边界层气象学课件：02边界层平均特征2014.pptVIP

通量是穿过单位面积的量的输送率。净通量分成如图所示的x、y、z方向的分量。如果进入容积的通量比流出的通量大，那么容积内的该量必定有净增加 垂直运动学平流热通量： 垂直运动学平流水汽通量： X方向运动学平流热通量： U动量的垂直运动学平流通量： 已知热量通量： 求运动学热通量： 这是强对流过程中，典型的白天运动热通量值 3. 湍流通量 垂直（运动学）湍流热通量： 垂直（运动学）湍流水汽通量： x方向（运动学）湍流热通量： u动量垂直（运动学）湍流通量： 超绝热情况 逆温情况 ？ 大于零说明什么？ 4. 应力 我们已经知道，协方差统计量可以描述湍流通量，但动量通量则类似于应力。这一节我们考察应力的特性，并把它与各种湍流统计量联系起来。 应力是使物体变形的力，用单位面积的力测定。在大气研究中经常出现压力、粘滞应力和雷诺应力这三种应力 压力是一种可以作用在静止流体上的应力，对于一个无穷小的流体元，压力在所有方向的作用是相等的，即各向同性。 粘滞剪切应力 只要流体中存在切变运动时就存在粘滞切应力。运动可以是片流也可以是湍流。当一部分流体运动时，分子间的作用力往往会在同一方向拖曳相邻流体分子。分子间作用力的强度取决于流体性质，例如糖浆比水粘滞力强，水又比空气粘滞力强。这些力的一种度量是粘滞性。应力的结果使流体变形。 粘滞法向应力 切应力使流体微元形状 发生改变 法应力使流体微元体积 发生改变 粘滞应力也是9个分量的张量。应力和形变成线性关系的流体为牛顿流体，其粘滞应力由下式表示： 动力学粘滞系数：kgm-1s-1 运动学粘滞系数：m2s-1 指向i方向而作用于j平面 海面标准大气的运动学粘滞系数为1.4607×10-5 m2s-1 ，风剪切大约为0.5 s-1 ,粘滞应力则为：7.304×10-6 m2s-2 雷诺应力：只有当流体处于湍流运动时才有雷诺应力。湍涡能够把不同风速的空气混合进我们所考虑的立方体。当这种不同速度的空气被输入立方体某一面但不是对立面时，这个立方体因为两面之间的速度不同而变形。 雷诺应力分量 雷诺应力分量运动学表示 现在求w动量在x方向的湍流通量： 总体效果为: 湍流动量通量的作用“象”应力一样使流体变形，因此定义雷诺应力的一个分量为： 其他面同理考虑，因此雷诺应力是一个张量，有9个分量 雷诺应力是二阶张量： 动量通量或雷诺应力是流动性质，而不是流体性质。应力完全由上述矩阵所描写，其中包括可以应用于任一流体的速度乘积，但这不是粘滞切应力的情况。尽管雷诺应力作用象应力，但雷诺应力并非真正象粘滞切应力那种应力（单位面积上的力)。在典型的大气表面层雷诺应力的量级为0.05m2s-2 粘滞应力则为：7.304×10-6 m2s-2。即雷诺应力远大于粘滞应力。 5. 摩擦速度 在湍流由近地面风切变产生的情况下，地面雷诺应力大小就成了一个重要的尺度变量。近地面测得的水平动量总垂直通量为： 摩擦速度定义为： 摩擦速度反映了地面雷诺应力的大小 QH u* 当我们谈到地面尺度时，也可以引入如下式定义的近地层温度和湿度尺度： 在以后讨论近地层相似理论时会用到这些尺度。 五、湍流数据处理过程 为了从实际大气数据中分离出湍流量，首先是对资料实施平均。最理想的方法是实施系综平均，即在同一地点、每天的同一时刻，取相同的大气条件下的观测资料序列的平均值： 空间平均的方法，是对某一时刻在某一空间域上对大量观测点的资料进行平均： 时间平均是对空间某一固定点取其某一时段的观测数据的时间序列进行平均： 六、求和符号 上节我们遇到过热通量有3个分量，动量有9个分量，要把这9个分量中每一个分量都写成独立的预报方程是很麻烦的， 为了减轻负担．我们可以采用爱因斯坦求和简化符号，只用一项就能表示出9个动量通量。这一节，我们先定义若干项，后再用一些例子来说明这些规则。 设m，n和q是可以各取1，2或3值的整数变量指数。设Am代表一般速度矢量，Xm代表距离的一般分量， 代表一般单位矢量(三个笛卡儿方向中的一个方向上的单位长度矢量)。对上述一般变量采用下标指数，我们可以确定： 变量带有：无自由指标＝标量 一个自由指标＝矢量 两个自由指标＝张量 单位矢量： 克罗内科符号（是一个标量）： 交变单位张量（是一个标量）： 在求和符号中应用两条规则：一条与任何一项中的重复指数有关，另一条与不重复(自由)指数有关 规则(a)：每当两个相同的指数出现在同一项中时，它总是意味着重复指数取每一个值(1，2和3)后对该项求和。 规则(b)：每当一个指数在某一项中出现不求和(自由)时，那么同指数在该方程所有项中都必须出现