《动力气象学》电子教案一编著、主讲:成都信息工程学院大气科学系李国平教授制作:林蟒、李国平 《动力气象学》电子教案 第一章大气边界层 §1大气边界层及其特征 §2边界层中风随高度的变化规律 §3二级环流、Ekmn抽吸和旋转减弱 §4 Ekman数和 Richardson数 重点:边界层中风随高度的变化规律, Ekman抽吸和旋转减弱。 §1大气边界层及其特征 大气的动力分层 11大气边界层的定义:与地表直接接触,厚度约为115km、具有湍流特性的大气层(PBL, Planetary Boundary layer) 12PBL具体分层 如图11分为三层: 自由大 大气边界层一 近地」 h=30-0 咕地层 图1.1大气边界层分层示意图
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平 1 《动力气象学》电子教案 第一章 大气边界层 §1 大气边界层及其特征 §2 边界层中风随高度的变化规律 §3 二级环流、Ekman 抽吸和旋转减弱 §4 Ekman 数和 Richardson 数 重点：边界层中风随高度的变化规律，Ekman 抽吸和旋转减弱。 §1 大气边界层及其特征 1 大气的动力分层 1.1 大气边界层的定义：与地表直接接触，厚度约为 1-1.5km、具有湍流特性的大气层(PBL，Planetary Boundary Layer)。 1.2 PBL 具体分层 如图 1.1,分为三层: 图 1.1 大气边界层分层示意图
《动力气象学》电子教案一编著、主讲:成都信息工程学院大气科学系李国平教授制作:林蟒、李国平 自由大气 高 500米Ekm④n层 常值通量层 地面 图12大气动力分层 各层常见的、不同的名称: 大气边界层:行星边界层,边界层,摩擦层 贴地层:表面层 近地层:接地层,地面边界层,常通量层,SL( Surface laver) 埃克曼( Ekman)层:上部边界层,上部摩擦层 2贴地层的主要特点 分子粘性力起主要作用;主要运动形式:分子扩散 地层的主要特点 1)湍流摩擦力和气压梯度力起主要作用,科氏力可省略 2)风向几乎不随高度变化,但风速随之增加。与V同向 3).物理量通量的垂直输送几乎不随高度改变(常值通量层) 4).物理量垂直梯度>物理量的水平梯度, 5)湍流运动明显,地气相互作用强烈,调整较快,呈准定常 4 Ekman层的主要特点
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平 2 图 1.2 大气动力分层 各层常见的、不同的名称： 大气边界层：行星边界层，边界层，摩擦层 贴地层：表面层 近地层：接地层，地面边界层，常通量层，SL(Surface Layer) 埃克曼（Ekman）层：上部边界层，上部摩擦层 2 贴地层的主要特点 分子粘性力起主要作用；主要运动形式：分子扩散。 3 近地层的主要特点 1).湍流摩擦力和气压梯度力起主要作用，科氏力可省略。 2).风向几乎不随高度变化，但风速随之增加。 ∂ ∂ JG V z 与V JG 同向。 3). 物理量通量的垂直输送几乎不随高度改变（常值通量层）。 4).物理量垂直梯度>>物理量的水平梯度， ( ) ( ) ( ) , z xy ∂ ∂∂ >> ∂ ∂ ∂ 。 5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。 4 Ekman 层的主要特点
《动力气象学》电子教案-编著、主讲:成都信息工程学院大气科学系李国平教授制作:林蟒、李国平 1).湍流摩擦力,气压梯度力和科氏力同等重要。 2)物理量垂直梯度>>水平梯度 3)下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman螺线规律 5自由大气层的主要特点 1).湍流摩擦力可忽略,水平气压梯度力和科氏力起主要作用 2).受行星边界层顶垂直运动的影响,其下边界条件即为大气边界层的上边界条件,即下边界条件为: §2边界层中风随高度的变化规律 1近地层中风随高度的变化规律 常通量层中,物理量的垂直输送不随高度变化。则湍流动量输送(雷诺应力) T:=T.=常矢量 (1.1) 图13L. Prandtl(1875-1953),德国边界层及湍流学家 其中z称为地面粗糙度,定义为风速为零的高度,风洞实验确定其值为覆盖下界面粗糙物平均高度的1/30
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平 3 1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。 5 自由大气层的主要特点 1). 湍流摩擦力可忽略，水平气压梯度力和科氏力起主要作用。 2). 受行星边界层顶垂直运动的影响，其下边界条件即为大气边界层的上边界条件，即下边界条件为： e ( ) e ω z h= ω h = §2 边界层中风随高度的变化规律 1 近地层中风随高度的变化规律 常通量层中，物理量的垂直输送不随高度变化。则湍流动量输送（雷诺应力） 0 z T T = = z JG G 常矢量 （1.1） 图 1.3 L. Prandtl (1875-1953)，德国边界层及湍流学家 其中 z0 称为地面粗糙度，定义为风速为零的高度，风洞实验确定其值为覆盖下界面粗糙物平均高度的 1/30
《动力气象学》电子教案一编著、主讲:成都信息工程学院大气科学系李国平教授制作:林蟒、李国平 1D-20km 05-3km ≥A o-20Dm 10m Matching height 争盡 5-5m 图14不同下垫面的粗糙度 由普朗特( Prandi)混合长理论: (12) k为垂直湍流系数。SL中风向不随z变化,则 T。=常数 但k随z而变化,假定 k (1.4) l为普朗特混合长。则 在近地层中,摩擦速度=常数,1≠常数,与高度z和大气层结稳定度等有关。 1.1中性层结下的对数分布规律
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平 4 图 1.4 不同下垫面的粗糙度 由普朗特（Prandtl） 混合长理论： Tz z V k z ρ ∂ = ∂ JG JG （1.2） z k 为垂直湍流系数。 SL 中风向不随 z 变化，则 0 z z V k T z ρ ∂ = ∂ =常数 （1.3） 但 z k 随 z 而变化，假定 2 z V k l z ∂ = ∂ JG = 2 V l z ∂ ∂ （1.4） l 为普朗特混合长。则 0 2 2 Z V l T z ρ ⎛ ⎞ ∂ ⎜ ⎟ = ⎝ ⎠ ∂ （1.5） 0 * V TZ l V z ρ ∂ = = ∂ （1.6） 在近地层中，摩擦速度V* = 常数，l ≠ 常数，与高度 z 和大气层结稳定度等有关。 1.1 中性层结下的对数分布规律
《动力气象学》电子教案一编著、主讲:成都信息工程学院大气科学系李国平教授制作:林蟒、李国平 中性层结中,湍流仅决定与下垫面的动力作用。离下垫面越近,l就越小。 Randt假定l是z的线性 函数l=k,k是卡曼( Von Karman)常数(0.35~0.2,一般取0.4) 图15 T von Karman(1881-1963),美国著名的力学及流体动力学家 kz (17) av dv v. 1 (18) az d k 利用下边界条件:L=0 ≤h) 自然对数分布规律 作业1:cha.1 链接2D函数绘图软件 Graphmatica演示直角坐标系和对数坐标系中风的对数分布律
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平 5 中性层结中，湍流仅决定与下垫面的动力作用。离下垫面越近，l 就越小。Prandtl 假定l 是 z 的线性 函数l kz = ， k 是卡曼（Von Karman）常数（0.35～0.42，一般取 0.4） 图 1.5 T. von Karman (1881-1963)，美国著名的力学及流体动力学家 ∴ * V kz V z ∂ = ∂ （1.7） * V dV V 1 z dz k z ∂ = =⋅ ∂ （1.8） 利用下边界条件： 0 0 z z V = = ∴ * 0 V z V Ln k z = （ 0 s z zh ≤ ≤ ） （1.9） ——自然对数分布规律 作业 1：cha.1—4 链接 2D 函数绘图软件 Graphmatica 演示:直角坐标系和对数坐标系中风的对数分布律