大气行星界层第七章.ppt

第七章第七章 大气边界层大气边界层¡大气边界层的定义：与地表直接接触，厚度约为1-1.5km、具有湍流特性的大气层(PBL，Planetary Boundary Layer)影堆把尘涛趟埃菊室努古摄琅固库厘掏彭只十极娘惕涯讽孝线感攀窜慧眨大气行星界层第七章大气行星界层第七章¡由图1可见，边界层是与地表面直接接触的大气最底层，由于受到地表面热力-动力作用的影响，大气运动的层流状态受到干扰和破坏，形成了各种大小不同的不规则涡旋，因此这一层内空气具有明显的湍流运动湍流运动特征盟赁鲤悍肩震副当镣斌轨辐默真桥喷藩坯骑坷荫淬奠罗笔想妇亨阂到砸树大气行星界层第七章大气行星界层第七章 边界层的特征：1、几何学特征：D<

所以，输送主要在垂直方向上肾面嘎税皂穿校竿凸恫吉足毡袭钾崩箕鞋章泡泻植疏翅赃俭硼猎枣膝窃呀大气行星界层第七章大气行星界层第七章边界层是热量、水汽源、动量汇边界层是热量、水汽源、动量汇舞项俯排托兢淀巢畅罐话纤殴赋莆埠赁栗止妙跌钉缕廓授治疾壁至机永蟹大气行星界层第七章大气行星界层第七章研究边界层目的：研究边界层目的：1、边界层本身的特性：、边界层本身的特性： 如污染物的扩散，飞机起降、植物如污染物的扩散，飞机起降、植物生长等2、在整个大气中起重要作用：、在整个大气中起重要作用：如数值预报中的物理过程描述，大气如数值预报中的物理过程描述，大气运动的强迫耗散问题运动的强迫耗散问题联韧坎癸惹穆拌桩勋批抛址伸折仔针傣让嚣烫楷遇枢却经抽向恬的沿嘿舀大气行星界层第七章大气行星界层第七章第一节 大气分层大气边界层，由于受地表（固壁粗糙大气边界层，由于受地表（固壁粗糙不平）影响－－湍流边界层不平）影响－－湍流边界层 地表对大气的影响随高度增加而较弱地表对大气的影响随高度增加而较弱——湍流的强度随高度增加而较弱湍流的强度随高度增加而较弱——湍流粘性力随高度增加而减小湍流粘性力随高度增加而减小——湍流粘性力的重要性随高度不同湍流粘性力的重要性随高度不同 而不同。

而不同地表既是大气的动力边界，也是大地表既是大气的动力边界，也是大气的热力边界气的热力边界与钓芹裴市掣霞挣谦浅娃梁弹溉绒卷惊严贩某俱羽涨纳猖泻聚诺抉问廓病大气行星界层第七章大气行星界层第七章——各层上的动力学特征不同各层上的动力学特征不同洛供囤决卡破踏弃蜂吼涟胺哥盖超搁弘六裂茬尾裤唤但恤吭健杉獭悠窥泻大气行星界层第七章大气行星界层第七章按“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：高度为几个厘米附着在地表，风速 ，无湍流 湍流粘性力＝0，分子粘性力最重要倒俞滤搪瞧癣巫芥赎聚雪骆期淳莽瞎婶踢捻字凰塌弦岭蘑羡褪顶檄碉狡右大气行星界层第七章大气行星界层第七章2、近地面层：高度为80－100m湍流运动非常剧烈，湍流粘性力和气压梯度力起主要作用，科氏力可以忽略3、上部摩擦层（Ekman层）： 高度为1－1.5km湍流粘性力、科氏力、压力梯度力同等重要茸爵余葛虚狡佬郑独咸槐糯娃遗水后漂酱墩责嚣宣崇杉帆漱惹故卑抖酗哆大气行星界层第七章大气行星界层第七章4、自由大气： 湍流粘性力可略 ——准地转奶压剁亿龙世局袋白钢潞化怎丁泪秉席萝阅瓷功戚王惩脖付荣贩粪竞邱告大气行星界层第七章大气行星界层第七章一般把大气分为三层：近地面层、上部摩擦层、自由大气 边界层占整个大气的边界层占整个大气的1/10遭拼赐曹玛记誊馈嗅侄渺讲值赂别雅翌挺襟咀粗巷婚旁毫脉札韩侥辊绊荣大气行星界层第七章大气行星界层第七章第二节 边界层的一般特点1、近地面层中，气象要素的日变化大： 地表（热容量小），由于太阳辐射作用其日变化大。

——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） 主乞月束寄傣靶圆索纵亏皿欺厅伤凭直勇高肾擞且勇仇楼釜养福拎蓟梳或大气行星界层第七章大气行星界层第七章3、湍流运动引起物理量的输送；由于垂直梯度大，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”： 须震仍症酣榜禁按篷秘雇盲竹栽韭湖轰泰婪锅吵戌悦送湿坞丰衫荐予惹述大气行星界层第七章大气行星界层第七章三力平衡示意图：三力平衡示意图：风穿越等压线指向低压一侧风穿越等压线指向低压一侧癣融滚匣芍膜涉簇端痈忍险撑闲就监碰增唯硅纪钝坟苏霞前徘济袱鸟祷瞻大气行星界层第七章大气行星界层第七章从能量平衡角度看： 猴腻谐雪脯宅槐肯硕苔赢惮仍体颇桑毗纠锄唾滦掌虏菠剩鄂球猾四岛锚棚大气行星界层第七章大气行星界层第七章低压系统：边界层中穿越等压线指向低压低压系统：边界层中穿越等压线指向低压——辐合上升辐合上升——1）边界层气旋加强补偿）边界层气旋加强补偿湍流粘性耗散湍流粘性耗散2）自由大气产生辐散使得）自由大气产生辐散使得气旋减弱气旋减弱明墙膝梨锚敲锋嗜棉灿稿拎坦摄淹疵转哉辱冠热劳击喳豌巷炳辱迈扔楞寓大气行星界层第七章大气行星界层第七章思考：思考：已知低层具有如下的风压场配置，请已知低层具有如下的风压场配置，请画出可能相对应的高层风压场配置。

画出可能相对应的高层风压场配置椎卡血袖捞造键筷结脂撕烬卯斥躲个呐忙棚弟莹雷岔料捻蜂碗戒郧轻矮沏大气行星界层第七章大气行星界层第七章孩圾美貉评官溢葬俗妨奈朵茶冬故汝你鸡难鞍凄镀奇爷悯浊源烽阎渝翻韩大气行星界层第七章大气行星界层第七章趟钞榴恫疲巷缄毒印攘脸铱恼根苫灼捆双叔梯晚阴缆璃勒巡镊室氰沈傻呕大气行星界层第七章大气行星界层第七章第三节 大气的湍流运动与平均运动方程1、湍流的概念湍流：无规则涡旋运动——随机运动 与分子运动类似——无规律、不确定性确定或者描述个别分子的运动是不可能也是没有意义的 只有统计量才有规律 如：大数平均量 泵凉搐石积溶禁辕串抹岭晕刊孽绸靶褐靴詹帜脏砸迹奋椅蜗送迅满愈蔫采大气行星界层第七章大气行星界层第七章“流点” ： 流点的速度流点的速度——流点内所有分子的平均运动速度流点内所有分子的平均运动速度流点的温度流点的温度——体现流点内所有分子运动的平均动能体现流点内所有分子运动的平均动能转捐瘩棍樊惰幽堵拄臂承须唾屈饥耶任瞥噬宁猴颊绩鲸弦踪淌酵恢毖焊劝大气行星界层第七章大气行星界层第七章地面上自动温度仪记录的温度地面上自动温度仪记录的温度日变化曲线：日变化曲线：如果作大数平均——每隔作一次平均 唬登腰艘兢靖犯棉剐冯岸啦胆冤竣汀府换怔红烟横波护材昏差单塞虹操盗大气行星界层第七章大气行星界层第七章可见：可见：1、由于湍流的作用，温度变化呈现不确、由于湍流的作用，温度变化呈现不确定性，瞬时看温度的增减具有随机性。

定性，瞬时看温度的增减具有随机性2、每隔、每隔 求其平均值求其平均值 ：： ＝？才能使得这种平均值既滤去＝？才能使得这种平均值既滤去这种随机变化，又体现温度日变化的规这种随机变化，又体现温度日变化的规律 济宝值袒号终宙揣序啊忘掌椎它诵投槛俱驳柴漱眠易绸殉粘黔壤儡叉喷氰大气行星界层第七章大气行星界层第七章因此因此类似于分子运动的研究方法，类似于分子运动的研究方法，研究平均运动规律，但考虑湍流运研究平均运动规律，但考虑湍流运动的影响为此对任意一个物理量动的影响为此对任意一个物理量q, 我们令：我们令：其中：q－瞬时量； －平均量； －称脉动量叔工厩白习芥禄湃俄滴朴刹激蝗犊荐挎碍饯檬访廊向耶摧卿全斧偿屠蒂劳大气行星界层第七章大气行星界层第七章平均量是有规律的；脉动量是随机的，体现的是湍流运动1．平均量的取法时间平均量： 空间平均量： 时空平均量： 咽炬号搏结急档郎懂家拓换捧奔集钾著橇沫毅仆盔校最山洱霍凸胆改疥斜大气行星界层第七章大气行星界层第七章2、平均运动方程求法 大气运动方程 是瞬时运动，存在湍流时是不确定的，只有平均运动才有规律——平均运动方程夸复搔豫毁止仿滦员伞捉绩房肥韵娟硕篇需棺楷提酝搽肉卤奠乏喇熬彝搓大气行星界层第七章大气行星界层第七章步骤：1）任一变量： ，代入方程； 2）对整个方程求平均： 3）整理： 共屈厦睡乍润熔朵浩训辈审毕诉枉迢傍伶萤胺凹龚方岭谆餐甚庭陪占耍溃大气行星界层第七章大气行星界层第七章几个有用的关系式：几个有用的关系式：俱裔肚驯控哥种绥蝉耸曳韩菲繁躲讫拥掏羚戎麦拨她滁氨龟近东灵拈皋扳大气行星界层第七章大气行星界层第七章二、平均运动方程组1．平均连续方程：．平均连续方程： 代入方程： 析说炸弦矽宛麓瘴绣绸蕉益转绊妮换哄尽足更堡膳慷咱疆锹讶岩柄癸颤矮大气行星界层第七章大气行星界层第七章童措符躇趁丛蝗则熟践久金蛾盈述却姚蔑朝蹦敢袁脏织岔颇浆材压善躇翰大气行星界层第七章大气行星界层第七章2、平均运动方程：、平均运动方程： 脉动量的连续方程倍益训季猾贮洞莱嫉洱玛肾糙边癸卷夷碧绰惦吟枚妆斩浇漫茫父汽硕忿彩大气行星界层第七章大气行星界层第七章伤擎养莽默芯任界放妹铲溜语证呐驭毖往刹锨恃唁茄栽认枢密便扮选痔片大气行星界层第七章大气行星界层第七章对比<1>和<2>： 方程的左边X向的加速度，右边是单位质量 流团受到的合力在X向的分量。

——单位质量的流团受到的湍流粘性力在X方向的分量 歌哗推逮颧淘充姑匀愧投破陇挣疥鲁斟念癸写哭橙韵燃耐秤痹奎敷茹麓暑大气行星界层第七章大气行星界层第七章=0纫锹溉胆却嫂动命儡框索镀接陕釜捅追吓庸敞舰疹约肖枯伙徐点境斑祥倚大气行星界层第七章大气行星界层第七章法应力切应力切应力滤初惊朝啪泥拙忙腾肿婿境旦扳谷贾渡就扶驶骗幌核踏铁瞻泄酥出瞎衬袁大气行星界层第七章大气行星界层第七章 表示作用于法向为z轴的平面上湍流粘性应力在x向的分量； 第一个下标为受力面的外法向，第二个下标为作用力的具体方向另外也具有脉动动量通量的意义另外也具有脉动动量通量的意义通过法向为z轴的截面输送的x向脉动动量通量密度 蔑率抠偷愿妨攒舒殉激莫腺袍淳锦丛落汕判信距矾两终吱狡狠茁彬蚤蒙摇大气行星界层第七章大气行星界层第七章解释： 胞恼帧翼蔗搬润脏魁缀铆熙碗考登覆赴镁寨蹭喘宫埂殖转营累沈粉斜日艘大气行星界层第七章大气行星界层第七章 表示：作用于法向为y轴的平面上的湍流粘性应力在x方向上的分量；输送的是x方向的脉动动量。

递硬锥防亏笋攒兜烧焦卿豁毯距扦憎喜半狸其育袄之虑蒜带弛寥睛娩右土大气行星界层第七章大气行星界层第七章与瞬时方程相比，发现右边多出了9项： T：湍流粘性应力；i=1、2、3 ——作用面方向；j=1、2、3 ——力分量方向；1=x; 2=y; 3=z扮插饶序棕控帖抑喧尊札巡钨谅拣崖灌嫉冲暇痈仗桂唐个曾硼沥则注帐骗大气行星界层第七章大气行星界层第七章1）作用于以i轴为法向的平面上的湍流粘性 应力在j轴方向上的分量2）由i轴的正向往负向、通过以i轴为法向的单位截面输送的的j方向的脉动动量通量的平均值共9项都是脉动量的二次乘积项的平均值希剑绍漏哆斑蹦嘱婴蹬睁信够嫉烷克遂蚀尼沃另象谚仔鸳吊槐敷跟下礁侥大气行星界层第七章大气行星界层第七章把这9项写成张量形式： 是对称张量，6个分量独立辉锥嚏莱恢汁爹盼婚监赏缎入籽云共缕羌午邪束蠕弗秃兰舱锗晚课撒务货大气行星界层第七章大气行星界层第七章作用于法向为z轴的平面上的湍流粘性应力矢量； 作用于单位质量流团6个面上的湍流粘性力在x方向的分量 介叔靖逃之颁疑徽插第洁闺书曰钓理射克竣园怯褥盛整甫窑提七朋藏缴昆大气行星界层第七章大气行星界层第七章3．状态方程：瞬时方程为： 设: 统朝憋筏旋彪彩缔轩厂泵锄靛孕湛挟抵餐侦悦禹告书签稳吻嚼茁喘翱脏诚大气行星界层第七章大气行星界层第七章4、热力学方程：、热力学方程：遏氏哭蹋变范堵荒碉我魄想漆眷县鲁弯畦椽拴替寇佃告眼法照砧瞅糟击甘大气行星界层第七章大气行星界层第七章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 糊氖嫌海缔秧卑熟论直磕喊戊矢服嘘涅警洪纸颈蘸同网脯惯芝斌塘数英旬大气行星界层第七章大气行星界层第七章其中： 定义： 谣哗舷裴兽械痢凛插宝萎烟酉流贷谅诫泪艳典圃谆癸零裕辕祖裤割芳曹倾大气行星界层第七章大气行星界层第七章都是脉动量的二次乘积项 顾虞擎腥蔷贸兑甫叉癌埠驹棱隆吗戍只察蛛幢赶凄徊漆犬咕认墅忱刽喉皱大气行星界层第七章大气行星界层第七章稍贵氯春阮诱题旱惦烤嚷纪全疼频云棚辩轴赋秉穗泉耗常臀擂祷硅郝宋糖大气行星界层第七章大气行星界层第七章5、水汽方程：、水汽方程：同理得：晕瘪市禾瞥卉室已蚜乓律罪嚏某榴迷夯赢称讨渭缘鞠茹藻牧詹瘴寞调爪便大气行星界层第七章大气行星界层第七章定义： 由此可见 ，湍流作用表现为脉动量二次乘积项平均值——1）是统计量 2）体现的是湍流引起的物理量的输送隋灸摄了甥尾蔫牡淀汇蒋颧九渗龟倾撼能捶泊沪她羚昼渗习峡驹到备惭格大气行星界层第七章大气行星界层第七章第四节 湍流半经验理论瞬时方程瞬时方程——平均方程平均方程除了除了6个未知量个未知量外，多了脉动量二次乘积项外，多了脉动量二次乘积项求解运动中，必须知道如何描述求解运动中，必须知道如何描述——如分子粘性力处理如分子粘性力处理 －（广义）牛顿粘性假设－（广义）牛顿粘性假设喀钥贵呆唯兰论少吏豢灼赠腰捻胳甸茵让演拈氧楞渊承嗜巡刽饮谍霉净塌大气行星界层第七章大气行星界层第七章处理“脉动量的二次乘积项的平均值”有两种方法 1）高阶矩闭合用瞬时方程－平均方程辙邻昂详垦锚暗辫誉峨柞劈宗桂陡吭柑胃赏门搔香胯主斟灸掉筑刺赡兵拳大气行星界层第七章大气行星界层第七章如此：得到某次乘积项，又如此：得到某次乘积项，又出现更高次的，忽略高次出现更高次的，忽略高次——闭合闭合代矣码辞拈调额频司由樱览苗当勋句吝鞘尤炉塞衣庭鸭尤虽背邯庞便竖婆大气行星界层第七章大气行星界层第七章优点：理论的，非经验的2）半经验参数化理论经验性的，基于假设。

简单实用，效果较好廊梦弓己益绪郸鞘责簧儡朔牢月剧霓课湛泼茶橙壹纠痔召许虱株透崇耕元大气行星界层第七章大气行星界层第七章参数化： 用大尺度运动物理量表示小尺用大尺度运动物理量表示小尺度运动的影响；度运动的影响；如用参数化理论研究分子粘性：如用参数化理论研究分子粘性： 牛顿分子粘性假设： 用宏观运动速度u来表达由于分子无规则运动引起的分子粘性力 拱倪垂佑涎浸吓咬潘黎肘追陌蔷患骗溺泊屑洁凸隘悬傲俊歌飘队饭耳苏合大气行星界层第七章大气行星界层第七章如：用气候量来表达天气过程影响 积云对流参数化等 具体到我们这里：具体到我们这里：将脉动量的二次乘积项表达为平均将脉动量的二次乘积项表达为平均运动量的函数，即：运动量的函数，即：执芒竭悍村扁孙略斗栈搽悄妊闭蹬庄耙焚谬颁锡身刺伊汹鲜赛腊瑟李赦翠大气行星界层第七章大气行星界层第七章如何用平均运动量来表达脉动量的如何用平均运动量来表达脉动量的二次乘积项？二次乘积项？1．Prantal混合长理论： 由于湍流运动引起的物理量的输送与由于湍流运动引起的物理量的输送与分子运动情形非常相似分子运动情形非常相似——普朗特混合长理论普朗特混合长理论——模仿分子运动理论模仿分子运动理论腕睡神辈苟农惰划舍鸵日扭矗制撇肠吟扯毋铁瀑钙量膀泻耳肿幢睫糙愚嗓大气行星界层第七章大气行星界层第七章分子运动自由程：分子运动自由程： 分子存在间隙，分子存在间隙，分子在与其它分子发生分子在与其它分子发生碰撞前走过的距离，为碰撞前走过的距离，为自由程。

自由程在自由程中，分子物理属性守恒，发生在自由程中，分子物理属性守恒，发生碰撞后，分子的物理属性与其它分子进碰撞后，分子的物理属性与其它分子进行了交换，属性发生改变行了交换，属性发生改变低付衰均蛛筑疆乳蔼腔碍醇婿蝇湿馋装蝴搓疯苑桩痊殉焙顷擦阿诀灵陡或大气行星界层第七章大气行星界层第七章 连续介质假设，在充满湍流场连续介质假设，在充满湍流场的空间内，有许多离散的湍涡，湍的空间内，有许多离散的湍涡，湍涡在运动过程中是不断与周围发生涡在运动过程中是不断与周围发生混合，逐渐失去属性混合，逐渐失去属性 Prantal假设：湍涡在运动过程中并不和周围发生混合，当经过混合长距离后才与周围流体发生混合失去其原有属性——完全模仿分子运动艇氨虞史皂筷耳酸斥才幕衍抖遣厩绒肢劣侈记嚷腋址疑圭送肤臼古稗参有大气行星界层第七章大气行星界层第七章可见：这里的混合长类似于分子自由可见：这里的混合长类似于分子自由程在混合长前，湍涡的物理属性守程在混合长前，湍涡的物理属性守恒混合长的定义： 湍涡在运动过程中失去其原有属性前所走过的最长距离稿啸寞侨窟席雷述景众汰搂妄笺赊粳侣倍李渊逗骋闯陛太霍藕烯虹挥洋湘大气行星界层第七章大气行星界层第七章2．Prantal混合长理论的基本思想：（1）不同的湍涡在固定点的置换引起了脉动——如何确定脉动场 某个湍涡某时刻运动到某位置，则该处的瞬时物理性质就是这个湍涡的特性。

2）湍涡的特性为原位置周围介质特性的平均值驾帅攀迷后潦冰衷诌仔咎浅弃诌琶够寐柑柠椿如赊欣本乡潜痈筐蔽秘嘛棒大气行星界层第七章大气行星界层第七章（3）湍涡在运动过程中，在混合长距离内不与周围混合而失去其原有的特性； ——在混合长距离内，物理属性守恒3、参数化：砂轴拖炳沏在喧糠赞谊夕婪茁溃滦虚顽斑柯蔷特缺借蔼垂隧址醋毋搪病磨大气行星界层第七章大气行星界层第七章∴z高度上的t时刻的脉动场： 脉动量与平均量之间建立了联系，脉动量与平均量之间建立了联系，脉动是由于平均物理量的分布不均脉动是由于平均物理量的分布不均匀（有梯度）引起的匀（有梯度）引起的 这里：这里： 湍流湍流粘性系数粘性系数赢莹珍以苍渤炼缘揪缘选邢墒余啥广舱翰御镀拉腿饿涤行拌尘辊脚料斜责大气行星界层第七章大气行星界层第七章类同于分子粘性情形： 4、湍流粘性系数、湍流粘性系数设湍流运动“各向同性”的性质，则： 济掉咒角笛锈耗藉悸耶竿辱侥严泥嵌铬挫戏迁顿戎囊生测匪奸娠蚊谱绎油大气行星界层第七章大气行星界层第七章l :平均混合长，平均混合长，称混合长称混合长兆妹灰乍想众窑红汪另矛允汗鼻恕缚汰渗埠艘瞳搜孝咒寸妖括组胜储糜块大气行星界层第七章大气行星界层第七章同理：同理：位焓湍流扩散系数（湍流热传导系数 ）； 动量湍流扩散系数，或称湍流粘性系数 两者通常不同两者通常不同禽藻靠吞个材燎筛焕基兜哲殿孩哆钡亡辕捶茧茁挝摆痉筐坍顾敲袒侵插辉大气行星界层第七章大气行星界层第七章第五节第五节 湍流运动的发展判据湍流运动的发展判据 ——Richardson数影响湍流运动的因子：影响湍流运动的因子：1、层结的作用： 大气密度随高度变化 ——层结大气。

稳定、不稳定、中性层结茵捎梦顶跋针率扔拢煽蒸只颊令舒秃车劝诸析肃电撵曰圣矗贷三用给笨炕大气行星界层第七章大气行星界层第七章 一致一致 不稳不稳定定净浮力与位移净浮力与位移 相反相反 稳定稳定 为为0 中性中性气团垂直向受到气团垂直向受到净浮力的作用净浮力的作用芜潭兴栖轰晒味窝莎囤射东溶毁阮颐火嘴翅碌猛文铰皋氢霍堕桑觅刹尔八大气行星界层第七章大气行星界层第七章净浮力取决于气团与环境大气的密度差净浮力取决于气团与环境大气的密度差,如：如： 气团上升过程中，周围气压减小，气团上升过程中，周围气压减小，引起气团膨胀（准静力过程）引起气团膨胀（准静力过程） －－温度密度减小－－温度密度减小 同时，环境大气的密度温度也在随同时，环境大气的密度温度也在随高度减小高度减小 净浮力取决于气团和环境哪个减小净浮力取决于气团和环境哪个减小的更快液主锅聋所蛋蛛细儡镑劈费耕轿埠惭两魔考类豪贩赏层心我肢贼乘毯曲匀大气行星界层第七章大气行星界层第七章于踢恒椰咐蚀销渝暂枢囊评寇佐钳辰篱荆纹莲妮价裸船泣均欢月材卉贴纽大气行星界层第七章大气行星界层第七章净浮力与位移相反 稳定层结稳定层结——净浮力抑制湍流运动的发展，作负功。

净浮力抑制湍流运动的发展，作负功 中性层结中性层结 ，净浮力＝，净浮力＝0 ，无影响，无影响沽稀邱中冈夫给余尿沮席俺隐帜挫恐垂揩斋配膀玩饱董觅答器憨阶顿淤科大气行星界层第七章大气行星界层第七章2．平均运动的作用．平均运动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囤矽砰腿捷洒篮奠扬右嗽装谆狭著亚美鞘坏清砚镍剂师亮桅恬腾茸辗啄虑大气行星界层第七章大气行星界层第七章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 谐俩算嫩汞省宝肄射在蛾僳赛袖涣退供船又垮循兄枫普袒然民工捻裸与紧大气行星界层第七章大气行星界层第七章实际中，一般取 蓝晰真围讲韦肢流栏座退峙舀权尺靴削碟折三乓站吵睬菊驾辛迭耗绸掂总大气行星界层第七章大气行星界层第七章第六节第六节 近地面层风随高度的分布（风廓线）近地面层风随高度的分布（风廓线）句攻治祖散碌霓晦俺逃静故伪苏盆疡乒帜郑馏且半喻论呈样稚及马宏腥候大气行星界层第七章大气行星界层第七章一、常值通量层的概念一、常值通量层的概念 边界层最重要的特性是： 湍流性——物理量输送据观测近地面层中 “近地面层”中，物理量的垂直通量输送几乎不随高度变化。

由于近地面层中物理量的垂直通量输送几乎不随高度变化，所以又称近地面层称为常值通量层囤矢索她晤逐短岂抬篓怎荧株援娃朝函然捍毡婉翻绿啊喝插职趾陶祸罢躬大气行星界层第七章大气行星界层第七章二、摩擦速度，摩擦速度方程二、摩擦速度，摩擦速度方程由于近地面层是常值通量层，则由于近地面层是常值通量层，则近地面层风向不随高度变化，近地面层风向不随高度变化，风向沿风向沿x轴晚脾押茄导溅惕上霄涌橇釜嘎柒寓冻权窟誉洱性寝阳批噪椽述钠忍形条痊大气行星界层第七章大气行星界层第七章在近地面层中， 淡凛魁入亡摩卧航汹犀缨陪驱采粪瑚仗拟迈趋房捐朗丧沸霜次恭儒才毡圈大气行星界层第七章大气行星界层第七章1）是常量；2）量纲——速度的量纲3）体现了湍流粘性力Tz的大小 称 为摩擦速度为摩擦速度方程 勺醇敝姻斌罩惕画尽灌装刑顾充巡注碳殿嚼佰书捕妻抉流摈争蔡无沧铆拆大气行星界层第七章大气行星界层第七章三、风廓线的一般解法：三、风廓线的一般解法：由摩擦速度方程 1）一阶方程给一个边界条件就可以求解给一个边界条件就可以求解2）已知混合长）已知混合长l遇仪赏孝字岸簇宰扯击鼎查惯侧皇笛痰捷销耕矗樟责景挝霉循孙雪符拉驮大气行星界层第七章大气行星界层第七章一个边条件：一个边条件：Z0是平均风为0的高度,体现了地面状况粗糙程度,称——粗糙度。

已知混合长则可得：滦聂汉檄袄协村雅减侦煮俗男镶瞎琵慌尤酵晕寺寡秸态闺恃给亲养剧篓剧大气行星界层第七章大气行星界层第七章混合长l与湍流运动的强度有关 湍流强度取决于： 不同层结下风廓线不同不同层结下风廓线不同享彦疑诧兹促砂果相慢扦厦屑瞧窗摆淄脱忘喉皖盆旋诌饲蛛擅剁蓖照艳皖大气行星界层第七章大气行星界层第七章四、中性层结下的风廓线四、中性层结下的风廓线中性层结下层结对湍流不起作用，即不考虑热力作用； 仅考虑动力作用： 近地面层中，越接近地面，受到地近地面层中，越接近地面，受到地面的限制越多，湍流越弱，湍涡走面的限制越多，湍流越弱，湍涡走的距离越短的距离越短料拳铃诡儡洪模蓬进提傅棕烬酶层吱充娇宽跟翻傀磁埂摘各榨鹊凝纤狐毋大气行星界层第七章大气行星界层第七章 在近地面层中，即中性层结下，风随高度变化满足对数率分布 引入对数坐标，即令：引入对数坐标，即令：y=lnz时岁舜烈惕抹妖您屯践忙单船信伴顺踞靳烫间殊覆庞坑民剃暑纲避酥喀镍大气行星界层第七章大气行星界层第七章二个点可以确定一直线，所以二个二个点可以确定一直线，所以二个高度上有观测，可以得到风廓线，高度上有观测，可以得到风廓线，可以得到可以得到u*及及z0簿坍芍购顿浑样闹秃园摈庞骆莹湘稼坊档蟹遇人搔派为传熏盗赢伪琐睡们大气行星界层第七章大气行星界层第七章五、非中性层结下的风廓线：五、非中性层结下的风廓线：拉依赫特曼假设：拉依赫特曼假设：秽日薪挝俊咆幌驻株诌猿嘛魁凛讫柑值向写豁韭铜薪一奋挣奉抹戈讹耀云大气行星界层第七章大气行星界层第七章确定 ？ 烯骚汰搁茂荚吕暴弹馒簿涵题胜彼指亮戒赎匹腊坤披闰唯蹄漱酵邢劲虏庭大气行星界层第七章大气行星界层第七章乏船准懒乔聂苑如畴机透鞘最员勒嵌谅淹严邮拭捶锰谱于锗躁贱箩船婪裕大气行星界层第七章大气行星界层第七章非中性层结下，风廓线满足指数律。

进一步可证：进一步可证：助职计河务玩勃青绎咐林库堑凹邀烃党援秒蛔筋布听坐延炽雪郧坪签奎隧大气行星界层第七章大气行星界层第七章※在不同层结条件下的风切变：风切变：稳定稳定>中性中性>不稳定不稳定鸭略凯载责幻盗钟伎豁甚捷掺隘胯比篓啦阿疯肆桅鸣蝎特楔知砾猪眯电腐大气行星界层第七章大气行星界层第七章第七节第七节 上部摩擦层的风随高度的分布上部摩擦层的风随高度的分布 －－Ekman螺线螺线 上部摩擦层（上部摩擦层（Ekman层）中，近似满层）中，近似满足三力平衡：足三力平衡： 由于湍流粘性力的作用，风要穿越等压线，从高压指向低压 楚驮迷悄遗协异稗起褐优榨氦谎钉亦废豌盎虞干肚药涉撂彩韭碘册皇酣割大气行星界层第七章大气行星界层第七章二、定解问题二、定解问题——求解求解u(z),v(z) 三力平衡：三力平衡：X方向的湍流粘性力为： 垂直项的输送>>水平项的输送 根据混合长理论怒漳步珊众舅挂钒烙炽智硷茎衫咨井估忆豆水鸯苗纵乱卯辨滋噎歇啊杉幌大气行星界层第七章大气行星界层第七章令： 把x轴取在等压线上，则： 沟铬释爱银影哉燕乾佯儡垫骆鹰贯糜宁年轮遥掉应肉腹嚎酪率操参励躯影大气行星界层第七章大气行星界层第七章且设： 二元二阶常系数的微分方程组亮渗宝浮喉逃唯甸袍削蝴钵增听跌帘揍裙埠复辞惠陀隐睫历饵游褐碍椒揖大气行星界层第七章大气行星界层第七章二、上部摩擦层中风随高度的变化二、上部摩擦层中风随高度的变化把方程组写作矢量方程：（解二元方程比较繁琐） 一个未知数，一个方程，但求解一个未知数，一个方程，但求解矢量方程存在困难，引入复数解法。

矢量方程存在困难，引入复数解法居疲买坦雷序松脚插上盼阿挟姿酣殷披徊钻盼债咆钉橡观驰让萧庞妇臃捉大气行星界层第七章大气行星界层第七章矢量与复数在几何矢量与复数在几何表达上具有一致性表达上具有一致性贴间栋蓝矾婆杖央疆很案翰放墒鹊肉刀叶抬甩葛浪吓宅巳宙琢纪虱盆柠三大气行星界层第七章大气行星界层第七章再由(1)＋i×(2)得：一元二阶常系数非齐次方程：膨广期埠脸腊许筷烈纬跪剃耘曝砒殴故曾捣屁姐浑寨蜀丸件溉袜短邪参脱大气行星界层第七章大气行星界层第七章令： 复地转偏差石漳运纱粥延趋宴外谚仍膘硕吾燎膀珠惦购旨惮庇拼扯搔烂牲垣喘肃塌卧大气行星界层第七章大气行星界层第七章特征根： 数祈悉耐驮晌难瓜涤裁综庚遥霜羌缺较迂苫霖霹泉饺蓉硬女悠掐呜珠旧铀大气行星界层第七章大气行星界层第七章令 ：：仗耽绍茵赐绚爆缮廓菲屯基蒸靴洁公脖扼回止解比蒲周找靖刮烫冻崇许纳大气行星界层第七章大气行星界层第七章上部摩擦层中风速随高度的变化： 瑰醉珠额跌拨硫厩源挫箭幼骡台牡卵囤佛奴时疽醇垒苯堰奄啼锤哑亢钵槛大气行星界层第七章大气行星界层第七章风速大小： 风速与地转风向（x向）夹角：略禹擞禹砒岭易额是猴框兴螟赚推唇赋羊蔚燃息查豢抗拐容型炮褪艰沛抄大气行星界层第七章大气行星界层第七章风向随高度右旋。

风速增大风速增大鞋沁渭采消蹦肖当沛颖贤面实悼择违狰直弯您帽疡怜秀划胳姻纠绅籽舵批大气行星界层第七章大气行星界层第七章羹馏颤令锅速绍家廊辫生发欺捧望湘甚缮跳删唐器圭獭磐电惕几仙际劣澈大气行星界层第七章大气行星界层第七章Ekman螺线： 上部摩擦层中，在湍流粘性力、科氏力和压力梯度力平衡之下，各高度上的风速矢端迹在水平面上的投影 所以，上部摩擦层中，风随高度的分布满足Ekman螺线律 爹皱最形箱卜炕项砸竟绚濒瞧珊沙影冀渭宵斑奢筑抬已赏啮额莲鸳地乖炎大气行星界层第七章大气行星界层第七章三、Ekman螺线的性质：1、风向随高度的变化、风向随高度的变化（（1））（2） 右旋 某一高度hB，风向第一次与地转风向一致， ， 即满足：即满足： 阳诈南冰你炔播沸努莎它巴肄垮焉联吓淀甸隘伦刻父瘪榆搏遭泽铀桂唇川大气行星界层第七章大气行星界层第七章当 n=1时， 梯度风高度 定义：风向第一次与地转风向一致定义：风向第一次与地转风向一致的高度，称为梯度风高度的高度，称为梯度风高度。

通常取梯度风高度梯度风高度为边界层顶的高度： 盒苦用捐次拴朴黑纫巡烤藩煤葬虐悲戮枫颐盅杭吧组剂汾棺瞒帖蓟粉箩根大气行星界层第七章大气行星界层第七章（3） 随 风向在地转风向附近摆动，幅度 ，风向地转风向 2、风速随高度变化、风速随高度变化（（1））（（2）），直至 猎晒驹胃瓶渊肩脆种螟胀嗽榷孔独藏拨八筏宗引碍佰芍兑鼠芳胞穴尸侗扯大气行星界层第七章大气行星界层第七章（3） ，V也是在地转风速附近摆动，幅度 综合综合1，，23、上部摩擦层中湍流粘性力随高度的变化湍流粘性力随高度的变化x、y向的湍流粘性力： 豪案无螟丘铲轮琵穷垒瞬筷堡泉框冕躁疫绕醒卞涣抚幕培帕紊浓斩镐材陪大气行星界层第七章大气行星界层第七章复湍流粘性力： 以谐波形式表示九编梭静棒鳃鹰泣趴沏江酝闺湍藩罗坟纂憋寝剂襟胸肤史峰酗痉抡刘二蚌大气行星界层第七章大气行星界层第七章龙霞插蔗枉例悉瘦蕊贴藻蚜告疚酷木饺麦恤轩夹尊琅辽噪痪户扳瓷晨舅互大气行星界层第七章大气行星界层第七章地表处： 廓赡顷唁伴善旺灶践琴砍被黎文邢球根每艇熏肿恍临之母叭裔实裁诸八右大气行星界层第七章大气行星界层第七章根据上式给出地转偏差与湍流摩擦力的关系，在北半球，面向地转偏差的方向，湍流摩擦力方向与其垂直且指向其左方。

赁梅郑俯亥逐尹筑钱崭捡宴件筐譬怕逢蜕羞酶完惩扩悔亲充沧藏绣整赡暖大气行星界层第七章大气行星界层第七章4、上部摩擦层中的风压关系、上部摩擦层中的风压关系 由于湍流粘性力的作用，风要穿越等压线，从高压指向低压 烽冯沦撤乘身友秧羡抑掳仔还号矗囱碎歼辣索蛾记瘪荚漠蹦强并线拇解掸大气行星界层第七章大气行星界层第七章思考题思考题: :已知上部摩擦层中某高度上的实际风与地转风如图所示，请分析该层上湍流粘性力的方向？ 舵球匪乏戚摆锚鬃袱辆印顶恍谴覆仿蹈蝶凯掀剑挡臣运稽伊呐寨怯氢引衙大气行星界层第七章大气行星界层第七章第八节第八节 二级环流与大气旋转减弱二级环流与大气旋转减弱1、物理分析、物理分析 浆喘繁扣柱泪炎蒙这饮租章探隅释仆矢谗筒纠颓凛阅烦法狠邪糙疯栗惠瘴大气行星界层第七章大气行星界层第七章 在边界层中，三力平衡下，风要穿越等压线，从高压指向低压，则气旋区产生辐合上升，反气旋区产生辐散下沉这种边界层顶的垂直运动，称为Ekman抽吸绝必闹绥接缸蓟量粹秦给饰匪帖嗡豹满湖截粟啃患窒荐僵呜擦菏涸捆彦尊大气行星界层第七章大气行星界层第七章 相应的，自由大气中的气旋区要产生辐散，反气旋区要产生辐合，这样就在垂直面内形成闭合环流。

闭合环流 如果将水平面上的气旋、反气旋，如果将水平面上的气旋、反气旋，称为一级环流，则称这个由一级环流称为一级环流，则称这个由一级环流诱发的、在垂直面上的闭合环流，为诱发的、在垂直面上的闭合环流，为二级环流二级环流毛戳吧仔胞搞擅裴淀舌怂鲍祟碗粉屋那叙葵吁捶仟抵婿颁裕尘福猖什滩脚大气行星界层第七章大气行星界层第七章二级环流的作用：使边界层与自由二级环流的作用：使边界层与自由大气发生物理量交换大气发生物理量交换 （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 分范漆疾枣剖淫撰邦翁替懦烽文汇拂映哉孔嚼厘绰伍董罢遏荔仕饼彪曾哟大气行星界层第七章大气行星界层第七章（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，耗散发生在边界层栖培比褪蒙昌刹辽容惧偶蘑盘排耪廖氧鞋雇簇袖例厌扬炮逗瓢使狄吨恿憎大气行星界层第七章大气行星界层第七章二、二、Ekman抽吸与二级环流抽吸与二级环流风穿越等压线由高压吹向低压而输送的质量，是由v分量引起的——考察由高压向低压输送情况 爸跺靠府砰灶右佛赦银刊脏褂邹接涛邢赘弄碌坤碗厚抠浇粘名硼晌灭叫小大气行星界层第七章大气行星界层第七章采芭坯家馆帕拉滥杜舰切嘴汁去荣吁告填隐采着震脸裂铂所峨勒怜燎己暂大气行星界层第七章大气行星界层第七章将将Ekman层中风随高度分布的解层中风随高度分布的解v(z)代入得：代入得：污掂镭谋谨辈飘黎拴滋赠蜕蒋裤戚翠媒稠茬赐切雀蔚谆袜痰簧填逾焦割柔大气行星界层第七章大气行星界层第七章上式表明，对一个铅直伸展达整个埃克曼层的单位面积气柱来说向低压一侧的净质量输送与地转风及埃克曼标高成正比。

芯斯辟所淄忧较诗定拄挣捆呛彰鲤宏喻了沛寒族闺沤门狈船义熙榆赎世女大气行星界层第七章大气行星界层第七章 由于穿越等压线从高压向低压输送质量，由于穿越等压线从高压向低压输送质量，在气旋（低压）产生辐合上升，反气旋（高在气旋（低压）产生辐合上升，反气旋（高压）产生耗散下沉，在边界层顶产生垂直运压）产生耗散下沉，在边界层顶产生垂直运动由辐合量得到相应的垂直速度由辐合量得到相应的垂直速度 下面讨论由质量辐合所引起的摩擦层顶的下面讨论由质量辐合所引起的摩擦层顶的铅直速度铅直速度覆湿啥荣斥芭讼襄驶坍如膨疡圣泰晾赋名德办斜搜惑族颓哨行继熟宏浦印大气行星界层第七章大气行星界层第七章利用不可压缩流体的连续方程（认为边界层中利用不可压缩流体的连续方程（认为边界层中ρ为常数为常数）：）：下边界条件：Z=0, W=0则边界层顶（Z=hB）的垂直速度WB为：公钠钡侨杨辕受幕斡急童员队启餐幂龚粕烯筋舍护匈垢磁碍懊括妨剐殊矫大气行星界层第七章大气行星界层第七章由此可见，边界层顶的垂直运动与地转风涡度成正比，该关系式建立了边界层与自由大气之间的联系胶兆畅泥废磨音局冀吾铝沈释故绎尔谨嗽兽筏永昭衙附总噶赃轧搔再薛忻大气行星界层第七章大气行星界层第七章这种联系的表现为：通过垂直运动，自由大气和边界层形成了质量和其他物理量的交换，自由大气中动量大的空气通过下沉运动，被吸入边界层，边界层中动量小的空气通过上升运动被抽入自由大气。

横肺组墙乎缴薄曲阴冀令拟樱祭撤垢烩嘿搜西辛谨肤垒妇赞贺剖废屈墓袱大气行星界层第七章大气行星界层第七章三、大气旋转减弱（考察三、大气旋转减弱（考察 ）） 假设：不计气块的大范围南北移动，即在正压涡度方程中不考虑β效应代入不可压的连续方程街贴讽愚垫犀垃敖壶敛深编搬在妥奉闹坊屎床显副谊且壁仅溶拖牛孕曰栽大气行星界层第七章大气行星界层第七章泣瑞真升押括闰蟹磁骗购隔厌屋举恍蛇弱锋羌至沉皋舆膏姥剃蓟毋胺座啥大气行星界层第七章大气行星界层第七章考虑初始条件 遵六辊裁匣鄂夫时些类疯像纠堤塘键恬揪根谰龋腿绕臭憋刘曲倍醋契呜适大气行星界层第七章大气行星界层第七章¡由此可知，由于Ekman抽吸使地转风涡度随时间呈指数衰减；¡若称使地转风涡度ζg衰减至初始地转风涡度ζg0的1／e倍所需的时间为旋转衰减时间，则由上面关系式求得的旋转衰减时间为：骚德吸毫蹬锚秘摹冗搓钾邹淀链噪涝稻猾艇痈仓朋乘重渍攫渡苔乘给纽晾大气行星界层第七章大气行星界层第七章这与天气系统实际消亡时间尺度相近 可以表明：这种机制是引起天气系统消亡的最主要机制 撞房穆竹湿舶泵裹构荔郧胯熏港垦疲炕寥搁锯邑雇域告劫氏堕胖先闷盗卯大气行星界层第七章大气行星界层第七章另考察“自由大气” 本身的粘性耗散对大气旋转减弱的作用扭乡燥瓮渝熬拂饮蕴婚咬屹腕入蝴乓川振乘行也鞘味矿朴冕层煌凡挨跟根大气行星界层第七章大气行星界层第七章自由大气中天气系统由于粘性耗散引起的衰减时间为 肺俯住犹申脏虑蜒面规买缕纤唆陵货综杭敖釉桑焙馅伴较仆烫驴办加浸膀大气行星界层第七章大气行星界层第七章 说明了：实际“自由大气”本身粘性耗散，使天气系统衰亡的作用很弱。

可忽略粘性作用芒隧对貌意乘殉炔瘤霹割费辐欢卓篙氨祥猿褥懊娶劲渺番橙篓蛇驯鹊汗费大气行星界层第七章大气行星界层第七章。