《边界层气象学》课件:CH02-边界层平均特征.ppt
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- 边界层气象学 边界层 气象学 课件 CH02_ 平均 特征
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1、第二章第二章 边界层平均特征边界层平均特征一、大气边界层定义及特征一、大气边界层定义及特征 二、二、ABL结构及演变规律结构及演变规律 三、三、ABL内的流动形式内的流动形式 四、几个重要物理量四、几个重要物理量 五、湍流数据处理过程五、湍流数据处理过程六、爱因斯坦求和符号六、爱因斯坦求和符号目的:对大气边界层有一个宏观的了解,并为第三章的方程目的:对大气边界层有一个宏观的了解,并为第三章的方程组的学习作好准备组的学习作好准备地面是大气的一个边界。这个边界上的输送过程,影响了最地面是大气的一个边界。这个边界上的输送过程,影响了最低的低的100至至3000m的大气,产生所谓的边界层的大气,产生所
2、谓的边界层,对流层其余部对流层其余部分则不精确地称之为自由大气。因此,为多数人所感受到的分则不精确地称之为自由大气。因此,为多数人所感受到的大气特征,或多或少是以较浅层空气中发现的特有特征为基大气特征,或多或少是以较浅层空气中发现的特有特征为基础的。础的。关于微气象学:几乎等同于边界层气象学。研究时间尺关于微气象学:几乎等同于边界层气象学。研究时间尺度度1h,空间尺度,空间尺度3km高压中心和低压中心之间边界层厚度的天气尺度变化示意图。高压中心和低压中心之间边界层厚度的天气尺度变化示意图。虚线表示虚线表示1小时内受地面影响的空气所达到的最大高度。实线小时内受地面影响的空气所达到的最大高度。实线
3、包围的阴影区域是大多数边界层气象学家研究的区域包围的阴影区域是大多数边界层气象学家研究的区域曲线表示近地面温度日变化,它在高空很不明显。这个日变曲线表示近地面温度日变化,它在高空很不明显。这个日变化是陆地边界层的关键特征之一。化是陆地边界层的关键特征之一。这个日变化是谁引起的?这个日变化是谁引起的?边界层的重要性边界层的重要性人们一生大部分时间是在边界层中度过的;人们一生大部分时间是在边界层中度过的; 天气预报是预天气预报是预报的边界层内的气象因子;报的边界层内的气象因子; 整个大气层基本能源是太阳辐射,整个大气层基本能源是太阳辐射,太阳辐射大部分被地面吸收,剩余部分由边界层过程输送给大太阳辐
4、射大部分被地面吸收,剩余部分由边界层过程输送给大气;气; 云核是通过边界层过程从地面传播到大气中的。云核是通过边界层过程从地面传播到大气中的。 雷暴雷暴和飓风的发展是靠边界层湿空气的流入。和飓风的发展是靠边界层湿空气的流入。 大约有大约有50的大气的大气动能被耗散在边界层中。动能被耗散在边界层中。 湍流和阵风在结构设计中影响建筑湍流和阵风在结构设计中影响建筑风格。风格。 风力涡轮机要从边界层风场中提取能量。风力涡轮机要从边界层风场中提取能量。 海面上的海面上的风切变是海洋的主要能量。风切变是海洋的主要能量。 边界层中的湍流输送和平流使水边界层中的湍流输送和平流使水分和氧气来回流动,维持植物之类
5、的生命形态。分和氧气来回流动,维持植物之类的生命形态。边界层和自由大气的特征比较性质性质边界层边界层自由大气层自由大气层湍流湍流几乎整个高度都是无几乎整个高度都是无间断的湍流间断的湍流水平范围很大的浅层有零水平范围很大的浅层有零星晴空湍流星晴空湍流摩擦摩擦对地面曳力大,能量对地面曳力大,能量耗散大耗散大粘滞耗散小粘滞耗散小扩散扩散在水平和垂直方向湍在水平和垂直方向湍流迅速混合流迅速混合分子扩散少,往往由平均分子扩散少,往往由平均分在水平方向迅速输送分在水平方向迅速输送风速风速 近地层接近对数风速近地层接近对数风速廓线,是次地转的。廓线,是次地转的。接近地转风接近地转风垂直输送垂直输送 受湍流控
6、制受湍流控制受平均风和积云尺度控制受平均风和积云尺度控制厚度厚度时空变化在时空变化在1003km空间变化小,空间变化小,8-18km;时;时间变化缓慢间变化缓慢一、大气边界层定义及特征一、大气边界层定义及特征1 1大气边界层(大气边界层(Atmospheric Boundary Layer,ABLAtmospheric Boundary Layer,ABL)定义:)定义: 由于各种尺度(空间和时间)湍流涡旋的动力和热力过由于各种尺度(空间和时间)湍流涡旋的动力和热力过程,将下垫面的强制作用(动量、热量和水汽)影响扩散程,将下垫面的强制作用(动量、热量和水汽)影响扩散所及的自由大气层。所及的自由
7、大气层。 各种尺度湍流起着重要作用并导致气象要素具有明显日各种尺度湍流起着重要作用并导致气象要素具有明显日变化的低层大气层。变化的低层大气层。由于大气气压梯度力和地转偏向力对大气边界层运动特征由于大气气压梯度力和地转偏向力对大气边界层运动特征的作用,是行星低层大气和海洋表层流动的共性,大气边的作用,是行星低层大气和海洋表层流动的共性,大气边界层也称界层也称行星边界层(行星边界层(Planetary Boundary Layer,PBLPlanetary Boundary Layer,PBL)。2 2大气边界层特征:大气边界层特征: 地 球 表 面 向 上 并 与 地 面 有 直 接 作 用 的
8、 气 层 ; 地 球 表 面 向 上 并 与 地 面 有 直 接 作 用 的 气 层 ;是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水气交是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水气交 换必经的气层;换必经的气层;具有明显的日变化规律具有明显的日变化规律边界层最重要的特征之一:边界层最重要的特征之一: 不稳定大气边界层:主尺度在空间上与边界层厚度相当,不稳定大气边界层:主尺度在空间上与边界层厚度相当, 传输快;传输快; 稳定边界层:主尺度小于边界层厚度,可能出现湍流间稳定边界层:主尺度小于边界层厚度,可能出现湍流间 歇性,传输慢。;歇性,传输慢。;与季节、天气背景、高度等密切相关。如:按热
9、动力学,与季节、天气背景、高度等密切相关。如:按热动力学, 有不稳定、中性、稳定层结之分。有不稳定、中性、稳定层结之分。涉及面广:空气污染、环境、气候变化等。涉及面广:空气污染、环境、气候变化等。不稳定边界层结构及其流场图像不稳定边界层结构及其流场图像稳定边界层结构及其流场图像稳定边界层结构及其流场图像 风、温廓线风、温廓线二、二、ABL结构及演变规律结构及演变规律 1ABL的分层的分层00.015010010002000z/m近地面层(常通量层)近地面层(常通量层)上部摩擦层上部摩擦层自由大气自由大气大气边界层大气边界层分子粘性力分子粘性力湍流切应力湍流切应力湍流切应力近似常数湍流切应力近似
10、常数气压梯度力、科氏力和气压梯度力、科氏力和雷诺应力数量级相当雷诺应力数量级相当气压梯度力和科气压梯度力和科氏力平衡氏力平衡粘性副层粘性副层牛顿第二定律牛顿第二定律2. 虚位温虚位温温度T、虚温Tv、位温 、虚位温v的定义TqT)608. 01 (vpcRppTppT0000pT1000vv)608. 01 (1000)608. 01 (vqpqT:与湿空气具有相同气压和密度的干空气的温度:与湿空气具有相同气压和密度的干空气的温度:把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气 压时应有的压时应有的温度温度 :把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气
11、压时应有的压时应有的虚温虚温 3. 边界层演变边界层演变陆上高压区陆上高压区边界层的昼夜演变边界层的昼夜演变上图:边界层结构的昼夜演变示意图;上图:边界层结构的昼夜演变示意图;下图:典型剖面的平均虚位温廓线下图:典型剖面的平均虚位温廓线FAFA:自由大气:自由大气MLML:混合层:混合层SBLSBL:稳定边界层:稳定边界层RLRL:剩余层:剩余层CLCL:云层:云层SCL:SCL:云下层云下层SLSL:表面层或近地面层表面层或近地面层ELEL:卷挟层:卷挟层混合层对流源来自两个方面:一个是对流源来自两个方面:一个是地面热量输送地面热量输送;另;另一个是一个是云层顶辐射冷却云层顶辐射冷却。前者使
12、地面暖空气上升,。前者使地面暖空气上升,而后者使云顶冷空气下沉。两者可以同时出现,而后者使云顶冷空气下沉。两者可以同时出现,特别是当顶部有冷层积云的混合层移过暖地面时,特别是当顶部有冷层积云的混合层移过暖地面时,便可同时出现上升或下沉气流。便可同时出现上升或下沉气流。混合层平均廓线地转风地转风剩余层剩余层稳定边界层以上仍保留相当厚度的白天混合层稳定边界层以上仍保留相当厚度的白天混合层中层的等虚位温分布,称为剩余层。由图可见,中层的等虚位温分布,称为剩余层。由图可见,入夜后,地面净辐射转变为负值,下垫表面冷入夜后,地面净辐射转变为负值,下垫表面冷却,导致大气边界层从下往上降温却,导致大气边界层从
13、下往上降温 。剩余层为。剩余层为中性层结。中性层结。稳定层稳定层稳定层结时湍涡在运动中要反抗重力作功,消耗稳定层结时湍涡在运动中要反抗重力作功,消耗动能,从而对湍流交换起抑制作用。这就使得夜动能,从而对湍流交换起抑制作用。这就使得夜间稳定边界层的发展比白天混合层的发展要弱得间稳定边界层的发展比白天混合层的发展要弱得多,厚度也小得多。多,厚度也小得多。 稳定层平均廓线稳定层平均廓线卷挟层卷挟层卷夹层是混合层顶部的静力稳定空气区,其厚卷夹层是混合层顶部的静力稳定空气区,其厚度约为混合层的度约为混合层的10% 40%。对流热泡在混合。对流热泡在混合层中、下层持有的对流能量使它能够超射一定层中、下层持
14、有的对流能量使它能够超射一定的距离,在卷夹层内形成对流贯穿。各个对流的距离,在卷夹层内形成对流贯穿。各个对流热泡贯穿的厚度取决于其各自的初始对流能量。热泡贯穿的厚度取决于其各自的初始对流能量。 From Encyclopedia of Atmospheric Sciences Six Volume. P245From P246扩扩散散形形态态三、大气边界层内的流动形式三、大气边界层内的流动形式一般地,边界层内气流的流动形式有三种:平均场、湍流场、一般地,边界层内气流的流动形式有三种:平均场、湍流场、波动场。实际上,后两者是叠加在平均场上的。波动场。实际上,后两者是叠加在平均场上的。 uuuu
15、平均风平均风:有明显的日变化,风速和风向及其相关边界层属:有明显的日变化,风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度。一般量级:水平风为米的量级,性具有明显的垂直梯度。一般量级:水平风为米的量级,垂直风为毫米的量级垂直风为毫米的量级湍流湍流:大气边界层的运动形态,剪切和不稳定特性等,湍:大气边界层的运动形态,剪切和不稳定特性等,湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。流对大气边界层的发展和演变有关键作用。波动波动:有规则和一定的周期变化,形式多样,如重力波。:有规则和一定的周期变化,形式多样,如重力波。大气湍流和波动叠加在平均场上,表现为风的起伏和扰动大气湍流和波动叠加在平均场上,表现为风
16、的起伏和扰动 Under stable conditions, air flowing past a mountain range can create eddies many kilometers downwind of the mountain itself.过山气流过山气流另类流动:另类流动:二次涡二次涡半稳定的较大尺度涡旋。主尺度为半半稳定的较大尺度涡旋。主尺度为半稳定性,有周期性,含有小尺度、与湍流类似常见为:稳定性,有周期性,含有小尺度、与湍流类似常见为:海洋上水平涡管海洋上水平涡管 为什么气流在山顶流速达到最大?为什么气流在山顶流速达到最大?Satellite image of
17、eddies forming on the leeward side of the Cape Verde Islands during April, 2004. As the air moves past the islands, it breaks into a variety of swirls as indicated by the cloud pattern. (The islands are situated in the Atlantic Ocean, off Africas western coast.)Turbulent eddies forming downwind of a
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