动力气象-第八章(大气边界层3)

1、第八章第八章 大气行星边界层大气行星边界层主要内容主要内容1 大气边界层及其特征大气边界层及其特征2 湍流平均运动方程、混合长理论湍流平均运动方程、混合长理论3 近地面风随高度的变化规律近地面风随高度的变化规律 4 埃克曼层中风随高度的变化规律埃克曼层中风随高度的变化规律 5 二级环流、埃克曼抽吸和旋转减弱二级环流、埃克曼抽吸和旋转减弱 物理分析物理分析 5 二级环流、埃克曼抽吸和旋转减弱二级环流、埃克曼抽吸和旋转减弱 相应的，自由大气中的气旋区要产生辐散，反气旋区要产生辐合，这样就在垂直面内形成闭合环流。闭合环流。 如果将水平面上的气旋、反气旋，如果将水平面上的气旋、反气旋，称为一级环流，则

2、称这个由一级环流诱称为一级环流，则称这个由一级环流诱发的、在垂直面上的闭合环流，为发的、在垂直面上的闭合环流，为二级环流的作用：使边界层与自由大二级环流的作用：使边界层与自由大气发生物理量交换。气发生物理量交换。 (1) 从角动量的角度看：边界层中角动量小的空气，输送到自由大气；自由大气中角动量大的空气，输送到边界层。结果：由自由大气向边界层输送角动量。 自由大气角动量减少，大气旋转减弱旋转减弱 边界层角动量增加，以补偿耗散。 （2）从涡度角度看：气旋区辐散气旋减弱自由大气中：旋转减弱反气旋区辐合反气旋减弱气旋区辐合气旋加强边界层中：用来补偿耗散反气旋区辐散反气旋加强注意：自由大气中忽略耗散，

3、是通过与边界层发生相互作用使得大气旋转减弱，耗散发生在边界层。Ekman抽吸与二级环流抽吸与二级环流风穿越等压线由高压吹向低压而输送的质量，是由v分量引起的。考察由高压向低压输送情况。 0BhMvdzvvldz 由于穿越等压线从高压向低压输送由于穿越等压线从高压向低压输送质量，在气旋（低压）产生辐合上升，质量，在气旋（低压）产生辐合上升，反气旋（高压）产生耗散下沉，在边界反气旋（高压）产生耗散下沉，在边界层顶产生垂直运动。层顶产生垂直运动。 由辐合量得到相应的垂直速度。由辐合量得到相应的垂直速度。 上该式表明，埃克曼层顶的垂直速度w(De)与地转风涡度g成正比。 对于典型的天气尺度系统来说，g

4、10-5m/s，f10-4/s，De103m，w0.510-2ms-1，这与自由大气本身的垂直速度具有相同的量级。2EgKwf 准地转涡旋流场中，由于湍流摩擦效应将会在埃克曼层中造成强迫的铅直环流，它叠加在准地转水平环流（地转涡旋的切向环流，也称为一级环流，它是自由大气不计湍流粘性应力而形成的环流）上，称之为二级环流。二级环流是由行星边界层摩擦所驱动，所以产生此二级环流的机制称为埃克曼抽吸。2EgKwf二级环流示意图二级环流示意图大气旋转减弱大气旋转减弱 ()BBgHHghhduvfdtxydwfdtzdwdzfdzdtz 名次解释名次解释 1.行星边界层行星边界层(PBL) 2.埃克曼埃克曼

5、(Ekman)层层 3.上部边界层上部边界层 4. 雷诺应力雷诺应力 5.普朗特普朗特(Prandtl)混合长混合长 6.湍流摩擦力湍流摩擦力 7.风的对风的对数分律数分律 8.风的指数分布律风的指数分布律 9.埃克曼螺线埃克曼螺线 10.埃克曼高度埃克曼高度 11.梯度风高度梯度风高度 12.埃克曼埃克曼抽吸抽吸 13.一级环流一级环流 14.二级环流二级环流 15.旋转减旋转减弱弱 16.埃克曼抽吸埃克曼抽吸 17.摩擦速度。摩擦速度。 随高度（Z），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：Zc 略小于/2hE，为埃克曼标高的1.46倍。/2 /2 /2 /2 /12cos( /)12cos( /)112cos( /)12cos( /)2cos(/)2/1.461.461.46455EEEEEEcEEEz hz hgEgz hz hEz hz hEzhz hz hEcEcEcEcuez heuez heez heez heezhKzhzhmf 作业题作业题1： 偏角随高度逐渐，风向自地面向上朝右旋转，到某一高度与地转风方向趋于一致。其中第一次与地转风方向