边界层气象学
边界层气象学试题库
一、名词解释 (每小题 6 分，共 30 分) 1. 雷诺数 Re ≡UL/v=特征惯性力/特征粘性力。Re 数是判断两粘性流体运动是否相似的重要判据之一。 2. 总体理查逊数 R b =g θv ????θv ????z θv ???[(?U ?)2+(?V ?)2] 3. 雷诺平均 对于任一物理量，当定义平均值后，可将湍流运动表示为 湍流运动=平均运动+脉动运动。而将任意实际物理量表示为：A =A ?+A′，则为雷诺平均。 4. 大气边界层 大气的最低部分直接受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。大气边界层厚度的时空差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。 大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气：（1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用； （2）地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日周期的循环。 5. 定常湍流 如果这些湍流统计参数不随时间变化，就称为平稳湍流或定常湍流；此时，足够长时间的平均即接近于总体平均。 6. 均匀湍流≡ 如果统计参数不随空间变化，称之为均匀湍流；此时，足够大的空间平均也接近于总体平均。 7. 普朗特混合长 湍流运动中，单位质量的流体微团含有某种特性量q ，如果① q 是被动的，即不影响流体的运动情况； ② q 是保守的，即在运行距离 之后，q 值守恒。在湍流运动过程中特性量q 保持不变（失去原有特性）前所走过的距离，称之为混合长。 8. 常值通量层 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改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层。常值通量层通常指的是动量常值通量层。 9. Monin-Obukhov 长度 L =?u ?3k g θw ′θ′??????=u ?2k g θθ? 10. 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，即动力内边界层。 11. 热力内边界层 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， /2l
边界层理论
1.边界层理论概述 (1) 1.1 边界层理论的形成与发展 (1) 1.1.1 边界层理论的提出 (1) 1.1边界层理论存在的问题 (2) 1.2 边界层理论的发展 (2) 2边界层理论的引入 (3) 3 边界层基础理论 (4) 3.1 边界层理论的概念 (4) 3.2 边界层的主要特征 (6) 3.3边界层分离 (7) 3.4 层流边界层和紊流边界层 (9) 3.5 边界层厚度 (10) 3.5.1 排挤厚度 (11) 3.5.2 动量损失厚度 (11) 3.5.2 能量损失厚度 (12) 4 边界层理论的应用 (14) 4.1 边界层理论在低比转速离心泵叶片设计中的应用 (14) 4.2 边界层理论在高超声速飞行器气动热工程算法中的应用 (14) 4.3 基于边界层理论的叶轮的仿真 (15) 参考文献 (17)
1.边界层理论概述 1.1 边界层理论的形成与发展 1.1.1 边界层理论的提出 经典的流体力学是在水利建设、造船、外弹道等技术的推动下发展起来的，它的中心问题是要阐明物体在流体中运动时所受的阻力。虽然很早人们就知道，当粘性小的流体（像水、空气等）在运动，特别是速度较高时，粘性直接对阻力的贡献是不大的。但是，以无粘性假设为基础的经典流体力学，在阐述这个问题时，却得出了与事实不符的“D'Alembert之谜”。在19世纪末叶，从不连续的运动出发，Kirchhoff，Helmholtz，Rayleigh等人的尝试也都失败了。 经典流体力学在阻力问题上失败的原因，在于忽视了流体的粘性这一重要因素。诚然，在速度较高、粘性小的情况下，对一般物体来说，粘性阻力仅占一小部分；然而阻力存在的根源却是粘性。一般，根据来源的不同，阻力可分为两类：粘性阻力和压差阻力。粘性阻力是由于作用在表面切向的应力而形成的，它的大小取决于粘性系数和表面积；压差阻力是由于物体前后的压差而引起的，它的大小则取决于物体的截面积和压力的损耗。当理想流体流过物体时，它能沿物体表面滑过（物体是平滑的）；这样，压力从前缘驻点的极大值，沿物体表面连续变化，到了尾部驻点便又恢复到原来的数值。这时压力就没有损失，物体自然也就不受阻力。如果流体是有粘性的，哪怕很小，在物体表面的一层内，流体的动能在流体运动过程中便不断地在消耗；因此，它就不能像理想流体一直沿表面流动，而是中途便与固体表面脱离。由于流体在固体表面上的分离，在尾部便出现了大型涡旋；涡旋演变的结果，就形成了一种新的运动“尾流”。这全部过程是一个动能损耗的过程，也是阻力产生的过程。 由于数学上的困难，粘性流体力学的全面发展受到了一定的限制。但是，在粘性系数小的情况下，粘性对运动的影响主要是在固体表面附近的区域内。 从这个概念出发，普朗特（Prandtl）在1904年提出了简化粘性运动方程的理论——边界层理论。即当流体的粘度很小或雷诺数较大的流动中，流
什么是边界层
什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。大气边界层厚度,一般白天约为1.0km,夜间大约在0.2km左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。 什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。从1915年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。1905年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。1961年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。1954年, Monin和Obukhov[5]提出了具有划时代意义的Monin—Obukhov相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。1982年,Dyer[6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。1971年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。从20世纪70年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现,大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。简洁地概括,对大气边界层物理结构研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验,即澳大利亚实验的Wanggara和美国的Min-nesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。相似性理论是大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一,在建立了比较成熟的用于描述大气近地面层的Monin—Obukhov相似性理论以后,人们开始寻求类似的全边界层的相似性理论。国际上,除Neuwstadt[8]、Shao[9]等做了大量工作外,我国胡隐樵等以野外实验验证了局地相似性 理论,并建立了各种局地相似性理论之间的关系。张强等还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。自1895年雷诺平均方程建立以来,该方程组的湍流闭合问题是至今未解决的一个跨两个世纪的科学难题。人们发展湍流闭合理论,以达到能够数值求解大气运动方程,实现对大气的数值模拟。闭合理论有一阶局地闭合理论即K闭合。1990年HoIt-sIag[12]在1972年理论框架的基础上,用大涡模拟资料对K理论做了负梯度输送的重大修正。为更精确地求解大气运动方程,也为了满足中小尺度模式,特别是大气边界层模式刻画边界层湍流通量和其它高阶矩量的目的,高阶湍流闭合技术也开始被模式要求。由于大气边界层研究是以野外探测实验为基础的实验性很强的科学,我国以往由于经济落后,无法得到第一手的实验资料,研究相对落后,与国外相比,总体上差距在20a左右,但我国学者在大气边界层的研究中也有其特殊贡献:1940年周培源先生[13]提出的湍流应力方程模式理论,被认为是湍流模式理论开始的标志,这一工作奠定了他在国际湍流研究领域的崇高地位。苏从先等在上世纪50年代给出的近地面层通量廓线与当时国外同类研究同步,被国外学者称为“苏氏定律”,在上世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构。上世纪70年代周秀骥[16]提出的湍流分子动力学理论也很有独特的见解。1981年周 明煜[17]提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认识。上世纪80~90年代赵鸣[18]对边界层顶抽吸作用的研究是对Charney—Eiassen公式的很好发展。在20世纪90年代的“黑河实验”中,胡隐樵等和张强[19]首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿,并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征等等。国内外有关大气边界层和大气湍流的专著
气象学测试题(做)
第一章地球大气 第一节大气的组成 1.大气由干洁大气、水汽和大气杂质所构成 2.大气中的臭氧主要集中在10~50 km高度，称为大气臭氧层，其最大浓度层出现在20~30 km高度处。 3.大气臭氧层能够强烈吸收太阳紫外线辐射，形成平流层逆温，并对地球生物形成重要的保护作用。 4.大气中的二氧化碳、甲烷等能够强烈吸收地面辐射并放射大气辐射，对地面形成温室效应。 第二节大气的铅直结构 1.根据大气温度随高度的分布特点和大气铅直运动的状况，可将地球大气层分为对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层。 2.对流层中存在着强烈的平流、对流和乱流运动。 3.对流层分为下层（摩擦层、行星边界层）、中层、上层和对流层顶。 4.贴地层是指距地面2 m的气层。 5.对流层和中间层大气的温度随高度的增加而降低，对流运动强烈。 6.平流层和热成层大气的温度随高度的增加而升高。 7.习惯上将极光出现的最大高度（1000~1200 km）作为大气上界。 第三节气象要素 1.气象要素包括日照、辐射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度、天气现象等。 2. 天气现象是指大气中或地面上产生的降水、水汽凝结物（云除外）冻结物、干质悬浮物和光、电现象，也包括一些风的特征。 第二章辐射 第一节辐射的基本知识 1.太阳短波辐射：l mm，lM＝ mm 0.1~4微米 8 地面长波红外辐射：l 3～80mm，lM＝10mm 大气长波红外辐射：l 4～120mm，lM＝15mm 2.辐射通量密度：单位时间通过单位面积的辐射能。单位J/(s^m2) 或 W/m2。 3.光通量密度（照度）：单位面积上接收的光通量。单位： lm/m2（流明）。 第二节太阳辐射 1. 太阳高度角（h）：太阳光线与地平面之间的夹角。 2.正午时刻的太阳高度角h＝90。 - φ + δ（φ观测点纬度，δ观测时间的太阳 倾角即赤纬，太阳直射点纬度） 春秋分δ＝ 0。 ，夏至δ＝ 23.5 。 ，冬至δ＝-23.5 。 3. 太阳方位角：阳光在地平面上的投影与当地子午线之间的夹角。 4. 可照时数（昼长）：一天中从日出到日落所经历的时间数。 5.可照时数北半球冬至→夏至加长，夏至→冬至缩短。 6.可照时数随纬度增加而加长，夏季尤为显著。 7. 光照时间＝可照时数＋曙幕光时间。 8.曙幕光时间夏长冬短，随纬度增加而加长。 9.大气对太阳辐射的减弱方式：吸收作用、散射作用、反射作用。
边界层复习资料
第一章大气边界层基本的概念 1、大气边界层定义，特征 2、大气边界层的垂直分层结构，通常可分为粘性副层、近地面层、混合层 3、边界层发展的日变化，陆上高压区大气边界层通常由三部分组成，对流混合层，残余层，稳定边界层 4、大气边界层按稳定度分类：稳定边界层，不稳定边界层及中性边界层 5、风与气流的流动形式：平均风速、波动、湍流 6、自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态：层流、湍流 7、莫宁-奥布霍夫（Monin－Obukhov）相似理论以及π理论是边界层湍流研究的理论基础， 8、大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力作功两方面。 9、名词解释：泰勒假说 第二章湍流基础 1、湍流的基本特征：随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性 按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：风切变产生的湍流、对流湍流、波产生湍流 2、湍流的定量描述(重点掌握)：平均量和平均法则、雷诺分解、统计量、湍流尺度 大气湍流中，雷诺平均通常有三种平均方式，分别是时间平均，空间平均，系统平均。 第三章大气边界层控制方程（要知道出发方程都是什么，推导方法，拿出来一个方程能够识别出是什么方程，各项对应的物理意义是什么，这章会有个推导题，题目见课件） 1、基本控制方程（状态方程、一个质量守恒方程（连续方程）、三个动量守恒方程（Navier-Stokes方程）、一个热力学能量方程）水汽及污染物的守恒方程形式与热量守恒形式一致 通过Boussinesq 近似得到简化方程，克罗内克符号，交变张量， 2、平均量方程出发方程：Boussinesq 近似方程组 采用雷诺平均的方法，将任意一个物理量表示成平均量和脉动量之和，代入方程组，然后再取平均————大气边界层平均量控制方程，重要：在动量、热量和水汽平均方程组均出现了湍流通量散度项，表现出湍流通量对平均场动量、热量和水汽含量增减的贡献。 P.S 定常、水平均匀，忽略下沉，取平均风速为x轴方向几种假设的含义 3、湍流脉动量方程将出发方程展开为平均量和脉动量相加的形式,与平均量方程相减，即可得到湍流脉动量控制方程。 理论上，用这些脉动量的预报方程可以求解湍流的运动，但是脉动量运动的时间尺度在30分钟以下，并且空间尺度相对精细，这种尺度的求解在实际的气象应用中持续时间太短，难以直接应用～～～～湍流脉动量方程作为寻求湍流方差预报方程、湍能方程以及协方差（通量）预报方程的中间步骤 4、湍流方差预报方程从湍流脉动量方程出发,乘以2u’,2q’,2θ’,2C’，再利用乘
城市边界层气象 第2章 城市辐射特征汇总
第2章 城市辐射特征 辐射是影响区域气候最重要的因子。一个地区由于所处的地理纬度已经决 定了其太阳辐射的天文总量。在城市区域，由于受地表特征和大气污染城市效应的影响，接收的太阳直接辐射有别于同纬度的其它地区。因此，了解城市区域辐射特征，建立城市太阳直接辐射的理论和模式，对城市区域气候和大气边界层的研究具有重要的意义。 2.1 太阳直接辐射基本原理 地表和大气中接收到的太阳直接辐射能量，与地球大气上界的太阳直接辐射 能及随时间的变化密切相关，这是地球上形成气候差异的基本因素。 2.1.1太阳高度的概念 对于在地球上一个地点来说，太阳高度就是太阳入射光方向与地平线之间的夹角，用h 表示。同一束阳光，直射地面时所照射的面积比斜射时小，并且，太阳直射时透过大气的路程较短，被大气吸收和散射程度较小。因此，地面单位面积上所获得的辐射能量必定大于太阳光斜射的地方。太阳直射与斜射的程度可以用太阳高度角来表示。 太阳高度很大程度上决定着地球表面获得太阳能量数量的多少，也是地球上形成四季和五带的重要因素，并且是大气运动和地球上一切生物能量的来源。在大气科学、生命科学和环境科学等多学科中计算太阳辐射能量时，太阳高度是必须考虑的重要因素。 由天文学公式得太阳高度角h 与测点所在的纬度?、太阳赤纬δ和当时的太阳时角0t 的关系式为 0cos cos cos sin sin sinh t δ?δ?+= （2.1） 或 0cos cos cos sin sin sinh cos t Z δ?δ?+== （2.2） Z 为天顶角。观测时的太阳时角0t ，为观测点经圈与太阳重合后，即当地正午，地球自转的角度，正午时刻时角为0，（当太阳在子午面时），此时太阳高度角记
兰大《边界层气象学》17春平时作业3
2017秋春兰大《边界层气象学》17春平时作业3 一、单选题（共5 道试题，共25 分。） 1. 气象塔上仪器的安装高度可根据需要和可能决定，通常___，采用___分布。 A. 上疏下密,对数等间距 B. 上疏下密,对数不等间距 C. 上密下疏,对数等间距 D. 上密下疏,对数不等间距 正确答案： 2. 从能量出发，边界层高度定义为___。 A. 风速达地转风的高度(hv) B. 湍流能量接近消失或湍流应力接近消失的高度 C. 温度梯度明显不连续的高度 D. 风速达最值的高度(hm) 正确答案： 3. 逆温层指的是温度随高度___的某层大气。 A. 降低 B. 升高 C. 不变 D. 视具体情况而定 正确答案： 4. 逆温层形成的主要原因是___。 A. 大气逆辐射的增强 B. 大气逆辐射的减弱 C. 地面冷却通过湍流交换向上传播 D. 太阳辐射 正确答案： 5. 对定常湍流，相关矩和谱函数之间互为___变换。 A. 欧拉 B. 泰勒 C. 拉格朗日 D. 傅里叶 正确答案： 《边界层气象学》17春平时作业3
二、单选题（共5 道试题，共25 分。） 1. 能量是由尺度___的湍涡即___频涡向尺度___的___频涡传输。 A. 小，高，大，低 B. 大，低，小，高 C. 小，低，大，高 D. 大，高，小，低 正确答案： 2. 温度的日变化最根本的原因是___。 A. 地表面温度的日变化 B. 太阳辐射的日变化 C. 海陆热力差异 D. 地球发射的长波发射的变化 正确答案： 3. 阻力规律说明___。 A. 内参数u*和α即由稳定度参数μ和外参数Vg、Ro表达 B. 可由稳定度μ及外参数求地面湍流热通量 C. 通常外参数可由内参数求得 D. 内外参数之间没有对应关系 正确答案： 4. |z/L|越大，则表示___。 A. 大气越稳定 B. 大气越不稳定 C. 大气层结为中性 D. 大气越不稳定或越稳定 正确答案： 5. 当层结很稳定度时，影响局部湍流结构的控制变量变为___个。 A. 0 B. 1 C. 2 D. 3 正确答案： 《边界层气象学》17春平时作业3 三、判断题（共10 道试题，共50 分。）
大气边界层复习材料
边界层气象学复习材料 第一章绪论 1.大气边界层的定义； 第二章大气湍流 1.流体运动的两种形式：层流和湍流 2.湍流发生的两种机制：1.热力作用；2.动力作用。 3.泰勒假设；泰勒假设的基本思想：将空间序列问题转换为时间序 列问题。泰勒假设成立的基本条件：冰冻湍流理论，即在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的。 4.雷诺平均的核心思想； 5.定常湍流、均匀湍流和各向同性湍流的物理含义； 6.傅里叶变换的核心思想； 7.湍流能谱谱区分布及特征； 8.由大气运动方程组推导雷诺平均方程组；包辛涅斯克近似的含义； 9.通量的物理意义：通量是指单位时间单位面积的流体的某属性量 的输送。湍流通量与属性量廓线的关系。 10.湍流动能方程各项的物理意义； 11.K理论； 12.通量里查逊数，梯度理查逊数，整体理查逊数； 第三章大气边界层 1.稳定、不稳定、中性边界层通常多出现在什么天气条件；
2.位温廓线的日变化规律；给定一条典型的位温廓线，要求知道对 应什么时间段。 3.中性层结下风速廓线关系的推导； 4.中性边界层的三力平衡； 5.对流边界层形成的主要能量来源； 6.对流热泡贯穿机制和卷夹层的形成过程； 7.低空急流的形成原因：夜间湍流强度迅速减弱，湍流摩擦力迅速 减小到很低的量级（摩擦力撤除效应），最终导致科氏力引发惯性振荡。 第四章大气扩散 1.影响大气扩散的主要两个气象因子：风、大气稳定度。 2.有界扩散需要考虑地面对污染物的反射作用，相当于同时考虑“实 源”和“虚源”的贡献。 3.影响大气扩散的两种运动：1.平流（输送）；2.湍流（扩散）。 4.五种常见的烟流扩散与大气稳定度之间的关系； 第五章通量观测
边界层理论
3 强制对流流过平板形成的速度边界层和浓度边界层 速度边界层 假设流体为不可压缩，流体内部速度为u b ，流体与板面交界处速率u x =0。靠近板面处, 存在一个速度逐渐降低的区域，定义从0.99x b u u =到u x = 0的板面之间的区域为速度边界层，用u δ表示。如图4-1-3和4-1-4所示。其厚度b u 64.4u x νδ=， 由于b e u x R ν = 所以 x u Re 64 .4= x δ 浓度边界层 若扩散组元在流体内部的浓度为c b ，而在板面上的浓度为c 0，则在流体内部和板面之间存在一个浓度逐渐变化的区域，物质的浓度由界面浓度c 0变化到流体内部浓度c b 的99%时的厚度δc ，即 00.01b b c c c c -=-所对应的厚度称为浓度边界层，或称为扩散边界层。 层流状态时， δu 与δc 有如下关系 δc /δu =(ν/D )-1/3 = Sc -1/3 Sc=ν/D 为施密特数。 δc /x = 4.64Re x -1/2 Sc x -1/3 在界面处（即y =0）沿着直线对浓度分布曲线引一切线，此切线与浓度边界层外流体内部的浓度c b 的延长线相交，通过交点作一条与界面平行的平面，此平面与界面之间的区域叫做有效边界层，用δc ’来表示。在界面处的浓度梯度即为直线的斜率 's b 0)( c y c c y c δ??-== 瓦格纳（C. Wagner ）定义' c δ
速度边界层、浓度边界层及有效边界层 4 数学模型 在界面处(y =0)，液体流速u y = 0=0, 假设在浓度边界层内传质是以分子扩散一种方式进行，稳态下，服从菲克第一定律，则垂直于界面方向上的物质流密度即为扩散流密度J : J = -D (c y )y=0?? 而 's b 0)( c y c c y c δ??-== -----多相反应动力学基本方程 k d 叫传质系数。 有效边界层的厚度约为浓度边界层（即扩散边界层）厚度的2/3，即δc ’=0.667δc 。 对层流强制对流传质，δc ’ =3.09 Re 2/1-x Sc -1/3 x Sh x = D x k d 或 Sh x = x /δc ’ 所以 Sh x = 0.324 Re 2 /1x Sc 1/3 ()(.Re )'//k D D x x x d c Sc = = δ 03241213 若平板长为L ，在x ＝0 ~ L 范围内(k d )x 的平均值（注意到：c S D ν= ，b e u x R ν = ，Sh x = D x k d ）
天气学原理试题库(含答案)
天气学原理试题库（红字是出题时有误） 一、单选题 1 行星尺度是： A 1000千米 B 10000千米 C 100千米 D 10千米 B 2 暖平流是： A 从冷区流向暖区 B 从暖区流向冷区 C 从高压流向低压 D 从低压流向高压 B 3地转风是由于：A 地转偏向力与气压梯度力平衡 B 摩擦力与科氏力平衡 C 气压梯度力与摩擦力平衡 D 摩擦力与惯性力 A 4 气压梯度力是： A 外观力 B 基本力 C 假象力 B 5 地心引力是： A 外观力 B 基本力 C 假象力 B 6 惯性离心力是： A 外观力 B 基本力 C 牛顿力 A 7科里奥利力是由什么原因产生的： A相对运动 B 坐标系旋转c地球吸引 A 8 正压大气是： A 大气密度不随气压变化 B 大气密度仅随气压变化 C 大气密度仅随温度变化 B 9 地转偏差是： A 实际风与梯度风之差 B 地转风与梯度风之差 C 热成风与实际风之差 D 实际风与地转风之差 D 10 锋面是： A 高压与低压交界 B 干湿气团交界 C 冷暖气团交界 D大气与下垫面交界 C 11 冷锋是： A 冷气团强B 暖气团强 C 冷暖气团相当 D 暖、冷和更冷气团相遇 A 12气旋按热力结构可分为： A 热带气旋B温带气旋C无锋和锋面气旋 C 13涡度指的是： A 旋转速度 B 气旋移速 C 辐合程度 D 流体速度旋度 D 14d(f+ξ)/dt=0表示： A相对涡度守衡B局地涡度守衡C曲率涡度守衡D绝对涡度守衡D 15在气旋性环流中 A地转风>梯度风 B 地转风=梯度风 C 地转风<梯度风 A 16温度槽落后高度槽时 A 高度槽加深 B 高度槽填塞 C 高度槽不变 D 温度槽加深 A 17 在高空槽后有 A 正涡度平流 B 有负涡度平流C无涡度平流 B 18 在槽前脊后 A 等压面升高 B 等压面不变 C 等压面降低 C 19 在高空槽后有A 上升运动 B 有下沉运动 C 有气流辐合 B 20对中尺度系统，涡度ξ的量级为 A 10-5 s-1 B 10-6 s-1 C 10-4 s-1 D 10-3 s-1 C 21黄河气旋出现的频率为 A 冬季最多 B 春季最多C夏季最多 D 秋季最多 C 22爆发性气旋多形成在海上， A 冬春季最多 B 秋季最多 D 夏季最多 A 23 青藏高原在冬季表现为 A 热源 B 冷源 B 23平均而言，西风带中夏季维持
第7章节层流边界层理论
第7章层流边界层理论 7.1 大雷诺数下物体绕流的特性 我们知道，流动雷诺数是度量惯性力和粘性内摩擦切力的相互关系的准则数，大雷诺数下的运动就意味着惯性力的作用远大于粘性力。所以早年发展起来的非粘性流体力学理论对解决很多实际问题获得了成功。但是后来的实验和理论分析均发现，无论雷诺数如何大，壁面附近的流动与非粘性流体的流动都有本质上的差别，而且从数学的观点来看，忽略粘性项的非粘性流体远动方程的解并不能满足粘性流体在壁面上无滑移的边界条件，所以不能应用非粘性流体力学理论来解决贴近物面的区域中流体的运动问题。 1904年普朗特第一次提出边界层流动的概念。他认为对于如水和空气等具有普通粘性的流体绕流物体时，粘性的影晌仅限于贴近物面的薄层中，在这一薄层以外，粘性影响可以忽略，应用经典的非拈性流体力学方程来求解这里的流动是可行的。普朗特把边界上受到粘性影响的这一薄层称之为边界层，并且根据在大雷诺数下边界层非常薄这一前提，对粘性强体运动方程作了简化，得到了后人称之为普朗特方程的边界层微分方程。过了四年，他的学生布拉修斯首先运用这一方程成功地求解了零压力梯度平板的边界层问题，得到了计算摩擦阻力的公式。从此，边界层理论正式成为流体力学的新兴分支而迅速地发展起来。 图7-1 沿薄平板的水流 简单的实验就可以证实普朗特的思想。例如沿薄平板的水流照片(见图7-1)和直接测量的机翼表面附近的速度分布(见图7-2)，即可以看到边界层的存在。观察图7-2示中的流动图景，整个流场可以划分为边界层、尾迹流和外部势流三个区域。 在边界层内，流速由壁面上的零值急速地增加到与自由来流速度同数量级的值。因此沿物面法线方向的速度梯度很大，即使流体的粘性系数较小表现出来的粘性力也较大。同时，由于速度梯度很大，使得通过边界层的流体具有相当的涡旋强度，流动是有旋的。 当边界层内的粘性有旋流离开物体流入下游时，在物体后面形成尾迹流。在尾迹流中，初始阶段还带有一定强度的涡旋，速度梯度也还相当显著，但是由于没有了固体壁面的阻滞作用，不能再产生新的涡旋，随着远离物体，原有的涡旋将逐渐扩散和衰减，速度分布渐趋均匀，直至在远下游处尾迹完全消失。 在边界层和尾迹以外的区域，流动的速度梯度很小，即使粘性系数较大的流体粘性力的影响也很小，可以把它忽略，流动可以看成是非粘性的和无旋的。
大气边界层气象学研究综述
文章编号:1006-7639(2003)-03-0074-05 大气边界层气象学研究综述 张 强 (中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃兰州 730020) 摘 要:文中回顾了大气边界层气象学的发展历史,总结了目前大气边界层气象学的主要进展,并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题,以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议,同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。 关键词:大气边界气象学;研究进展;主要问题;发展方向中图分类号:P404 文献标识码:A 引 言 什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。大气边界层厚度,一般白天约为1.0km ,夜间大约在0.2km 左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。 1 大气边界层气象学发展历史 大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科,大气边界层气象学的发展,不仅受到观测系统和探测技术的制约,也受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响,并随着它们的发展而发展。大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,研究大气和它下垫面(陆面和洋面)相互作用以及地球—大气之间物质和能量交换的一门新型气象学科分支。 什么是湍流?英文湍流为“turbulence ”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没 有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。从1915年由Taylor [1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley [2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。 1905年Ekman [3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman 螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。1961年,Blackadar [4]引入混合长假定,用数值模式成功地得 到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。 行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。 从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。1954年,Monin 和Obukhov [5]提出了具有划时代意义的Monin —Obukhov 相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。1982年,Dyer [6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE 对其进行完善,使得该理论有了极大的应用 价值。1971年Wyngaard [7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。 从20世纪70年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 收稿日期:2003-07-23;改回日期:2003-09-10 作者简介:张强(1965-),男,甘肃靖远人,研究员,主要从事大气边界层、陆面过程、绿洲气象学、中尺度数值模拟和城市大气环境等领域 的研究. 第21卷 第3期2003年9月 干 旱 气 象ARID M ETEOROLO GY Vol.21 NO.3Sep ,2003
边界层重要知识点归纳
边边界界层层重重要要知知识识点点归归纳纳 第第一一章章 大气边界层的定义：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。还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。 大气边界层的主要特征：（1）大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和 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：(1)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强烈，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：由于海水上层强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、周日循环发展的结构。 大气边界层结构：（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逐渐变为稳定边界层。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常常减弱或静风，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。 第二章 湍流：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动中的相对重要性： （1）Re 》1，粘性力相对小（可忽略），大Re 数流体，弱粘性流； （2）Re 《1，惯性力相对小（可忽略），小Re 数流体，强粘性流； ν /Re UL ≡
大气边界层在高雷诺数下的模拟结果
大气边界层在高雷诺数下的模拟结果 3.1 不同亚格子模型对大气边界层数值模拟结果的影响 在不可压缩湍流中，亚格子涡粘模型采用分子粘性的形式[19]，即： 123ij ij t ij kk S τνδτ-=+ (1) 在公式(1)中，t ν为亚格子涡粘系数， _ij S 是可解尺度的变形率张量。可以看出，在涡粘模型中，加上涡粘系数后，就可以使用纳维斯托克斯方程直接数值计算，其中，涡粘系数是需要对其封闭的，可以有不同的形式。 将亚格子涡粘模型(1)代入到大涡数值模拟的控制方程中，可以得到大涡数值模拟控制方程[12]： _()()3i j j i kk j i j j i u u u u u p t x x x x x τνν--- --??????+=-+++?????? ， 1Re t νν=+ (2) _ 0i i u x ?=? (3) 可以看出，代入亚格子涡粘模型和涡扩散模型后，湍流控制方程的变化只是在分子扩散系数上加亚格子涡粘系数，下面给出亚格子涡粘系数的两种形式。 3.1.1 Smagorinsky 模式 在大涡模拟中将雷诺平均混合长度模式推广，得到原始的Smagorinsky 模式，混合长度模式的涡粘公式[20]为： '2 t u u l l y ν?<>∝∝? 令l =?，那么在二维空间中有： 2()2ij ij u S S y ?<>=<><>? 将上式推广到三维空间中可得到如下关系： 1 2 2(2)t ij ij l S S ν∝<><> 同样，令l =?，将平均运算改为过滤运算，并引入模型常数后，可将亚格子涡粘系数写成以下形式：
__222t S ij ij C S S ν=?<> (4) 在实际模拟计算中发现模型常数明显偏大,Smagorinsky 模式的致命缺点是耗散比较大，下面利用近壁阻尼函数，对Smagorinsky 系数进行修正，从而减少耗散[19]。 对Smagorinsky 系数S C 做如下修正： 0.18[1exp(/)]s C y A ++=-- 式中/y yu τν+=，26A +=，[1exp(/)]f y A ++=--称为近壁阻尼函数。 3.1.2 动力模式 涡粘[13]和涡扩散模式在工程计算中有普遍的应用。但因其导出过程以均匀各向同性湍流为基础，实际流动中的复杂湍流并不满足这些条件，所以通过对亚格子模型的改进，使这种模式适应局部湍流的结构，下面介绍的动力模式是经过改进的亚格子涡粘模型。 动力模式在模拟过程中使用了两次过滤，假定过滤过程是线性的，且有12?>?，由1?、2?过滤产生的亚格子应力和连续两次过滤产生的亚格子应力 可得到如下关系： 13ij kk ij D ij L L C M δ-= 因为上式为超定方程，所以不能直接计算系数D C ,但有以下几种方法来解决超定 问题[14]。第一个为变形率张量收缩法，即将上式两边同乘以可解尺度的变形率张量。但是实际计算表明，用这种方法计算的模式系数很不规则，而且计算过程中的稳定性较差；第二种为最小误差法，令这个超定方程两边的平方差最小，即： 2 103ij kk D ij D L L C M C ???--=????? 可得到： ij ij D ij ij M L C M M = (5) 在式(5)中，ij L 和流动的形态有关，ij M 和模式的形式有关。最小误差法比变形 率张量收缩法已经有很大改进，但是仍有缺陷：①模式系数D C 可能会出现负值， 导致计算结果发散；②分母可能很小，也导致计算结果发散。为了克服计算上的困难，采用平均系数法，对(5)式右端的分子和分母分别求系综平均，得到模式系数为：
大气边界层案例分析
大气边界层案例分析 1. 由下图分析晴天白天和夜间典型的风温垂直分布。 分析：大气边界层中温度层级起着重要作用，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中气象要素的垂直分布(廓线)。 图1.3.1是晴天白天和夜间典型的理想的风温垂直分布。在贴近地面的薄气层内(近地层SL)，白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即是/0z θ??<，风速则随高度递增。再向上，在边界层的大部分范围内θ有一个不随高度变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减小，造成均匀分布。 在边界层以上的自由大气(FA)中，温度恢复为自由大气的递减率，位温则随高度而增，风则接近地转风速。在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各气象要素由边界层值逐渐过渡到自由大气。此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透边界层与自由大气间的逆温而进入自由大气。同样，湍流、重力波等亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进行着边界层与自由大气间的各种交换。 典型夜间的风温廓线从图 1.3.1可看出在地面附近有一个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T 和θ上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成地面温度低于大气造成，在其上则是一个θ随高度变化很小的“残留层”(RL)，从成因来说，白天的对流边界层在夜间由于地面降温而在近地面形成逆温，但上部一段却保持着白天混合层的特征，使θ近于随高度不
变，并且在残留层与自由大气间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地面脱离关系，其中湍流得不到发展的动力而逐渐衰减。夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦力减小，风速与白天比得到加强，因而呈现出有最大风在某高度出现。 2. 大气边界层是与人类活动关系最为密切的一层，大气边界层具有哪些基本特点？ 分析：大气边界层的基本特点有： （1）运动的湍流性 大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。自由大气中也有时有“晴空湍流”存在，但不像边界层中湍流是始终占主导地位的流动。而边界层湍流运动也正是下垫面作用的结果。 在地表空气运动速度为零；在海面，海水流动速度相对于空气而言也是非常小，因而在海面也可以近似看成风速为零。而在这个零风速与边界层某个高度处的某个风速之间就会形成巨大的风切变，即大的/u z ??。 从动力学角度来看，气候系统中最大的摩擦在大气的最低层，在地球表面附近形成很大的风速垂直速度。根据湍流形成的条件，这种风速切变往往导致空气流动由层流状态向湍流状态转变的临界值。所以湍流运动成为行星边界层内流动的主要特征。 按流体力学的混合长理论，如果/u z ??越大，则由流点垂直位移形成的扰动速度'u 也会越大，即越易形成湍流。这我们也可称为机械湍流，因为它纯由机械运动而形成。 地表与大气的一个重要物理性质的差别是其辐射特性。地表白天强烈吸收日光辐射，使表面增温强烈，在地表与大气间形成一个强的超绝热的温度梯度，对做向上(向下)垂直运动的气块形成一个正(负)的净浮力，使垂直运动得到加速，加剧了湍流运动，此时温度层结是不稳定的。夜间地表因长波辐射而剧烈降温，形成与白天相反的垂直温度梯度，造成与白天相反的净浮力，减弱垂直运动。此时温度层结是稳定的。这种由温度层结形成的湍流运动可称为热力湍流，它是大气所特有的。由于下垫面的这种作用使得边界层内的温度垂直梯度远大于自由大气的温度垂直梯度，因而也造成了边界层内的强湍流。 因为湍流受层结强烈影响，因而边界层内的气象要素的时空分布—它是湍流运动的直接结果---也受层结的强烈影响，这是与自由大气不同的。 （2）受下垫面的影响巨大 不同下垫面沙漠、土壤、植被、城市、水面等有不同的物理性质，它们的辐射性质、热容量、含水量、粗糙程度等均不相同，于是以后各自造成的对大气运动的动力影响及由于热力特性不同产生的不同温度状态及进而形成的不同层结状态就会造成不同的湍流，造成不同的边界层状态，因而下垫面的巨大影响是大气边界层的另一个重要特点。 （3）日变化明显 上面讲过边界层中湍流受层结的巨大影响，而层结有明显的日变化，因而边界层中湍流也有明显的日变化，从而造成了大气边界层的结构及气象要素的空间分布也有明显的日变化，这是边界层的又一特点。 3. 运动的湍流性是边界层中大气运动的重要特征，分析湍流的发展过程。 分析：设在层流中线度为l 的某一区域发生了扰动速度'v ，其特征时间尺度将是/'l v τ=，
大气边界层理论
大气边界层是地球一大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。由于人类 生活在大气底层一大气边界层中,因此人体健康与大气环境密切相关。天气、气候的变化往往会影响到人体对疾病的抵御能力,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的气象条件又使病毒、细菌等对人体有害的生物繁殖、传播,使人们感染而患病。在城市尤其是大城市,人口、机动车、燃煤量的增加,以及城市工业化的发展,大量生产中的废气、尘埃和汽车尾气排放到大气中加上高大建筑的增加,改变了城市的小气候,使城市在无强冷空气活动的情况下,大气扩散能力极差,造成大气质量不断恶化,从而危害到人体健康,影响人类的正常生活。因此,边界层尤其是城市边界层大气结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。 边界层定义为直接受地面影响的那部分对流层,它响应地面作用的时间尺度为小时或更短. 大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。这些作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响气流变化的建筑物和地形等。 边界层一般白天约为1 km,夜间大约在200 m左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。 地面典型吸收率约为90%,其结果使大部分太阳能被地面吸收。 正是地面为响应太阳辐射而变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程而变化。 边界层内气流或风可以分为平均风速、湍流和波动三大类。 边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在水平方向上受平均风速支配,在垂直方向上受湍流支配 平均风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。边界层中一的水平风速2~10 m是常见的。 在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量方面却有着显著的作用。 许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的,例如白天阳光充足,地面的太阳加热使暖空气热泡上升,这种热泡就是大湍涡。地面对气流的摩擦曳力使风切变得到发展,常常演变成湍流。 最大的边界层湍涡估计接近即大小约等于边界层厚度,也就是说,它们的直径可以达到100~300 m。小湍涡出现于叶面卷动和草地波状摆动中,它们要以大湍涡为能源。直径只有几毫米的最小湍涡,由于分子粘性的耗散作用,其强度非常微弱。 在边界层中,浮力是产生湍流的力的一种。由于暖空气比周围空气密度少,有正浮力,所以暖空气上升。虚位温是研究上升气流普遍采用的一个变量。在同一气压条件下,使干空气密度必须等于湿空气密度的温度就是虚位温,因此,可以用虚位温变化来代替密度变化