边界层重要知识点归纳

边界M戛学问点归纳第一章♦|大气边界层的定叉|大气的最低部分受下垫面（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的厚度差异很大，平均厚度为地面以上约1km的范围，以湍流运动为主要特征叁I细分为近地层一大气边耳层下出侬1/10的厚度内）和Ekman层”9=oBaf=0AB=ab+AB|大气边界层的主要茸征I（i）大气边界层的主要运动形态一般是湍流不规章性和脉动性

（2）大气边界层的日变化气象要素的空间分布具有明显的日变化【大气边界层湍流

①机械湍流风切变，机械运动；

②热力湍流辐射特性的差异；】|大气边界层的分层|⑴粘性副层（微观层）

（2）近地层（常通量层）

（3）Ekman层（上部摩擦层）【

（1）.粘性副层（微观层）分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力

（2）.近地层（常通量层）大气受地表动力和热力影响剧烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略

（3）.Ekman层（上部摩擦层）在这一层里，湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变】|大气边界层厚度边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米海洋上由于海水上层剧烈混合使海面温度日变化很小陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环进展的结构:♦大气边界层丽:

（1）混合层

（2）残留层日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结

（3）稳定边界层夜间，与地面接触的残留层底部渐渐变为稳定边界层其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速经常减弱或静风，但高空200m左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风其次章愠画流体运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化|雷诺数|——湍流判据，特征Re数定义=特征惯性力/特征粘性力；它表示了流体粘性在流淌中的相对重要性Re》1粘性力相对小（可忽视），大Re数流体，弱粘性流；Re《1惯性力相对小（可忽视），小Re数流体，强粘性流；Re=l二者同等重要，一般粘性流；惴流的基本特御

（1）随机性；

（2）非线性；

（3）集中性；

（4）涡旋性；

（5）耗散性惴流的定量描迅湍流运动的极不规章性和不稳定性，并且每一点的物理量随时间、空间激烈变化，湍流的杂乱无章极随机展

④国献渤坟数理统计的方法加以讨论大气湍流讨论中常见的统计参数有方差、协方差、相关系数等|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+脉动运动雷诺平均I大气湍流的能量谱卜当湍流达到充分进展的状态时，其能谱可以分为三个区含能区、惯性区与耗散区含能区——在该区内普函数取决于风速、粗糙度和边界层厚度等特征量惯性区—-典型长度尺度（波长）比离地表面距离小该区内湍能只是从较大的涡传递给较小的涡能量既不增加也不损耗只是起到由低频向高频的惯性传递作用该区内湍流可以近似地看做是局地各向同性耗散区—-随着涡旋尺度的减小由于受粘滞性的影响越来越强能量损失不断增大该区内湍能渐渐被耗散惴流通量I——流体运动对物理量起输运作用，产生通量湍流运动同样具有输运作用通量可以分成平均和湍流两部分对于与平均风速（即平流）有关的通量，可表示为❖I基本思想和方法.边界层的基本掌握方程.雷诺平均把方程中的因变量绽开成平均和脉动量两部分.求方程的雷诺平均的湍流平均变量的方程.采用连续性方程通量形式的方程.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.将湍流脉动量方程乘以速度脉动量湍流通量方程.将基础方程乘以2倍中湍流脉动量方差方程（湍流能量方程）Boussinesq近似的基本彳发定:1）流体中的动力粘滞性u=PV是常数；2）流体中的分子导温系数K是常数；3）大气属于浅层流体，垂直范围约10km;4）描写流体热力状态的特征量可以再示为第三章♦质量守恒方程平均量方程脉动量方程，“彳能量收支方程°’=5石热流量方程运动方程闭合问题阶闭合1阶闭合2阶闭合混合长理论|z方向的脉动速度小，造成特性量的脉动值与特性量平均值的梯度成线性比，比例系数r称为混合长，这就是|普朗特混合长理论|的主要内容|大气边界层运动的特点|1）必需考虑地球自转的影响一一引进柯氏力作用；2）大气密度不匀称一一垂直方向上不匀称的层结流体；3）大气水平方向空间尺度远大于铅直方向一一浅层流体；4）大气边界层主要是湍流运动|近地层的重要痔寻

①近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度转变），各种通量近似为常值，故称为|常值通量凰湍流淌量通量二常量湍流热通量二常量湍流水汽通量二常量大气受地球表面的动力和热力的剧烈影响，气象要素的垂直变化激烈，比边界层的中、上部更为显著；运动尺度较小，科氏力可略去不计，风向随高度几乎无变化在Ekman层，湍流粘性力和柯氏力及气压梯度力同样重要，三者具有相同量级，风向随高度的切变不能忽视，气象要素随高度的变化比较平缓❖下式即为中性近地层风速随高度分布的对数律积分常数C由边界条件确定当湍流系数远小于分子运动学粘性系数，则湍流粘性可以忽视，即|光滑流卜当湍流粘性远大于分子粘性即|粗糙流❖---0长度I假如将所得的解画成风矢端轨迹图，即是所谓Ekman螺线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），最终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增加而增加，随参数f削减而增加的|边界层高度的确定主要因素看|

①动力因素考虑，即风随高度的变化取风向达地转风的高度；风速达地转风的高度；风速达最大值的高度；

②热力因素考虑将温度梯度变为自由大气所具有的值的高度；温度梯度明显不连续的高度；温度日变化特别小，接近消逝的高度；

③能量角度考虑湍流能量接近消逝的高度；湍流应力接近消逝的高度等|对流边界层的基本特征|1）对流边界层的进展不是依靠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，由于剧烈的混合作用，对流边界层的主体部分气象要素梯度很小；在中等以上不稳定时，温度和风随高度接近匀称分布，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提升冲击，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匀称，具有整体的空间结构以及较强的时间相关|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，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）稳定边界层的湍流结构在空间和时间上消失不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存3）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在地面的动力或热力强制作用下，在新的下垫表面上空将形成一个|内边界层

①下垫面的动力非匀称性动力内边界层

②下垫面的热力非匀称性热力内边界层|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❖局地环流:下垫面性质不匀称（如陆地和水面、沙漠和植被）和地形起伏不公平动力因素和热力因素的变化，都能引起地方性的气流变化这种局地环流一般是中、小尺度的，范围从几公里到一百多公里，其中最常见的是山谷风和海陆风*|海陆风|在大水域（海洋和湖泊）的沿岸地区，在晴朗、小风的气象条件下，边界层内常观测到向岸和离岸风的交替变化白天涯界层下部的气流来自海面，称海风夜间则风向相反，称作陆风

①大气边界层的主耍运动形态一般是湍流不规章性和脉动性从而使湍流淌力场的瞬时值在空间和时间上的变化过程特别简单风和气流的三种主要形态平均风速；波动；湍流

②午后观测的风速纪录风速变化的不规章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；湍流有一个可度量的和确定的强度一一有界性；很多风速变化的时间尺度相互叠加而成一一湍流谱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

①近地面层中不同大气稳定度下的典型风廓线

（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，上层的动量快速下传使低层风速增大，因此风速廓线呈下凹状（中午）；

（3）而稳定层结时相反，湍流受到抑制，不利于上层动量下传，故低层风速较小，使风速廓线呈上凸状（傍晚）还是以PPT为主，这只占重要学问点中的75%。