动力气象-第八章(大气边界层2)讲义.pptVIP

第八章 大气行星边界层;混合长示意图;;近地面层风随高度的分布（风廓线）;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; 常通量层中，物理量的垂直输送不随高度变化。则湍流动量输送（雷诺应力） Tz = Tz0 =常矢量 其中z0称为地面粗糙度，定义为风速为零的高度，风洞实验确定其值为覆盖下界面粗糙物平均高度的1/30。;有代表性的地面粗糙度;;;;;;;;图中的w表示垂直运动，F表示浮力;中性层结中，湍流仅决定与下垫面动力作用。离下垫面越近，l 就越小。Prandtl假设l是z的线性函数l=?z。 ? 是卡曼常数（0.35~0.42，一般取0.4）。;;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，可以得到u* 及z0;三力平衡示意图;;;;;;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。; 埃克曼螺线的讨论 求出复速度的模?W ?（大小）： 辐角?（风与等压线之间的夹角） ; 埃克曼螺线的讨论 取? =45?N，湍流系数K=5m2/s，ug=10m/s，计算出埃克曼层各高度上风速分量u, v风速值大小及风与等压线之间的夹角?（见下表）：;埃克曼层中风向、风速随高度的变化;u，v 随高度的变化; 梯度风高度ZH 与湍流系数K 和纬度? 有关。 同纬度，K值越大，湍流运动越强，梯度风高度越高。反之亦然，这是因为强的湍流运动影响的层次深厚，所以需要在更高的高度上风向才与地转风趋于一致。; 当K值相同时，高（低）纬度处的梯度风高度低（高）。这是因为高纬度的f 值较大，则科氏力也较大，因此与低纬度相比，能在较低的高度达到科氏力与气压梯度力相平衡。;梯度风高度（zH）; 梯度风高度 取纬度? =45?N，K=5m2/s，ZH≈980m， 此高度可视为行星边界层顶。 ; 埃克曼螺线的讨论 对于天气尺度的涡动粘性系数K≈5m2/s，取 f～10-4/s，De～103m，若风速的垂直切变取： 则平均混合长l 大约为30m，这个厚度比埃克曼厚度980m小许多。; 埃克曼标高（hE）， 具有高度因次，它又是推导埃克曼螺线所特有的参数，也是边界层厚度的特征量。 梯度风高度ZH（hB）为埃克曼标高的? 倍 hE～312m;当zH=? hE =hB时，;;取? =45?N，K=5m2/s，地转风ug=10m/s，由上式计算出埃克曼层各高度上湍流粘性应力的大小和方向（见表） ;;;;埃克曼螺线解的问题：;埃克曼为等角螺线;; 证明：随高度增加，风速C 逐渐增大，当到某一高度时，风与地转风的大小相等，令该高度为Zc，证明Zc=1.46hE。; 证明梯度风高度（ZH）的风速C为略大于地转风Ug