行星）边界层在许多领域中的重要作用大气边界层研究重要内容•湍流发生机理，湍流统计理论，科尔莫戈洛夫湍流理论，湍流标度律，湍流的非线性动力学理论，湍流时间序列分析等•纳维-斯托克斯方程，雷诺平均，湍流能量平衡方程，应力和通量，湍流“不封闭问题”，一阶闭合，高阶闭合，大涡模拟等•相似性原理，稳定度参数，莫宁-奥布霍夫长度，近地层相似理论，全边界层相似理论，局地相似理论，湍流结构的参数化，边界层结构的参数化等•整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层湍流输送给大气•地气之间动物质和能量交换过程的核心问题就是湍流问题，绝大多数发生在大气边界层中的物理过程都是通过湍流来实现的。大气边界层几乎总是处于湍流状态，层流是极为少见的。云中空气的运动也几乎都是湍流。湍流也是大气科学研究最为重要的基本问题之一。湍流是如何发生的？层流失稳（剪切和热对流）雷诺：在实验室模拟湍流雷诺数Re=UL/v种种理论。。。《大气边界层物理》、《边界层气象》本课程中需要掌握的边界层内容•大气分层，特点•湍流重要性•湍流发展的判据•边界层中风随高度变化•埃克曼抽吸，二级环流和旋转减弱大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约1~2公里厚度，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。它的研究与天气预报、气候预测以及大气物理研究有非常密切的关系。并不限于1~2公里，比如青藏高原夏季边界层高度可达3公里边界层是对流层的一部分，它直接受地表的影响，对地表强迫响应的时间尺度约为1小时或更小。边界层过程包括：摩擦力蒸发和蒸腾热传递污染物排放地形引起流的变性按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上对大气进行分层：1、贴地层：高度为几个厘米附着在地表，风速，无湍流。0V湍流粘性力＝0，分子粘性力最重要。2、近地面层：高度为80－100m湍流运动非常剧烈，主要以湍流粘性力为主。3、上部摩擦层（Ekman层）：高度为1－2km湍流粘性力、科氏力、压力梯度力同等重要。0粘科压＋＋FFF4、自由大气：湍流粘性力可略——准地转。0科压FF湍流重要理论•雷诺应力湍流脉动量的二次项称为涡动应力项或雷诺应力项。它实质上是湍流对动量输送的结果。有9个分量''''''''''''''''''wwvwuwwvvvuvwuvuuuTzzYyzTxzTzyTyyTxyTzxTyxTxxT湍流重要理论•普朗特混合场理论的基本思想是把湍流输送量用平均量来表示，这种方法称为湍流半经验理论和湍流参数化方法。作了如下假设1.和分子一样，湍流在运动的起始高度上具有该高度上的平均物理属性；2.在湍流运动中存在一个混合长L’，湍流移动一个混合长后才与四周混合，在此之前具有物理属性保持不变。•湍流发展的判据，Ri数（理查森数）湍流重要理论Ri数（理查逊数）发展，湍流减弱，抑制对流流发展，湍流增强，有利于对湍流动能供给率湍流动能损耗率00)()(2zVrrTgRdi容易发生湍流的区域有（1）近地层（层结不稳定）（2）对流层顶（3）大气边界层（4）锋面、飑线附近大气边界层中风随高度的变化•在行星边界层中，水平气压梯度力、科里奥里力和湍流黏性力是近似平衡的，即有)(1)(1TzyzypfuTzxzxpfv这里已假定边界层中密度随高度的改变可忽略不计。大气边界层中风随高度的变化近地面层很薄，约为数十米厚。这层大气中动量的涡动铅直通量（即涡动应力）随高度变化的改变是很小的。作为一级近似，可假定，涡动应力是一常值，且等于地面上的涡动应力。luzu*在中性层结下，可认为湍流的铅直尺度由离地表高度决定，因而从逻辑上可设混合长是z的函数，为卡曼常数，约为0.4zuzu*上式对z积分，Czuuln*C为任意常数，可由边界条件确定。因地面粗糙不平，离地面一定高度上u就减少到00*lnzuC这样，大气边界层中风随高度的变化00uzz边界条件取为)ln(0*zzuuz0称为粗糙度，它决定于下垫面的物理性质。可以看出，中性层结条件下近地面层中风速随高度呈对数分布，这就是著名的风随高度分布的对数定律。埃克曼抽吸在边界层中，三力平衡下，风要穿越等压线，从高压指向低压，则气旋区产生辐合上升，反气旋区产生辐散下沉。这种边界层顶的垂直运动，称为Ekman抽吸。相应的，自由大气中的气旋区要产生辐散，反气旋区要产生辐合，这样就在垂直面内形成闭合环流。如果将水平面上的气旋、反气旋，称为一级环流，则称这个由一级环流诱发的、在垂直面上的闭合环流，为二级环流二级环流的作用：使边界层与自由大气发生物理量交换。（1）从角动量的角度看：空气，输送到边界层。自由大气中角动量大的气，输送到自由大气；边界层中角动量小的空结果：由自由大气向边界层输送角动量自由大气角动量减少，大气旋转减弱边界层角动量增加，以补偿耗散。（2）从涡度角度看。用来补偿耗散反气旋加强反气旋区辐散气旋加强气旋区辐合边界层中：旋转减弱反气旋减弱反气旋区辐合气旋减弱气旋区辐散自由大气中：自由大气中忽略耗散，是通过与边界层发生相互作用使得大气旋转减弱，耗散发生在边界层。二级环流可使转地转涡旋强度减弱，这种作用常称为旋转衰减作用•二级环流使地转风涡度随时间呈指数衰减。Г≡H(2/fK)1/24天湍流扩散Г≈H2/K100天H=104m，f=10-4/s，K=10m2/s•旋转衰减的时间尺度远比湍流扩散的时间尺度小，因此在旋转大气中，摩擦辐合强迫造成的二级环流与一般湍流扩散过程相比，是使地转涡旋减弱的更有效的机制。