定常条件下的大气边界层-1[新].ppt

第四章 定常条件 下的大气边界层第一节 近地层相似理论第二节 全边界层相似理论第三节 谱相似第四节 半经验理论在边界层研究中的应用补充：相似理论n我们现有的基本物理知识对一些边界 层情况还不足以获得以基本原理为基 础的一些规律n然而，边界层观测结果经常出现可重 现的一些特征，我们对有关变量能够 研究出一些经验关系式n相似理论的最大优点就是为组织和组合 变量提供了一种方法，而且也对如何设 计试验方案以获得最多信息提供了指导n相似理论的思想是把变量组成无量纲组n量纲分析方法π理论（参考流体力学课本）n这个方法帮助我们从所选的变量中建 立无量纲组n无量纲组的正确选择将能提供无量纲 组之间的普遍适用的经验关系，即研 究的结果时时处处都适用，这是人们 所希望的研究相似理论共分4步：1）选择（推测）那些与研究对象相关 的变量 2）根据π理论把变量组合成无量纲组 3）进行试验，或者从早期的资料中积 累 有关数据以决定无量纲组的值 4）对资料进行曲线拟合或者求回归方 程，以描述这些无量纲之间的关系第一节 Monin-Obukhov相似性理论基础：任意变量的无量纲组合原则：任何一个近地层湍流规律，其中的变量均以 适当的特征尺度做无量纲化，无量纲化方程将仅仅 是稳定度因子（z/L）的普氏函数关系。

Note：（1）无量纲化过程应具有相应的物理意义；（2）无量纲化应与被无量纲化特征量具有相同量 级常用的特征尺度变量长度尺度：z：高度；zi：边界层高度；z0：地表粗糙长度；L：Obukhov尺度；速度尺度：u*：摩擦速度；w*：对流速度尺度；G：地转风速；U：地面风速； 温度尺度：*：温度特征尺度；湿度尺度：q*：湿度特征尺度；时间尺度：f：无因此频率；相似尺度的分类动量、热量、水分、物质交换过渡层局地自由对流层边界层顶大气边界层的概念化分层冠层或粘性次层混合层近地面层1）大气边界层最下面部分，受到下垫面影响最直接，气象要素日变化大 2）气压梯度力、柯氏力、分子粘性应力都可以忽略不计，湍流应力为主要作用力风向随高度近乎不 变，气流结构不受柯氏加速度影响 3）各种湍流通量传输随高度变化而数值近乎不变， 称常通量层（书P115） 4）层内风速、温度和其余气象要素场随高度变化十分剧烈近地面层(surface layer)主要特征一 中性层结(一)平均变量梯度（风、温、湿）近地层大气中，风速、温度、湿度等气 象要素随高度迅速变化，其变化特征与大气 稳定度有关 1 风速梯度和廓线n相似理论的一个重要应用就是近地层的平均风廓线n由于近地层风速廓线容易在地面观测，所以人们对它 已进行了广泛研究n通常近地层风速随高度大致上呈对数变化，靠近地面，摩擦曳力士风速变为零中性条件下的风速廓线n估计平均风速为地面以上高度的函数n中性层结条件下，热力因子不作用，影响大气运动 的主要参量是地表应力(用摩擦速度 表示)和高度 Z。

应用π理论，可确定函数F的形式为：对上式积分，可得 ：其中k为冯•卡门常数，在0.35-0.4之间中性层结条件下的近地层风廓线典型形式— —对数风廓线空气动力粗糙度Z0n空气动力粗糙度长度 定义为风速为零的高度n尽管空气动力粗糙度长度并不等于地面上各个粗糙 元的高度，但是这些粗糙元和空气动力粗糙度长度 之间却存在一一对应的关系n换句话说，对特定的地表而言，空气动力粗糙度长 度一旦被确定，它就不会再随风速，稳定度或应力 而发生变化n如果地面粗糙原因诸如植被的高度和范围，围墙兴 建，房屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话，那 么空气动力粗糙度也会随之发生变化不同地 表粗糙 度取值海面的粗糙度n一些学者（Chamberlain,1983）提出用某些粗糙因 子之间的经验关系来估计粗糙度对海面，沙地和 雪面等，n对于海洋，解 释例题，在中性层结条件下，测出Z＝z1处，u ＝u1， Z＝z2处， u＝u2，其中z2>z1,由观 测资料求 和Z0位移距离dn在陆地上，如果各个粗糙元被组合得非常紧 密，那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个 位移了的地面n例如在一些林冠中，树木密集，从空中俯视 ，树木密实得就像个固体n在有些城市中，房屋极其密集，也有类似的 效应，也就是说，平均屋顶的水平面对气流 起的作用就像一个位移了的地面一样位移距离n气流越过林冠层时风速为高度的函数，稠密林冠层的作用就 像在实际地面以上位移了某一距离的地面那样。

粗糙度长 度n林冠顶部以上，风速廓线随高度是对数增大n对静力中性条件来说，我们能确定位移距离d和粗糙度长度 ，所以：n我们已规定在 时n已知在静力中性条件下三个或三个以上高度上的风速观测结 果，利用计算机处理的诸如马夸特算法或高斯-牛顿一类的非 线性回归算法，很容易求出 三个参数2 温度和湿度梯度中性层结：湿度廓线二 非中性条件下的平均廓线n 建立起由 描述的动量通量与垂直 速度廓线的关系式n这些表达式叫做通量-廓线关系式，这些关系是可以 推广运用到非中性近地层n在非中性条件下，除了摩擦速度和高度Z外，我们可以预计浮力参数和地面热通量是外加的两个有关变 量应用π理论，可确定函数F的形式为：L，首先由Obukhov提出（1946），中性层结条件下 ，湍能浮力产生项和切变产生项相等的高度不稳定中性稳定对上两式进行积分,并利用边界条件：时，z=Z0 ,u=0，得到非中性层结下近地层风、温廓线的一般 表达式如下:n根据外场实验数据，Businger等（1971）和Dyer（ 1974）拟合出的函数式为：nBusinger等认为，他们的数据k=0.35n —— Businger－Dyer通量廓线关 系Ri和z/L的关系Businger（1966）以及Panofsky（1966 ）。