边界层参考考题

1、1大气边界层的定义大气的最低部分直接受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。大气边界层厚度的时空差异很大，平均厚度为地面以上约1km的范围，以湍流运动为主要特征。还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman层。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。2大气边界层的主要特征（1）大气运动的湍流性（2）大气边界层中的风温廓线（3）大气边界层的日变化（4

2、） 大气边界层的风向有规则地随高度右旋（北半球）一地球自转而形成的柯氏力的影响。（5） 大气边界层比一般流体边界层更为复杂。不仅有动力作用、还存在热力作用一一温度 分布影响着湍流脉动动能。3特征Re数定义：Re三UL M =特征惯性力/特征粘性力（1） Re1，粘性力相对小（可忽略），大Re数流体，弱粘性流；（2） Re1,惯性力相对小（可忽略），小Re数流体，强粘性流；（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；4. 湍流的基本特征（1）随机性：湍流是非规则的，混乱的、不可预测的；（2） 非线性：湍流是高度非线性的。当流动达到某一特定状态， 例如Reynolds数或Richardson 数超过

3、某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度；（3）扩散性：湍流会引起动量、热量及流动中的其他物质快速扩散；（4）涡旋性：利用湍流的可视化，例如将几滴颜料注入湍流运动的水中，表明湍流结构可 设想成由无数大小不同的湍涡组成，它们分裂、合并、拉长、旋转。最大的湍涡可达到整个 湍流层的宽度，小的可到毫米的量级。它们相互叠加在一起，构成湍流的涡旋结构；（5）耗散性：湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散成为热能。5. 午后观测的风速计录Klvnv午后观测的风速记录?风速变化的不规则性一一湍流的特性之一；?湍流并非完全无规律一一具备统计上稳定的平均值；?湍流有一个可度

4、量的和确定的强度一一有界性；?许多风速变化的时间尺度相互叠加而成一一湍流谱。86雷诺平均定义平均值后，可以将湍流运动表示为：湍流运动=平均运动+脉动运动而把任意实际物理量表示为 a=A A或 a，= a_A雷诺平均：a = o Ba =0 AB=b AB7推导边界层方程的基本思想（1 ）边界层的基本控制方程（2 ）雷诺平均：把方程中的因变量展开成平均和脉动量两部分（3）求方程的雷诺平均的湍流平均变量的方程（4 ）利用连续性方程通量形式的方程（5）从步骤3方程中减去步骤5方程，得到偏离平均的湍流脉动量方程方差方程和协方差方程的基础方程（6）将湍流脉动量方程乘以速度脉动量湍流通量方程（7 ）将基础

5、方程乘以2倍的湍流脉动量方差方程 （湍流能量方程）湍流的稳定性参数1、连续方程:雷诺平均脉动量方程15平均量方程；：2u/ fUjUj9湍流脉动（预报）方程:.r F1F;:tujuiuiuiu j U j -Xj: Xj"X j10普朗特混合长理论对于湍流，流体微团单位质量含有某种特性量q,如果q是被动的：即不影响流体的运动情况；q是保守的：在运行距离 1/2之后，q值守恒，1/2类似分子运动的自由程。在湍流 n运动过程中特性爲旋保持不变hnO失去原有特性）前所走过的距离，称之为混合长。11.大涡的运动能产生与涡的尺度相同的风剪切区，可产生较小的涡。 这种湍能从较大涡到较小涡的净传

6、输叫做能量串级。在最小的涡那 里，能量的串级被分子粘性耗散变成热能。（1）中性条件下的风速对数廓线在图中是一条直线；（2 ）不稳定层结时因有利于湍流混合，上层的动量迅速下传使低层风速增大，因此风速廓线呈下凹状（3）而稳5中午）；14非中性层结近地层大气，由于热力因子作用，湍流结构存在变 化。对于平均风廓线，中性层结呈对数分布；非中性层结偏离对数 分布：稳定层结呈上凸型；不稳定层结呈下凹型。13. Ekman螺线定性地解释了边界层内风分布的基本特征，即风速随高度而增加，风向随高 度向右偏转（北半球），最后趋于地转风的这一现象。也定性地说明风达到地转风的高度或 者可以说边界层的高度是随 K增加而增

7、加，随参数 f减少而增加的。14边界层高度的确定主要有：动力因素考虑，即风随高度的变化：（1）取风向达地转风的高度；（2 ）风速达地转风的高度；3）风速达最大值的高度；热力因素考虑：（1）将温度梯度变为自由大气所具有的值的高度；（2）温度梯度明显不连续的高度；（3）温度日变化非常小，接近消失的高度；能量角度考虑：（1）湍流能量接近消失的高度；（2）湍流应力接近消失的高度等。15. 对流边界层的基本特征（1）对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变导致的动力驱动，地面输送的感热通量是 热力驱动湍流能量的来源。（2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于强烈的混合作用，对流边界层的主体部分

8、气象要素梯度很小；在中等以上不稳定时，温度和风随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。（3 ）对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入边界层，形成了 卷夹层；卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。（4 ）对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致对流边界层内各气象属性的垂 直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。16. 稳定边界层的一般特征（1） 稳定边界层的共同特征是有逆温层，此时浮力的作用不但不能给湍流补充动能，相反，湍流微团在垂直运动中因反抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。 但因有切应力的作用，湍流不会完全消失， 维持在弱的水平上，

9、 仍是一个不可忽略的因子。湍流热交换过程并 不占优势，而其它的热交换过程例如辐射、平流、气层的抬升及地形等的影响与湍流热交换过程的影响相当。（2） 理论分析和实验事实均表明，当浮力引起的湍流动能损失达到切应力产生动能的1/5 左右（通量理查孙数 Rf = 0.2），湍流便会因连续不断地耗散而衰竭。稳定边界层的湍流 结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。（3）因湍流很弱，湍涡尺度小，边界层不同层次之间的相互作用减弱，地面强迫对边界层的响应放缓。下垫表面的强制作用达到边界层顶所需的时间尺度可长达数个小时，形成分层式湍流，故边界层往往不能作为整体处理。 例如，由地面

10、参量计算的莫宁一奥布霍夫长度值 不能代表边界层中、上层的情况。（4 ）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层顶的位置。17. 动力内边界层：上游来流为中性大气，气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度的下垫表面，在地面的动力强制作用下，在新的下垫面上空将形成一个内边界层。热力内边界层（热内边界层）：气流从一种温度的下垫表面过渡到另一种温度的下垫表面，在地面的热力强制作用下，在新的下垫表面上空将形成一个内边界层。18. Richardson 数（a）通量理查孙数Rf:Rf(a)反抗浮力做功 的湍能耗散率u ' W'v ' wcz平均运动动能转化为脉 动动能的湍能

11、增益率当Rf数0，不稳定层结，表示浮力作功补充湍流动能，湍流能量有 增强的趋势；当Rf数0，稳定层结，则湍流能量有减弱的趋势。当Rf数=0，中性层结。（b）梯度理查孙数Ri:根据湍流的半经验理论，通量项可以转化为平均量的梯度，因此Rf可用平均风、温度梯度与两种湍流交换系数的比值表示，即：g汀d RKhT；zf卡)2十(些_ :Z :z定义梯度理查孙数Ri为:gRi泮2何+何H I氐丿1由 1(df 厂e & "T+粘 卫丿mR(b)因Kh和Km匀为正值，故Rf和Ri符号 一致。稳定层结均为正值，不稳定 层结均为负值，中性层结都为零。24（c）总体理查孙数:由风、温度观测资料精

12、度不高，则由此计算的梯度会存在较 大误差。因此，通常将前述（a）、（ b）微分改为差分形式进行 计算，为此引入总体理查逊数，即：也日v也zR飞亦卡苛19. M-0长度除了 Richardson数以外，凡是与其有单值对应关系的其它参数定义可以普遍判定大气边界层湍流状态的指标的集合，均可做稳定度的 判据。如：莫宁-奥布霍夫（Monin-Obukhov）长度L;莫宁-奥布霍夫 稳定性参数 Z/L上w r 'q = _ w ' q 'U *U *26U*表示湍流垂直输送的强度。在近地面层内，它们是近似与高度无关的物理量。莫宁与奥布霍夫认为，对于定常、水平均匀、无辐射和无相变的近地面层，其运动学和热力学结构仅决定于湍流状况；他们将U*、w ''以及浮力因子g心进行组合得到一个具有长度量纲的特征量，现通称作M onin-Obukhov（莫宁 一奥布霍夫）长度L 。20. 近地层的重要特点： 近地层较薄，可近似认为动量、热量