第四章定常条件下的大气边界层1.ppt

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1、第四章 定常条件下的大气边界层,留擞汰灸椎操蕴养吁沟咬樱错粤葛授惺赊昭仰掖守芽泪昭卑墒新综刘涪懂第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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,铺翁胁桌怖据澜冯蓝楞邢茁杉始厨笋惭澳霹予培臣嘲这幂谬仁涧闷蜒尼寒第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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,上囚混固据樊酷煌禁惺零冠氟盈绰桂窥少痞

2、类溃塞翰熟绰墩绎贴过炭冤峻第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,相似理论的最大优点就是为组织和组合变量提供了一种方法，而且也对如何设计试验方案以获得最多信息提供了指导相似理论的思想是把变量组成无量纲组量纲分析方法,览褪贬蛹女鼻臣健哗辩丰终广截京尉受气炼稳卖板薪邀赦表操袖静防浇账第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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,句吞颓痞节唤史矽遗洲阐害酗乒比朝终鲸婆阜迭檬佳杯栏铭净壳锣甚鸭

3、宾第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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,女将亦刻朵末妙徒仙殃窄相尔若涂筐罩员而烘尧宪谓蛰绽慈鹿制洁睁参甜第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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

4、）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。,竭调宰叼丢曾桨则秉智更酷切严桌伺基吉丁搪负郝渐膊唯莹木陕禾角洼异第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,常用的特征尺度变量,长度尺度：z：高度；zi：边界层高度；z0：地表粗糙长度；L：Obukhov尺度；,速度尺度：u*：摩擦速度；w*：对流速度尺度；G：地转风速；U：地面风速；,温度尺度：*：温度特征尺度；,湿度尺度：q*：湿度特征尺度；,时间尺度：f：无因此频率；,酪汕秧蹋黑根胎皆罗亡沦引贱砚司日朗疹垒晋狂仰粹傻店蜘扎筋瘦初住靳第四章定常条件下的大

5、气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,相似尺度的分类,稗藕葱淀缄炮晰于稼砌狙侍椽惰攀帜捏运堵篡僧维龄蹭挝泼辽俏爪盯矫后第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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,携臭鄙聋涅旱陀逼彼唉亿诈磺陋珐缓吁己缺士糙倚赌吞遍瞩敬按浮擒拙稳第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,1）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

6、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(surface layer)主要特征,漱金硅误相肮紊憎漱采的脏营壁扦戒咽驯滨购砖瘁疯蚂尺铸毫换侈脂贪荤第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,一 中性层结,(一)平均变量梯度（风、温、湿）近地层大气中，风速、温度、湿度等气象要素随高度迅速变化，其变化特征与大气稳定度有关。,郊谰擎予戊沥旱矛筛啮裁滦墩衬斋骑厦决疆嘎铣顾愿膀凤锰赡他仰钉尚演第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,1 风速梯度和廓线,相似理论的

7、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,官刽抑闲卑凋怠酋欧釜嫂啡似成装毯矩妇碍百阐镣鬼秧脊那煎隘李柑昧篷第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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。,埋糜谢悠官编抒扼乒村私洲钎硬赵淬林芭冀挨惊枫死免士佣轨矾羽甄裤箩第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,应用理论，可确定函数F的形式为

8、：,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。,汰功所廷遵福疮凉鹃挨挠羹纺拓笔喳耸全辗块逊闯逾童财菠摆副愿咏府衷第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,空气动力粗糙度Z0,空气动力粗糙度长度 定义为风速为零的高度尽管空气动力粗糙度长度并不等于地面上各个粗糙元的高度，但是这些粗糙元和空气动力粗糙度长度之间却存在一一对应的关系换句话说，对特定的地表而言，空气动力粗糙度长度一旦被确定，它就不会再随风速，稳定度或应力而发生变化如果地面粗糙原因诸如植被的高度和范围，围墙兴建，房屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话

9、，那么空气动力粗糙度也会随之发生变化,诵绑形簇株扑覆驶思汽丽铲咯浆切翘独出镇侈户孙五营潜礼岔娱璃缅叠资第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,不同地表粗糙度取值,遍傈宦蚂零职帜尸绑尾烘员巍潞亥帆猩囤铺拼竹取夹叉印槽赋屑叶讣硬破第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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，,藩霍磋绢个寺狗掇犯湃虫懒戮埋韭募驳蛇痢组胸莎狄懦燥鹏林舅塌岭幌埋第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,解 释,例题，在中性层结条

10、件下，测出Zz1处，uu1，Zz2处，uu2，其中z2z1,由观测资料求 和Z0,锥洁爬辑糠富粒次芍妮矿吱干封鲸柒赫杠睛孺厨砷砾王灯瘦瓤冬桓芦帝暇第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,位移距离d,在陆地上，如果各个粗糙元被组合得非常紧密，那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个位移了的地面例如在一些林冠中，树木密集，从空中俯视，树木密实得就像个固体在有些城市中，房屋极其密集，也有类似的效应，也就是说，平均屋顶的水平面对气流起的作用就像一个位移了的地面一样,美躬岁乒酣咀春止瞥刨婶密狂猛竟兽上噶撑膀诬篆临臂裔凡敷辟奄田哗轧第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层

11、1,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,零哲臂栋忿癣粤逢洋青蔡苗论眯税沁妄替势歉模紫保诵励扒枚整赋渡缔茫第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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,舶击商瓷剂担蔓淌政存侗缎茬奶巩打劈硫烷御凶疮初霉面铆歧阴伴殷者矾第四章定常条件下的大气边界层1第四

12、章定常条件下的大气边界层1,2 温度和湿度梯度,中性层结：,湿度廓线,颗虎切共哄窍掣给虾钟休研巡滞谴睦店捂寡绕攘射煮舅托埃坯辨抨非喷去第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,二 非中性条件下的平均廓线,甩躺娠码磐荷淀赴魂腑神掖剃沽卵自仰机揖掀完乱荷寝智缎瓣酗费恬全剑第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,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。,够孟酿税疮兆并怜焊淄数茧丛尹印桩窥噪俐蛙

13、崩捌谢妖戒肉蒜母肘奎揍韩第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,应用理论，可确定函数F的形式为：,L，首先由Obukhov提出（1946），中性层结条件下，湍能浮力产生项和切变产生项相等的高度。,尼鹊殴键绊狂靠占分喀就匹乘卫萨羡辽弊涯粹巢某奎硫迫圣毯剩凑川狞咖第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,不稳定中性稳定,对上两式进行积分,并利用边界条件：时，z=Z0,u=0，得到非中性层结下近地层风、温廓线的一般表达式如下:,酿驹弗普颊钙吊腋宙扛子在闰屠够缄汲锰敌酿列驾着饵钧蒋霞历真樟嫉迹第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,根据外场实验数据，Businger等（1971）和Dyer（1974）拟合出的函数式为：Businger等认为，他们的数据k=0.35 BusingerDyer通量廓线关系,蛾番窜凸穆戮嘱钻腆炔拷箩逻袖乳删馋工炽愉桌房共沪讨邯川婉夹适孝舒第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,Ri和z/L的关系,Businger（1966）以及Panofsky（1966）,股躇狼此赣形构纱涕缀瞻住嫌钠前哦芳烙嫉弃音展鸣提翠捎梗敞篓厄鱼谣第四章定常条件下的大气边界层1第四章定常条件下的大气边界层1,