大气行星边界层第七章.ppt

第七章大气边界层,大气边界层（AtmosphericBoundaryLayer)或称为行星边界层（PlanetaryBoundaryLayer),简称A.B.L.(ABL)或简称P.B.L.(或者PBL),大气边界层的定义：与地表直接接触，厚度约为1-1.5km、受分子粘性、湍流摩擦等动力、热力过程影响，具有湍流特性的大气层。,由图1可见，边界层是与地表面直接接触的大气最底层，由于受到地表面热力-动力作用的影响，大气运动的层流状态受到干扰和破坏，形成了各种大小不同的不规则涡旋，因此这一层内空气具有明显的湍流运动特征。,大气边界层的特征：几何学特征：D不稳定,第七节上部摩擦层的风随高度的分布Ekman螺线,上部摩擦层（Ekman层）中，近似满足三力平衡：,由于湍流粘性力的作用，风要穿越等压线，从高压指向低压。,二、定解问题求解u(z),v(z)三力平衡：,X方向的湍流粘性力为：,垂直项的输送水平项的输送,根据混合长理论,令：,把x轴取在等压线上，则：,且设：,二元二阶常系数的微分方程组,二、上部摩擦层中风随高度的变化,把方程组写作矢量方程：（解二元方程比较繁琐）,一个未知数，一个方程，但求解矢量方程存在困难，引入复数解法。,矢量与复数在几何表达上具有一致性,再由(1)i(2)得：一元二阶常系数非齐次方程：,令：复地转偏差,特征根：,令：,上部摩擦层中风速随高度的变化：,风速大小：,风速与地转风向（x向）夹角：,风向随高度右旋。风速增大,Ekman螺线：上部摩擦层中，在湍流粘性力、科氏力和压力梯度力平衡之下，各高度上的风速矢端迹在水平面上的投影。,所以，上部摩擦层中，风随高度的分布满足Ekman螺线律。,三、Ekman螺线的性质：,1、风向随高度的变化,（1）,（2）右旋,某一高度hB，风向第一次与地转风向一致，即满足：,当n=1时，,梯度风高度。,定义：风向第一次与地转风向一致的高度，称为梯度风高度。,通常取梯度风高度为边界层顶的高度：,（3）随,风向在地转风向附近摆动，幅度,，风向,地转风向。,2、风速随高度变化,（1）,（2）,，直至,（3）,，V也是在地转风速附近摆动，幅度,综合1，2,(4)根据,上式给出地转偏差与湍流摩擦力的关系，在北半球，面向地转偏差的方向，湍流摩擦力方向与其垂直且指向其左方。,4、上部摩擦层中的风压关系,由于湍流粘性力的作用，风要穿越等压线，从高压指向低压。,思考题:已知上部摩擦层中某高度上的实际风与地转风如图所示，请分析该层上湍流粘性力的方向？,第八节二级环流与大气旋转减弱,1、物理分析,在边界层中，三力平衡下，风要穿越等压线，从高压指向低压，则气旋区产生辐合上升，反气旋区产生辐散下沉。这种边界层顶的垂直运动，称为Ekman抽吸。,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。如果将水平面上的气旋、反气旋，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，为二级环流,二级环流的作用：使边界层与自由大气发生物理量交换。,（1）从角动量的角度看：,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,边界层角动量增加，以补偿耗散。,（2）从涡度角度看。,注：自由大气中忽略耗散，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。,二、Ekman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。(设X轴沿等压线),将Ekman层中风随高度分布的解v(z)代入得：,上式表明，对一个铅直伸展达整个埃克曼层的单位面积气柱来说向低压一侧的净质量输送与地转风及埃克曼标高成正比。,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，反气旋（高压）产生耗散下沉，在边界层顶产生垂直运动。由辐合量得到相应的垂直速度。下面讨论由质量辐合所引起的摩擦层顶的铅直速度。,利用不可压缩流体的连续方程（认为边界层中为常数）：,下边界条件：Z=0,W=0则边界层顶（Z=hB）的垂直速度WB为：,由此可见，边界层顶的垂直运动与地转风涡度成正比，该关系式建立了边界层与自由大气之间的联系。,这种联系的表现为：,通过垂直运动，自由大气和边界层形成了质量和其他物理量的交换，自由大气中动量大的空气通过下沉运动，被吸入边界层，边界层中动量小的空气通过上升运动被抽入自由大气。,三、大气旋转减弱（考察）,假设：不计气块的大范围南北移动，即在正压涡度方程中不考虑效应。,代入不可压的连续方程,考虑初始条件,由此可知，由于Ekman抽吸使地转风涡度随时间呈指数衰减；若称使地转风涡度g衰减至初始地转风涡度g0的1e倍所需的时间为旋转衰减时间，则由上面关系式求得的旋转衰减时间为：,这与天气系统实际消亡时间尺度相近。,可以表明：这种机制是引起天