第五章大氣邊界層

第五章大氣邊界層王樹舟南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院

邊界層理論的應(yīng)用空氣污染學(xué)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)水文學(xué)航空氣象學(xué)中尺度氣象學(xué)天氣預(yù)報(bào)和氣候城市氣象大氣（或行星）邊界層在許多領(lǐng)域中的重要作用大氣邊界層研究重要內(nèi)容湍流發(fā)生機(jī)理，湍流統(tǒng)計(jì)理論，科爾莫戈洛夫湍流理論，湍流標(biāo)度律，湍流的非線性動力學(xué)理論，湍流時(shí)間序列分析等納維-斯托克斯方程，雷諾平均，湍流能量平衡方程，應(yīng)力和通量，湍流“不封閉問題”，一階閉合，高階閉合，大渦模擬等相似性原理，穩(wěn)定度參數(shù)，莫寧-奧布霍夫長度，近地層相似理論，全邊界層相似理論，局地相似理論，湍流結(jié)構(gòu)的參數(shù)化，邊界層結(jié)構(gòu)的參數(shù)化等整個(gè)大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過大氣后再被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣地氣之間動物質(zhì)和能量交換過程的核心問題就是湍流問題，絕大多數(shù)發(fā)生在大氣邊界層中的物理過程都是通過湍流來實(shí)現(xiàn)的。大氣邊界層幾乎總是處于湍流狀態(tài)，層流是極為少見的。云中空氣的運(yùn)動也幾乎都是湍流。湍流也是大氣科學(xué)研究最為重要的基本問題之一。湍流是如何發(fā)生的？

層流失穩(wěn)（剪切和熱對流）雷諾：在實(shí)驗(yàn)室模擬湍流雷諾數(shù)

Re=UL/v種種理論。。?！洞髿膺吔鐚游锢怼?、《邊界層氣象》

本課程中需要掌握的邊界層內(nèi)容大氣分層，特點(diǎn)湍流重要性湍流發(fā)展的判據(jù)邊界層中風(fēng)隨高度變化埃克曼抽吸，二級環(huán)流和旋轉(zhuǎn)減弱大氣邊界層是指大氣層最底下的一個(gè)薄層，大約1~2公里厚度，它是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次。它的研究與天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測以及大氣物理研究有非常密切的關(guān)系。并不限于1~2公里，比如青藏高原夏季邊界層高度可達(dá)3公里邊界層是對流層的一部分，它直接受地表的影響，對地表強(qiáng)迫響應(yīng)的時(shí)間尺度約為1小時(shí)或更小。邊界層過程包括：摩擦力蒸發(fā)和蒸騰熱傳遞污染物排放地形引起流的變性按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上對大氣進(jìn)行分層：

1、貼地層：高度為幾個(gè)厘米附著在地表，風(fēng)速，無湍流。

湍流粘性力＝0，分子粘性力最重要。2、近地面層：高度為80－100m湍流運(yùn)動非常劇烈，主要以湍流粘性力為主。3、上部摩擦層（Ekman層）：高度為1－2km湍流粘性力、科氏力、壓力梯度力同等重要。4、自由大氣：湍流粘性力可略

——準(zhǔn)地轉(zhuǎn)。湍流重要理論雷諾應(yīng)力湍流脈動量的二次項(xiàng)稱為渦動應(yīng)力項(xiàng)或雷諾應(yīng)力項(xiàng)。它實(shí)質(zhì)上是湍流對動量輸送的結(jié)果。有9個(gè)分量湍流重要理論普朗特混合場理論的基本思想是把湍流輸送量用平均量來表示，這種方法稱為湍流半經(jīng)驗(yàn)理論和湍流參數(shù)化方法。作了如下假設(shè)1.和分子一樣，湍流在運(yùn)動的起始高度上具有該高度上的平均物理屬性；2.在湍流運(yùn)動中存在一個(gè)混合長L’，湍流移動一個(gè)混合長后才與四周混合，在此之前具有物理屬性保持不變。湍流發(fā)展的判據(jù)，Ri數(shù)（理查森數(shù)）湍流重要理論Ri數(shù)（理查遜數(shù)）容易發(fā)生湍流的區(qū)域有（1）近地層（層結(jié)不穩(wěn)定）（2）對流層頂（3）大氣邊界層（4）鋒面、颮線附近大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化在行星邊界層中，水平氣壓梯度力、科里奧里力和湍流黏性力是近似平衡的，即有這里已假定邊界層中密度隨高度的改變可忽略不計(jì)。大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化近地面層很薄，約為數(shù)十米厚。這層大氣中動量的渦動鉛直通量（即渦動應(yīng)力）隨高度變化的改變是很小的。作為一級近似，可假定，渦動應(yīng)力是一常值，且等于地面上的渦動應(yīng)力。在中性層結(jié)下，可認(rèn)為湍流的鉛直尺度由離地表高度決定，因而從邏輯上可設(shè)混合長是z的函數(shù)，為卡曼常數(shù)，約為0.4上式對z積分，C為任意常數(shù)，可由邊界條件確定。因地面粗糙不平，離地面一定高度上u就減少到0

大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化邊界條件取為z0稱為粗糙度，它決定于下墊面的物理性質(zhì)。可以看出，中性層結(jié)條件下近地面層中風(fēng)速隨高度呈對數(shù)分布，這就是著名的風(fēng)隨高度分布的對數(shù)定律。?？寺槲谶吔鐚又?，三力平衡下，風(fēng)要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區(qū)產(chǎn)生輻合上升，反氣旋區(qū)產(chǎn)生輻散下沉。這種邊界層頂?shù)拇怪边\(yùn)動，稱為Ekman抽吸。相應(yīng)的，自由大氣中的氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻散，反氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻合，這樣就在垂直面內(nèi)形成閉合環(huán)流。如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級環(huán)流，則稱這個(gè)由一級環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為二級環(huán)流二級環(huán)流的作用：使邊界層與自由大氣發(fā)生物理量交換。（1）從角動量的角度看：結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動量

自由大氣角動量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱邊界層角動量增加，以補(bǔ)償耗散。

（2）從渦度角度看。自由大氣中忽略耗散，是通過與邊界層發(fā)生相互作用使得大氣旋轉(zhuǎn)減弱，耗散發(fā)生在邊界層。二級環(huán)流可使轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)渦旋強(qiáng)度減弱，這種作用常稱為旋轉(zhuǎn)衰減作用二級環(huán)流使地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減。Г≡H(2/fK)1/24天湍流擴(kuò)散Г≈H2/K