第1章大气边界层之1.ppt

边界层气象学边界层气象学Ø 张雪松张雪松Ø 应用气象学院应用气象学院Ø 气象楼气象楼804804＃＃Ø lntlzxs@lntlzxs@2021/5/231边界层气象学边界层气象学Boundary Layer Meteorology  课程属性课程属性 :  专业课专业课 预修课程预修课程 :  大气物理学、流体力学大气物理学、流体力学 成绩评定成绩评定 ：：笔试（笔试（80%））+ 平时成绩（平时成绩（20%））2021/5/232动量、热量、水分、物质交换大气边界层大气边界层是指离地面是指离地面1~2公里范围的大气层最底公里范围的大气层最底下的一个薄层，它下的一个薄层，它是是大气与下垫面直接发生相互作用的层次大气与下垫面直接发生相互作用的层次，它与天气、气候以及大气环，它与天气、气候以及大气环境研究有非常境研究有非常密切的关系密切的关系由于人类的生命和工程活动绝大多数都是由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交通、生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交通、以及城市规划和生态环境保护等紧密相关。

以及城市规划和生态环境保护等紧密相关教学目的和要求教学目的和要求: :主要是研究主要是研究大气边界层大气边界层中的各种动力和物理过程中的各种动力和物理过程大气边界层：大气与下垫面（陆地、海洋） 之间形成的一个运动性质特殊的区域2021/5/233      本课程重点介绍大气边界层物理最基本的内容，本课程重点介绍大气边界层物理最基本的内容，包括大气边界层的特征，描述大气边界层的动力学方包括大气边界层的特征，描述大气边界层的动力学方程组，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、程组，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、定常与非定常条件下的边界层气象学等定常与非定常条件下的边界层气象学等        通过本课程学习，希望能够使学生掌握大气边界通过本课程学习，希望能够使学生掌握大气边界层物理的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气层物理的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下基础2021/5/234应应 用用: : - - 天气、气候天气、气候 天气预报（强天气过程：暴雨、沙尘暴、大风等）、天气预报（强天气过程：暴雨、沙尘暴、大风等）、 气候预测、边界层气候气候预测、边界层气候 ………… - - 大气环境大气环境 污染预报与控制、城市规划、核事故、反恐防恐污染预报与控制、城市规划、核事故、反恐防恐 人体健康、生态保护人体健康、生态保护 …… …… - - 工程气象工程气象 航空航天、水陆交通、室内环境、风能利用、航空航天、水陆交通、室内环境、风能利用、 大型建筑、防风林、化工设备、大型电站大型建筑、防风林、化工设备、大型电站 …… ……2021/5/235内容提要内容提要Ø 第一章第一章 大气边界层大气边界层 大气边界层，风与湍流，泰勒假说，大气边界层，风与湍流，泰勒假说， 相似性参数，边界层厚度与结构相似性参数，边界层厚度与结构Ø 第二章第二章 大气边界层湍流基础大气边界层湍流基础 平均场与湍流场，湍流基本统计量，平均场与湍流场，湍流基本统计量， 大气湍流谱，湍流通量与输送，大气湍能大气湍流谱，湍流通量与输送，大气湍能Ø 第三章第三章 大气边界层支配方程大气边界层支配方程 基本方程，平均量方程，湍流脉动量方程，基本方程，平均量方程，湍流脉动量方程， 湍流方差的预报方程，湍流通量的预报方程湍流方差的预报方程，湍流通量的预报方程Ø 第四章第四章 定常大气边界层定常大气边界层 近地层相似理论，全边界层相似理论，近地层相似理论，全边界层相似理论， 谱相似，半经验理论在边界层研究中的应用谱相似，半经验理论在边界层研究中的应用2021/5/236Ø 第五章第五章 非定常大气边界层非定常大气边界层 地表强迫引起非定常变化，地表强迫引起非定常变化， 对流边界层，对流边界层， 稳定边界层稳定边界层Ø 第六章第六章 非均一下垫面大气边界层非均一下垫面大气边界层 内边界层基础，粗糙度跃变对气流的影响，内边界层基础，粗糙度跃变对气流的影响， 地面热通量和温度跃变对气流的影响，地面热通量和温度跃变对气流的影响， 地形起伏对边界层的影响，城市边界层地形起伏对边界层的影响，城市边界层Ø 第七章第七章 大气边界层的数值模拟大气边界层的数值模拟 （选择）（选择）2021/5/237教材和主要参考书教材和主要参考书： 蒋维楣等：蒋维楣等：《边界层气象学基础》《边界层气象学基础》，南京大学出，南京大学出版社，版社，1994. 506ppStull, R. B. ( 杨长新杨长新 译译 ):《边界层气象学导论》《边界层气象学导论》，， 气象出版社气象出版社, 1991. 738pp赵鸣赵鸣 编著：编著：《大气边界层动力学》《大气边界层动力学》，高等教育出，高等教育出版社，版社，2004. 350pp2021/5/2381.1 1.1 大气边界层基本概念大气边界层基本概念1.2 1.2 大气边界层厚度与结构大气边界层厚度与结构1.3 1.3 边界层气象学研究边界层气象学研究第一章第一章 大气边界层大气边界层2021/5/2391.1.1 大气边界层定义大气边界层定义（重点掌握）（重点掌握）1.1.2 风与气流风与气流（重点掌握）（重点掌握）1.1.3 湍流输送湍流输送（重点掌握）（重点掌握）1.1.4 泰勒假说泰勒假说（掌握）（掌握）1.1.5 相似性参数相似性参数（了解）（了解）1.1.6 虚温、位温与虚位温虚温、位温与虚位温（了解）（了解）第一章第一章 大大 气气 边边 界界 层层1.1 大气边界层基本概念大气边界层基本概念2021/5/2310对流层：对流层：75%75%大气、大气、90%90%水水汽；云、雨、雪等汽；云、雨、雪等平流层：平流层：空气稀薄、平流、空气稀薄、平流、飞机；飞机；15-35km15-35km臭氧臭氧中间层：中间层：垂直运动，顶部垂直运动，顶部温度可降至温度可降至-83 -83 ~ -113℃-113℃热层：热层：““热热””，空气处于，空气处于高度电离状态，电报高度电离状态，电报外逸层：外逸层：温度随高度少变，温度随高度少变，气体粒子外逸气体粒子外逸2021/5/2311Atmospheric/Planetary boundary layer 位于大气与地球表面交界区，离地位于大气与地球表面交界区，离地1~2 km大气边界层在哪？大气边界层在哪？2021/5/23121.1.1 大气边界层的定义大气边界层的定义Uzhu (z) ? 由于摩擦力的作用，两平板间气流速度：由于摩擦力的作用，两平板间气流速度：或者或者摩擦力（切应力）：摩擦力（切应力）：μ：分子粘性系数：分子粘性系数ν（（=μ/ρ））：运动学粘性：运动学粘性系数系数2021/5/2313气流沿固体表面流动时，流体中边界层的形成与发展气流沿固体表面流动时，流体中边界层的形成与发展 Ø 摩擦力（粘滞）作用，速度上下不均，形成渐厚边界层摩擦力（粘滞）作用，速度上下不均，形成渐厚边界层Ø 边界层里速度梯度造成相当大的摩擦力（切应力边界层里速度梯度造成相当大的摩擦力（切应力 ））与壁面直接接触的流体质点受到与壁面直接接触的流体质点受到固体固体边边界的界的阻滞，速度降阻滞，速度降为零。

为零邻邻近固体界面的一薄近固体界面的一薄层层流体，因受流体，因受内内摩擦影响，摩擦影响，产产生速度梯度，生速度梯度，并沿流动方向不断发展，形成并沿流动方向不断发展，形成边边界界层层通常边边界界层层的上的上边边界界定定义为义为：：2021/5/2314流体力学边界层：流体力学边界层：大气边界层：大气边界层：大气与下垫面（陆地、海洋）之间形成的一个运动性质特殊的区域固体壁面附近受粘性影响显著的薄流层 2021/5/2315边界层定义边界层定义Stull: “We define the boundary layer as that part of the troposphere that is directly influenced by the presence of the earth’s surface, and responds to surface forcings with timescale of about an hour or less.”“The boundary layer thickness is quite variable in time and space, ranging from hundreds of meters to a few kilometers.”Stull: 地球表面直接受下垫面影响的大气层。

地球表面直接受下垫面影响的大气层对地表强迫响应的时间尺度约为对地表强迫响应的时间尺度约为1小时，甚至更短厚度的小时，甚至更短厚度的时空变化较大，高度范围从几百米到几千米时空变化较大，高度范围从几百米到几千米2021/5/23161、大气边界层的定义大气边界层的定义（重点掌握）（重点掌握）大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度为地面以上1km范围，以湍流运动为主要特征大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气：（1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用；（2）地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日周期的循环大气边界层大气边界层(ABL)：：Atmospheric boundary layer行星边界层行星边界层(PBL)：：Planetary boundary layer.2021/5/2317大气边界层大气边界层(ABL) 由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种作用和地形湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种作用和地形的影响，的影响，它响应地面作用的时间尺度为它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。

小时或更短 2021/5/2318ABL: Atmospheric Boundary LayerPBL: Planetary Boundary LayerCBL: Convective Boundary LayerSBL: Stable Boundary LayerNBL: (Near) Neutral Boundary LayerML:  Mixed LayerFA:   Free Atmosphere                   Turbulence                   Atmospheric Turbulence                   Atmospheric Diffusion or Atmospheric Dispersion   为分子热扩散系数，数值为为分子热扩散系数，数值为2.06×10-5 m2s-1；；L 为与相变有关的潜热（为与相变有关的潜热（0ºC时汽液相变取值时汽液相变取值2.50×106 ）；液固相变取值）；液固相变取值3.34×105J·kg-1; 汽固相变取值汽固相变取值2.83×106 J·kg-1）；）；Cp 为湿空气定压比热，与干空气定压比热的关系为为湿空气定压比热，与干空气定压比热的关系为cp=cpd (1+0.86q)；；Cpd 取值取值1004.07 J·kg-1·K-1。

2021/5/23192、大气边界层的主要特征：、大气边界层的主要特征：（（1）大气运动的湍流性）大气运动的湍流性气流和风气流和风的三种形态的三种形态：                                                                            平均风速平均风速                                                                            波        动                                                                            湍湍        流流大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性a）平均风速（）平均风速（b）波动（）波动（c）湍流的理想状况）湍流的理想状况    实际上，波动和湍流经常是叠加在平均风速上的，U表示风在x方向上的分量快速水平输送或平流的主要原因快速水平输送或平流的主要原因在输送动量和能量方面有显著作用在输送动量和能量方面有显著作用大气边界层主要运动形态大气边界层主要运动形态——湍流湍流2021/5/23202、大气边界层的主要特征：、大气边界层的主要特征：（（2）大气边界层的日变化）大气边界层的日变化——陆地边界层关键特征之一陆地边界层关键特征之一气象要素的空间分布具有明显的日变化（Diurnal Cycle)由无线电探空测风记录绘制的近地面和地面以上约由无线电探空测风记录绘制的近地面和地面以上约1100m测得的温度变化曲线测得的温度变化曲线2021/5/23213、研究边界层的意义（重要性）、研究边界层的意义（重要性）     大气边界层研究与天气、气候、生态环境以及人类的生命和工程活大气边界层研究与天气、气候、生态环境以及人类的生命和工程活动密切相关。

动密切相关•大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分是穿过大气后被    地面吸收，然后通过边界层湍流输送给大气；•霜、露和最高最低温度预报，实际上都是边界层预报；•雾发生在边界层中；•污染物大部分被阻挡在边界层中；•到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的；•云中的凝结核也是通过边界层输送上去的；•雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气；•大约50％的大气动能被耗散在边界层中；•海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一…….2021/5/23221.1.2 风与气流风与气流平均风速平均风速波动波动湍流湍流1. 风与气流的流动形式风与气流的流动形式——平均风速、波动、湍流平均风速、波动、湍流快速水平输送或平流的主要原因快速水平输送或平流的主要原因在输送动量和能量方面有显著作用在输送动量和能量方面有显著作用大气边界层主要运动形态大气边界层主要运动形态——湍流湍流2021/5/23232. 平均与扰动：平均与扰动：2021/5/2324平均风平均风：：明显的日变化明显的日变化 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：水平风为米的量级一般量级：水平风为米的量级 垂直风为毫米垂直风为毫米- -厘米的量级厘米的量级波动：波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见： 重力波、惯性波重力波、惯性波湍流：湍流：大气边界层的主要运动形态大气边界层的主要运动形态，不规则性和脉动性，，不规则性和脉动性， 湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。

湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用大气波动和湍流叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动大气波动和湍流叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动以低层大气为例：以低层大气为例：2021/5/23251.1.3 湍流输送湍流输送平均项平均项扰动项扰动项湍流湍流即叠加在平均风速上的阵风，可以看做是由不规则即叠加在平均风速上的阵风，可以看做是由不规则涡流涡流——湍涡湍涡组成一般的，湍流总是包括很多大小不组成一般的，湍流总是包括很多大小不同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度湍涡的相对强度就同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度湍涡的相对强度就是是湍流谱湍流谱1. 湍流、湍涡、湍流谱湍流、湍涡、湍流谱2021/5/2326空气在南大西洋空气在南大西洋特里斯坦特里斯坦-达库尼亚岛达库尼亚岛周围和上空流动，云朵形成了漩涡周围和上空流动，云朵形成了漩涡这种螺旋云型在盛行海风遭遇岛屿时出现，被称之为这种螺旋云型在盛行海风遭遇岛屿时出现，被称之为“冯冯·卡门漩涡卡门漩涡”或者或者“涡街涡街”2021/5/2327边界层与风速边界层与风速2021/5/2328• 自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态 层层 流流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍湍 流流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则(Oke, 1987)(Oke, 1987)2021/5/2329边界层湍流边界层湍流2021/5/2330湍流湍流 —— —— 流体中的不规则运动流体中的不规则运动 不仅存在于大气边界层内，在自然界处处存在，不仅存在于大气边界层内，在自然界处处存在， 如：舰船的尾部、如：舰船的尾部、 飞机机翼气层内、飞机机翼气层内、 对流层上层的急流区、对流层上层的急流区、 太阳光球和类星体光球太阳光球和类星体光球 …… 生态学中种群数目不规则的变化，等等都是湍流生态学中种群数目不规则的变化，等等都是湍流 化学实验中也发现有湍流化学实验中也发现有湍流2021/5/2331 湍流与我们的生活密切相关湍流与我们的生活密切相关: :- - 湍流使飞行器阻力急剧增加湍流使飞行器阻力急剧增加 - - 晴空湍流使飞机失事晴空湍流使飞机失事- - 湍流诱发振动式桥梁倒塌湍流诱发振动式桥梁倒塌- - 血液湍流导致心脏杂音血液湍流导致心脏杂音- - 消防湍流不利于灭火消防湍流不利于灭火    不不     利利- - 杯中湍流有利于糖的溶解杯中湍流有利于糖的溶解- - 化工湍流有利于化学反应化工湍流有利于化学反应- - 近地层湍流有利于污染扩散近地层湍流有利于污染扩散- - 云中湍流有利于云滴增长云中湍流有利于云滴增长- - 大尺度湍流有利于天气变化大尺度湍流有利于天气变化   有有     利利2021/5/23322. 湍流产生的能量来源湍流产生的能量来源小尺度小尺度小尺度小尺度（（（（<10km<10km））））中尺度中尺度中尺度中尺度（（（（10—1000km10—1000km））））大尺度大尺度大尺度大尺度（（（（>1000km>1000km））））水平和垂直风切变；水平和垂直风切变；水平和垂直风切变；水平和垂直风切变；热力不稳定性；热力不稳定性；热力不稳定性；热力不稳定性；地面粗糙度。

地面粗糙度地面粗糙度地面粗糙度云形成过程中的潜热云形成过程中的潜热云形成过程中的潜热云形成过程中的潜热释放；释放；释放；释放；气流在地形、城市、气流在地形、城市、气流在地形、城市、气流在地形、城市、岛屿上方的流动；岛屿上方的流动；岛屿上方的流动；岛屿上方的流动；气流在具有明显特性气流在具有明显特性气流在具有明显特性气流在具有明显特性变化的下垫面上流动，变化的下垫面上流动，变化的下垫面上流动，变化的下垫面上流动，如陆如陆如陆如陆- -海风由于太阳辐射加热造由于太阳辐射加热造由于太阳辐射加热造由于太阳辐射加热造成的纬向变化造成的成的纬向变化造成的成的纬向变化造成的成的纬向变化造成的区域气流的水平不稳区域气流的水平不稳区域气流的水平不稳区域气流的水平不稳定性 根据目前的研究，大气湍流的能量来源于根据目前的研究，大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力机械运动作功和浮力作功作功两方面 前者是在有风向风速切变时湍流切应力对空气微团作功；前者是在有风向风速切变时湍流切应力对空气微团作功； 后者是指在不稳定大气中，浮力对垂直运动的空气微团作功，后者是指在不稳定大气中，浮力对垂直运动的空气微团作功，从而增强湍流；反之，在稳定层结大气中，失去动能，从而减弱湍从而增强湍流；反之，在稳定层结大气中，失去动能，从而减弱湍流。

流2021/5/2333Big whorls have little whorls,Which feed on their velocity;And little whorls have lesser whorls,And so on to viscosity大涡用动能哺育小涡，大涡用动能哺育小涡，小涡照此把儿女养活小涡照此把儿女养活能量沿代代旋涡传递，能量沿代代旋涡传递，但终于耗散在粘滞里但终于耗散在粘滞里L. F. 理查逊：理查逊：湍流如何传递能量？湍流如何传递能量？大涡旋套小涡旋，大涡旋套小涡旋，速度有增；速度有增；小涡旋套微涡旋，小涡旋套微涡旋，粘滞乃生粘滞乃生湍流能量的流向：串级输送假设湍流能量的流向：串级输送假设平均动能平均动能-大涡大涡-小涡小涡-耗散耗散-热热2021/5/2334 按照能量学的观点，按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持大气湍流的存在和维持有三大类型：有三大类型：•  风切变湍流风切变湍流          大气边界层，建筑物等障碍物，地形起伏等大气边界层，建筑物等障碍物，地形起伏等•  热力对流湍流热力对流湍流 地表加热或冷却地表加热或冷却•  切变重力波（切变重力波（开尔文－亥姆霍兹波开尔文－亥姆霍兹波）湍流）湍流2021/5/2335山地对气流的扰动与湍流山地对气流的扰动与湍流2021/5/2336 下垫面的作用:  表面加热和冷却的日循环引起热力稳定度的日变化，从而影响湍流混合和动量交换过程，进而影响边界层中风的分布。

不稳定边界层结构及其流场图象Wyngaard, 1990)稳定边界层结构及其流场图象Wyngaard, 1990)2021/5/23371.1.4 泰勒假说（波动冻结假说）泰勒假说（波动冻结假说）对湍流的观测，两种途径：对湍流的观测，两种途径：1）固定时间，选取多个空间位置）固定时间，选取多个空间位置 ——困难困难2）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔 ——较易较易2021/5/23381.1.4 泰勒假说（波动冻结假说）泰勒假说（波动冻结假说）5℃ 10℃100mxyz湍涡湍涡直径直径100m的湍涡，温差的湍涡，温差5℃℃℃℃/m5℃ 10℃10m/sxyz湍涡湍涡10秒后被秒后被10m/s风速吹至下风方风速吹至下风方℃℃/s一维空间温度的泰勒假说一维空间温度的泰勒假说2021/5/23391.1.4 泰勒假说泰勒假说时间变化的风速时间变化的风速空间变化的风速空间变化的风速出发点：出发点：定点长期观测较易、瞬时大范围观测较难。

定点长期观测较易、瞬时大范围观测较难Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的这样，风速就可以这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量的空间上的测量2021/5/23401.1.4 泰勒假说泰勒假说对任一对任一变量变量 ξ，当，当                   时，湍流凝固时，湍流凝固而全导数而全导数泰勒假说的一般形式：泰勒假说的一般形式：前提条件：各向同性、平稳湍流前提条件：各向同性、平稳湍流 湍涡变化极小，即湍强满足湍涡变化极小，即湍强满足2021/5/23411.1.5 相似性参数相似性参数 物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得到正物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得到正确结果而且与实际大气系统可比较，则需要满足相确结果而且与实际大气系统可比较，则需要满足相似性条件：似性条件：Ø 几何相似几何相似Ø 运动学相似运动学相似Ø 动力学相似动力学相似Ø 热力学相似热力学相似Ø 边界条件相似边界条件相似2021/5/2342南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比250:1））2021/5/23431.1.5 相似性参数相似性参数Ø 雷诺数（雷诺数（Re）相似）相似Ø 罗斯贝数（罗斯贝数（Ro）相似）相似Ø 弗罗德数（弗罗德数（Fr）相似（或理查逊数）相似（或理查逊数Ri相似）相似）Ø 普朗特数（普朗特数（Pr）相似）相似Ø 施密特数（施密特数（Sc）相似）相似 气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：2021/5/23441.1.5 相似性参数相似性参数1. 雷诺数（雷诺数（Re）相似性）相似性惯性力惯性力粘滞力粘滞力U：流速：流速L：特征线性尺度：特征线性尺度v：运动学粘滞系数：运动学粘滞系数高风速高风速空气充分混合，湍流发展空气充分混合，湍流发展粘滞力粘滞力抑制不规则运动，抑制湍流抑制不规则运动，抑制湍流Re小（小（<1）时，粘滞力主导，气流呈片流）时，粘滞力主导，气流呈片流Re大（大（>1）时，惯性力主导，气流呈湍流）时，惯性力主导，气流呈湍流2021/5/23451.1.5 相似性参数相似性参数2. 罗斯贝数（罗斯贝数（Ro）相似性）相似性惯性力惯性力科氏力科氏力f ：科氏参数：科氏参数   （地转偏向力）（地转偏向力）Ro大大科氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响科氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响可不计。

可不计Ro趋向无穷大趋向无穷大Ro自行满足自行满足Ro≤1，科氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略，科氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略2021/5/23461.1.5 相似性参数相似性参数3. 弗罗德数（弗罗德数（Fr）相似性）相似性惯性力惯性力重力重力g ：重力加速度：重力加速度Fr大（大（>>1），重力影响小），重力影响小Fr小（小（≈1或或<<1），重力影响大，不可忽略），重力影响大，不可忽略2021/5/23471.1.6 位温、虚温、虚位温位温、虚温、虚位温1. 位温位温θ：气体从原有的压强与温度出发，绝热膨胀：气体从原有的压强与温度出发，绝热膨胀或压缩到标准压强的温度或压缩到标准压强的温度Poisson方程方程T0、、P0 ：参考高度的温度、大气压：参考高度的温度、大气压T、、P ：任一高度的温度、大气压：任一高度的温度、大气压θ、、P0 ：位温、标准大气压：位温、标准大气压             （如（如100 kPa或地面气压）或地面气压）T、、P ：原有高度的温度、大气压：原有高度的温度、大气压一级近似一级近似g/Cp =0.0098 K m-1:       干绝热递减率的负值（干绝热递减率的负值（9.8 ℃℃ km-1））z ：：100 kPa（或地面）以上的高度（或地面）以上的高度2021/5/23482. 虚温虚温 Tv ：当气压不变时，与湿空气具有相同密度：当气压不变时，与湿空气具有相同密度的干空气所对应的温度。

的干空气所对应的温度T ：实测的温度：实测的温度e、、P ：当时的水汽压、大气压：当时的水汽压、大气压Tv > T密度：水蒸汽密度：水蒸汽 < 干空气干空气浮力：未饱和湿空气浮力：未饱和湿空气 > 干空气干空气绝对温度绝对温度T＞＞虚温虚温Tv2021/5/23493. 虚位温虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有云：液态水比空气的密度大，这样，有云的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中悬的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中悬浮云滴的情况下，总是降低虚温的对于饱和空气而浮云滴的情况下，总是降低虚温的对于饱和空气而言（存在云的情况下），定义虚位温言（存在云的情况下），定义虚位温θv为：为：γ sat ：气块的饱和水汽混合比：气块的饱和水汽混合比γL ：液态水混合比：液态水混合比未饱和空气，虚位温未饱和空气，虚位温θv为：为：γ ：未饱和气块的水汽混合比：未饱和气块的水汽混合比2021/5/2350【例子】【例子】[问题问题]：已知在：已知在90kPa处测得的温度为处测得的温度为25℃℃，混合比为，混合比为20g/kg，求虚位温？，求虚位温？[求解求解]：首先，求出位温，：首先，求出位温，因空气未饱和，可用下式求虚位温，因空气未饱和，可用下式求虚位温，[讨论讨论]：虚位温中考虑了湿度，本例中：虚位温中考虑了湿度，本例中θv 比比θ高高 4 K，在，在计算浮力时，不可忽略。

计算浮力时，不可忽略2021/5/23511.1.1 大气边界层定义大气边界层定义（重点掌握）（重点掌握）1.1.2 风与气流风与气流（重点掌握）（重点掌握）1.1.3 湍流输送湍流输送（重点掌握）（重点掌握）1.1.4 泰勒假说泰勒假说（掌握）（掌握）1.1.5 相似性参数相似性参数（了解）（了解）1.1.6 虚温、位温与虚位温虚温、位温与虚位温（了解）（了解）第一章第一章 大大 气气 边边 界界 层层1.1 大气边界层基本概念大气边界层基本概念2021/5/2352Ø大气边界层大气边界层(ABL)(ABL)定义定义：： （重点掌握）（重点掌握） 大气边界层位于对流层的最底部，厚度为几百大气边界层位于对流层的最底部，厚度为几百米到几千米，由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘米到几千米，由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种性、湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种作用和地形的影响，它响应地面作用的时间尺度为作用和地形的影响，它响应地面作用的时间尺度为1 1小时或更短小时或更短 Ø风与气流：风与气流：（重点掌握）（重点掌握） 平均风、波动、湍流；平均风、脉动风平均风、波动、湍流；平均风、脉动风Ø湍流输送：湍流输送： （重点掌握）（重点掌握） 能量级串（大湍涡能量级串（大湍涡小湍涡小湍涡粘滞耗散粘滞耗散）） 能量来源（机械或地面粗糙度的影响、水平能量来源（机械或地面粗糙度的影响、水平或垂直风切变、热力不稳定性）或垂直风切变、热力不稳定性）2021/5/2353Ø泰勒假说泰勒假说：： （掌握）（掌握） Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间的情况下，当湍流平移过传感器时，移过传感器时间的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的。

这样，风速就可以把本来作可以把它看成是凝固的这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量为时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量Ø相似性参数：相似性参数：ReRe、、RoRo、、FrFr( (了解了解) )Ø虚位温虚位温（了解）（了解）2021/5/2354部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！。