定常条件下的大气边界层-1课件

第四章定常条件下的大气边界层第一节近地层相似理论第二节全边界层相似理论第三节谱相似第四节半经验理论在边界层研究中的应用补充：相似理论我们现有的基本物理知识对一些边界层情况还不足以获得以基本原理为基础的一些规律然而，边界层观测结果经常出现可重现的一些特征，我们对有关变量能够研究出一些经验关系式π理论（参考流体力学课本）这个方法帮助我们从所选的变量中建立无量纲组无量纲组的正确选择将能提供无量纲组之间的普遍适用的经验关系，即研究的结果时时处处都适用，这是人们所希望的研究相似理论共分4步：1）选择（推测）那些与研究对象相关的变量2）根据π理论把变量组合成无量纲组3）进行试验，或者从早期的资料中积累有关数据以决定无量纲组的值4）对资料进行曲线拟合或者求回归方程，以描述这些无量纲之间的关系第一节Monin-Obukhov相似性理论基础：任意变量的无量纲组合。原则：任何一个近地层湍流规律，其中的变量均以适当的特征尺度做无量纲化，无量纲化方程将仅仅是稳定度因子（z/L）的普氏函数关系。Note：（1）无量纲化过程应具有相应的物理意义；（2）无量纲化应与被无量纲化特征量具有相同量级。相似尺度的分类动量、热量、水分、物质交换过渡层局地自由对流层边界层顶大气边界层的概念化分层冠层或粘性次层混合层近地面层1）大气边界层最下面部分，受到下垫面影响最直接，气象要素日变化大。2）气压梯度力、柯氏力、分子粘性应力都可以忽略不计，湍流应力为主要作用力。风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响。3）各种湍流通量传输随高度变化而数值近乎不变，称常通量层（书P115）。4）层内风速、温度和其余气象要素场随高度变化十分剧烈。近地面层(surfacelayer)主要特征1风速梯度和廓线相似理论的一个重要应用就是近地层的平均风廓线由于近地层风速廓线容易在地面观测，所以人们对它已进行了广泛研究通常近地层风速随高度大致上呈对数变化，靠近地面，摩擦曳力士风速变为零中性条件下的风速廓线估计平均风速为地面以上高度的函数中性层结条件下，热力因子不作用，影响大气运动的主要参量是地表应力(用摩擦速度表示)和高度Z。应用π理论，可确定函数F的形式为：对上式积分，可得：其中k为冯•卡门常数，在0.35-0.4之间。中性层结条件下的近地层风廓线典型形式——对数风廓线。不同地表粗糙度取值海面的粗糙度一些学者（Chamberlain,1983）提出用某些粗糙因子之间的经验关系来估计粗糙度。对海面，沙地和雪面等，对于海洋，解释例题，在中性层结条件下，测出Z＝z1处，u＝u1，Z＝z2处，u＝u2，其中z2>z1,由观测资料求和Z0位移距离气流越过林冠层时风速为高度的函数，稠密林冠层的作用就像在实际地面以上位移了某一距离的地面那样。粗糙度长度林冠顶部以上，风速廓线随高度是对数增大对静力中性条件来说，我们能确定位移距离d和粗糙度长度，所以：我们已规定在时已知在静力中性条件下三个或三个以上高度上的风速观测结果，利用计算机处理的诸如马夸特算法或高斯-牛顿一类的非线性回归算法，很容易求出三个参数2温度和湿度梯度中性层结：湿度廓线

建立起由描述的动量通量与垂直速度廓线的关系式这些表达式叫做通量-廓线关系式，这些关系是可以推广运用到非中性近地层在非中性条件下，除了摩擦速度和高度Z外，我们可以预计浮力参数和地面热通量是外加的两个有关变量。应用π理论，可确定函数F的形式为：L，首先由O