动力气象学第八章 大气行星边界层.ppt

第八章第八章 大气行星边界层大气行星边界层 湍流、粘性、热传导和扩散动量、热量、水汽的输送强烈的风垂直切变，下垫面非均匀增热——湍流——行星边界层贴地层：分子粘性应力大，湍流粘性应力较小，厚度在2米以内近地面层：湍流应力不随高度变化，风速随高度呈对数分布，厚约10米湍流对动量、热量、水汽的铅直输送通量不随高度改变——常值通量层Ekman层：三力平衡、准定常，Ekman 螺线§8.1  湍流平均动量方程，混合长理论8.1.1  平均动量方程涡动应力或雷诺应力，在数学上是非线性的，物理上是湍流混合作用对动量输送的结果8.1.2  涡动通量密度，涡动应力                       称为涡动铅直通量(湍流输送通量)密度                      为单位时间内在单位水平面积上湍流向下输送的x方向动量，可视为该水平面积以上的空气作用于单位面积上的力，此力的方向与x轴平行分子运动所引起的动量输送，其宏观效果表现为分子粘性力，涡动应力是湍流引起的，所以涡动应力又称为湍流（虚）粘性应力脉动速度对动量的输送可以产生九个应力分量，构成一个涡动应力张量下标第一个字母代表作用在那一个平面上的应力，第二个代表应力的方向各向同性——对称张量8.1.3  参数化，混合长理论湍流带有随机性，还不能给出有关湍流结构严格的数学理论。

参数化——混合长理论——自由程1湍涡具有起始高度上的平均物理属性2通过一个混合长后才与四周混合Az：涡动交换系数；K：涡动（湍流）粘性系数——湍流系数§8.2  行星边界层中风随高度的分布8.2.1  近地面层厚约10米，涡动铅直通量（涡动应力）为常值中性层结的对数律8.2.2  Ekman层利用Euler公式可得：取埃克曼层的厚度为1km，K=5m2/s，若风速的垂直切变为5m/(skm)，混合长度为30米§8.3   埃克曼抽吸与旋转衰减在准地转涡旋流场中，由于湍流摩擦效应将会在埃克曼层中造成强迫的铅直环流，它叠加在准地转水平环流之上，称之为二级环流因为二级环流是由行星边界层摩擦所驱动的，所以产生这种二级环流的机制成为埃克曼抽吸行星边界层的湍流摩擦通过二级环流可直接影响自由大气中的运动，可是准地转涡旋强度减弱，这种作用称之为旋转衰减作用物理分析物理分析 二二级环流的作用：使流的作用：使边界界层与自由与自由大气大气发生物理量交生物理量交换 （1）从角动量的角度看：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）从涡度角度看注：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由涡度方程得Streamlines of the secondary circulation forced by frictional convergence in the planetary boundary layer for a cyclonic vortex in a barotropic atmosphere. The circulation extends throughout the full depth of the vortex.Streamlines of the secondary circulation forced by frictional convergence in the planetary boundary layer for a cyclonic vortex in a stably stratified baroclinic atmosphere. The circulation decays with height in the interior.热量的湍流量的湍流输送：送：与瞬时方程比较：左边多了——脉动量的二次乘积项。

它体现了湍流的作用——由湍流造成的物理量的输送项 其中： 定义： 都是脉动量的二次乘积项 水汽的湍流水汽的湍流输送：送：同理得：定义： 第五第五节 湍流运湍流运动的的发展判据展判据 ——Richardson数影响湍流运影响湍流运动的因子：的因子：1、层结的作用：     大气密度随高度变化      ——层结大气     稳定、不稳定、中性层结 一致一致 不不稳定定净浮力与位移浮力与位移 相反相反 稳定定 为0 中性中性气气团垂直向受到垂直向受到净浮力的作用浮力的作用净浮力取决于气浮力取决于气团与与环境大气的密度差境大气的密度差,如：如： 气气团上升上升过程中，周程中，周围气气压减小，引减小，引起气起气团膨膨胀（准静力（准静力过程）程） －－温度密度减小－－温度密度减小 同同时，，环境大气的密度温度也在随高境大气的密度温度也在随高度减小。

度减小 净浮力取决于气浮力取决于气团和和环境哪个减小的境哪个减小的更快净浮力与位移相反 稳定定层结——净浮力抑制湍流运浮力抑制湍流运动的的发展，作展，作负功 中性中性层结 ，，净浮力＝浮力＝0 ，无影响，无影响2．平均运．平均运动的作用的作用湍流运动的主要能源来源是平均运动（宏观）,通过湍流粘性应力作功提供湍能——转化为湍流运动动能(微观)；※有序运动向无序运动的转化：能量串级     如：摩擦生热：宏观运动动能转化为微观运动动能平均运动总是有利于湍流发展定义Ri 数：平均运动的湍能供给率： 反抗层结作功的湍能耗散率 实际中，一般取 P175:  1-6, 17。