动力气象笔记(下学期)

动力气象,个人笔记,南京信息工程大学

第五章 大气行星边界层

层流

边界层。※ “流体力学”中的“边界层”分为 湍流

※ 层流边界层的特点：

①几何学特点：D<<L，横向<<纵向；

无滑动：V=0； z=0②运动学特点： 有很大的流速切变：V(Z) 垂直方向上动量分布不均匀。

③动力学特点：粘性力重要。 ※ 湍流边界层的特点： ①一根几何形状（确定）规范的管子，其中流体流速越快，越易形成湍流边界层。 ②

湍流粘性力

地球表面；粗糙不平 湍流性很强 物理量的输送

水汽、热量输送 ※ 图示：

※湍流粘性力，随高度Z的增加，呈e指数衰减。

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※ 地面的边界作用，有

动力

热力

方面。

※ 边界层本身的特性：污染物在边界层中的扩散，与边界层的层结有关； 数值预报中物理模式的描述，与边界层有关。 ※ 大气边界层，主要受地表（固壁、粗糙不平）影响，产生湍流。

热力、动力边界（固壁 无滑动

大气热力、动力性质在近地面与地面相同)

地面

湍流作用—随Z↑,湍流作用↓

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第一节 大气分层

大气：受地表影响；随Z↑而影响减弱。

湍流粘性力也随高度而减小， 在不同高度上，它有不同的重要性 不同高度上，有不同的动力学特点。 ※ 按“大气受到的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：几厘米

附着在地表，风速V≈0，无湍流。

湍流粘性力＝0，分子粘性力最重要。

对大尺度大气研究，这一层不重要；在“农业气象”中很重要。

②近地面层：80－100m

湍流运动非常剧烈，主要以湍流粘性力为主。 人主要生活在这一层中。

该层中的高层建筑的阻挡，使得气流在绕过建筑无之后，出现湍流。 “边界层污染”；“边界层动力气象”

③上部摩擦层：1－1.5km(Ekman层)

湍流粘性力、科氏力、压力梯度力都不能忽略，基本满足三力平衡，

即：F压＋F科＋F粘≈0

在近地面层、上部摩擦层中，湍流粘性力都不能忽略；在上部摩擦层中比近地面

层中，F粘要小。

④自由大气：准地转。

F压+F科≈0

图示

:

总结：把大气分为三层：近地面层、上部摩擦层、自由大气

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分为两层：边界层（1/10厚度）和自由大气 在边界层：湍流粘性力（由地面作用引起的），即边界作用不能忽略。

第二节 边界层的一般特点 ※ “一般”是指，这些特点不仅仅是大气边界层特有的。

1．近地面层中，气象要素的日变化大

∵大气与地表相比：地表由于自转、太阳辐射作用（热容量小），其日变化大 ∴近地面层贴近地面，因而日变化大。

2．近地面层中，气象要素的垂直梯度大（与近地面层外部比；与水平方向比） TΔT TΔ

T～～ ,

L zD x

3．湍流运动引起物理量的输送；

由于垂直梯度大气，所以垂直向输送>>水平向输送。

4．上部摩擦层中，满足“三力平衡”：

1

ρ

p fk∧V+Fk=0

从能量的角度看，用V (eq.)

1

V ( p fk∧V+Fk)=0

ρ

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V ( 1 p)>0 压力梯度力作正功； ρ分析上式

∧V V ( fk)=0 科氏力不作功；

V F

k<0 摩擦耗散动量。

－1

ρ

P作的正功，被边界层的F

k耗散了。

F

k一定在运动方向的反方向一侧。 风由高压吹向低压。

※ 比较刚体和流体中F

摩的方向： 刚体： 与相对运动趋势相反； 静摩擦存在。

有流体： 与相对运动、而不是趋势相反； F

无静摩擦存在。k一定在反方向一侧。

注：流体所受的摩擦力不一定恰好在反方向的直线上！

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※ 解释下面两种垂直方向上的地面与高空系统配置的产生机制：

左图：正压系统

上下层配置相同，纯动力无热力过程。

由于边界层的摩擦作用，地面低压辐合；又由于质量不能在某一局地堆积，故辐合对应上升运动；高层大气中地气旋在上升运动下水平辐散，由涡度方程知，涡度减小，故高层低压减弱。

右图：斜压系统

上下层配置不同，首先断定这是一个斜压系统，故必与热力过程相对应。 地面低压所在位置原对应着暖中心，四周是冷；由于暖，则密度减小，空气上升，周围空气辐合，因而产生了地面的低压中心。高层的高压由于有低层辐合上升气流的辐散作用，也要加强。

第三节 大气的湍流运动与平均运动方程

一，湍流的概念

湍流：无规则涡旋运动；随机运动

没有办法描述它的运动趋势

不确定的—

另一方面，也没有意义确定它的运动

类似于处理“分子运动”的方法，用统计方法：大数平均量。

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宏观充分小—可视作一个点；

※ “流点”要求：

微观充分大—包含大量分子、稳定的统计平均结果一个分子的出入不会引起计算的不稳定。 ※ 从温度变化的曲线图（不是一条平滑的曲线），可以看出： 有很强的湍流作用；反映了分子运动的无规则性。

，可以发现：这样的 如果作大数平均——每隔Δt作一次平均（Δt取1小时）

平均值变化很有规律（如图横短线所示）；

如果作滑动平均，可以得到一条光滑的变化曲线； 若Δt取得很小，则无规则性还是不能去掉。 “平均”要作大数平均，要包含大量得样本。

就像我们从来不去确定一个分子的运动以讨论整个大气运动一样，我们也不去研

瞬时值—随机、不确定；究湍流的瞬时值

平均值—有规律。

对任一物理量q: q=+q'

其中，q__瞬时量；__平均量；q′__脉动量。

脉动量是随机的，体现湍流变化的强度的量；平均量是有规律的，但不能描述湍流运动。

dV

是质点的有关物理量的瞬时量； 运动方程中：dt

Fγ是分子随机运动引起了分子粘性力，对质点宏观量还是有影响的。

1．平均值的取法

1t+L

时间平均值：=qdt

2L∫t L

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空间平均值：=

1

τ

∫qdt τ

时空平均：求积分

2.通过瞬时方程，如何得到平均运动方程？ 步骤：1）任一变量：q=+q′，代入方程； 2）对整个方程求平均："eq."

e.g. V t= ( V t)= 求积求导交换顺序 → V

t

= 得到平均方程。 3）整理：化到 数学上简洁

的程度。

物理上明了

对乘积项A B求平均：

A B=(+A′)(+B′)=+B′+A′+A′B′=+AB

=0

有如下性质：=

+q′=+q′=q1+q2=1+2 和的平均＝平均值的和； …… 此处隐藏：5221字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……