第一章大气边界层与边界层气象学研究.ppt

第一章
大气边界层与边界层
气象学研究
第一节大气边界层及其特性
大气边界层(重点掌握)
~ 10 km
1~2 km
自由大气
平流层
边界层
流体力学的边界层理论
当流体以高雷诺数绕物体流动时,在流体与物面完全分离以前,粘性和湍流的输运作用仅限于物体表面的薄剪切层内--边界层内,而边界层以外,速度和温度梯度很小,粘性和湍流可以忽略。
边界层内:粘性流场(Navier-Stokes);
边界层外:无粘性(欧拉方程).

流体力学的边界层厚度:即流体速度达到99%自由流体速度u0的位置:

在这一边界层,存在动量亏损、能量亏损。
流体力学边界层的范围很宽,如飞机机翼等不规则形状。
用流体力学方法对大气边界层定义,可行吗?
1、实际大气存在地转偏向力,风速、风向随高度有剪切作用,
二维问题变为三维问题。
2、温度层结的影响(大气稳定度)
流体力学边界层可以将动力边界层和热力边界层分别讨论,而大气边界层动力与热力作用共同存在,引入大气稳定度的概念。
3、下垫面不均一,因地形变化,边界层在流场方向做调整。
4、边界层顶云的影响
与边界层发展密切相关的云有积云、层积云、层云等,天空有云时,辐射传输受影响。
5、天气系统的影响(目前较难研究)
6、边界层内湍流尺度分布
最大边界层厚度可达数公里,小到耗散尺度(几个毫米的量级)
大气科学中小尺度分类
> 200km 台风 Meso 尺度
20km ~ 200km 低空急流 Meso 尺度
2km ~ 20km 重力波、地形 Meso 尺度
200m ~ 2km 对流 Micro 尺度
20m ~ 200m 对流单体 Micro 尺度
2m ~ 20m 烟气扩散 Micro 尺度
< 2m 湍流 Micro 尺度
如何定义边界层的上界,是一个很困难的问题。有时,上界很明显,例如逆温盖,在盖子以下大气受下垫面影响很大,而在盖子以上则未受影响。但在通常情况下这种明显的界限是不存在的,下垫面的作用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地,类似于流体动力学中边界层厚度的定义,定义大气边界层的上界为在这个界面上,由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减小到地面值的很小一部分,例如1%。但有时也以逆温层顶作为大气边界层上界。
有时ABL高度难以判断
大气边界层特征:
地球表面向上并与地面有直接作用的气层;
是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水气交换必经的气层;
具有明显的日变化规律;
与季节、天气背景、高度等密切相关。如:按热动力学,有不稳定、中性、稳定层结之分。
涉及面广:空气污染、环境、气候变化等
日变化:
不稳定大气边界层,主尺度在空间上与边界层厚度相当,传输快;
稳定边界层,主尺度小于边界层厚度,可能出现湍流间歇性,传输慢。
平均风速
波动
湍流
风与气流
平均与扰动:
平均风
波+湍流
平均风:明显的日变化
风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
一般量级:水平风为米的量级
垂直风为毫米-米的量级
波动:有规则和一定的周期变化,形式多样,常见:
重力波、惯性波
湍流:大气边界层的主要运动形态,剪切和不稳定特性等,
湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。
大气湍流和波动叠加在平均场上,表现为风的起伏和扰动。