第七章 大气边界层内风特性
第三讲：大气边界层风基本特性
大气边界层风基本特性
湍流特性描述脉动风速谱
14 12
U(m/s)
10 8 6 4 2 3 4 5 6 7
t(s)
U ( t ) U u ( t ) 10 sin( i t i ) ,
i 1
n
i 2 [0.1:0.1:5] i ,
i rand
H G1 z2 U 2 ( z 2 ) U 1 ( z1 ) z1 H G 2
1
2
基本风压的概念
大气边界层风基本特性
☆ 空旷平坦地面上 ☆ 离地10m高度上 ☆ 50年一遇平均最大风速
w0
1 2
v
2 0
v
2 0
1.6
基本风压的概念
w0
1 2
v
2 0
v
2 0
1.6
大气边界层风基本特性
风场换算举例：石家庄北国商城附近为例
大气边界层风基本特性
风场换算举例：石家庄北国商城附近为例
☆ 第一步：确定石家庄基本风压（查阅规范）
☆ 第二步：确定目标地区地貌类别（实地考察或者专家建议） ☆ 第三步：根据梯度风速相等原则，换算目标地区风速。
风工程概论
第三讲：大气边界层风基本特性
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美好回忆
地球大气层
对流层
大气边界层定义
大气边界层风基本特性
大气边界层：地球表面对运动空气施加水平阻力，使气流减慢，湍流
的掺混使这种影响扩展到称为大气边界层的整个区域。大气边界层的厚度通 常从几百米到几公里。边界层内的风速随高度而增大，边界层顶的风速值常
大气行星边界层第七章ppt课件-PPT文档资料
1 q t
t t/2
t t/2
qdtd
2、平均运动方程求法 大气运动方程
dV Fi dt i
V 是瞬时运动，存在湍流时是不确 定的，只有平均运动才有规律 ——平均运动方程
边界层的特征ห้องสมุดไป่ตู้ 1、几何学特征：D<<L；
2、运动学特征：湍流运动 （受地面粗糙度影响）； 3、动力学特征：湍流粘性力重要。
湍流－－不规则的、杂乱无章的涡旋 运动。能引起强烈的混合作用。 －－物理量输送： 1、存在物理量的梯度
湍流粘性力 动量输送 热 量 水汽、
2、从物理量大值区向小值区输送
3、边界层中物理量的垂直梯度大， 所以，输送主要在垂直方向上。
边界层是热量、水汽源、动量汇
研究边界层目的： 1、边界层本身的特性： 如污染物的扩散，飞机起降、植物 生长等。 2、在整个大气中起重要作用： 如数值预报中的物理过程描述，大气 运动的强迫耗散问题。
第一节 大气分层
地表既是大气的动力边界，也是大 气的热力边界。 大气边界层，由于受地表（固壁粗糙 不平）影响－－湍流边界层。 地表对大气的影响随高度增加而较弱 ——湍流的强度随高度增加而较弱。 ——湍流粘性力随高度增加而减小。 ——湍流粘性力的重要性随高度不同 而不同。
q 1 q 2 q 1 q 2 2q 1 q2 ) q 2 q 1q 2 (q 1q 2 q 1q 2 q 1 q 1q 2 q 1q q 1q 2 q 1q 2 q q x x
二、平均运动方程组
1．平均连续方程：
( V ) 0 瞬时连续方程 t
大气边界层物理
研究意义
地面的摩擦作用，使大气边界层成为大尺度运动动能的汇（见大气角动量平衡）。地面的物理量，如动量、 热量、水汽含量等，向自由大气的输送，都要通过边界层，从这种意义上讲，大气边界层又是向大气输送物理量 的源。因此关于大气边界层的物理知识，对大尺度天气过程的演变、长期预报和气候理论等问题的研究，都是很 重要的。
感谢观看
当流体在大雷诺数条件下运动时，可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据 边界层的这一特点，简化纳维－斯托克斯方程，并加以求解，即可得到阻力和传热规律。这一理论是德国物理学 家L·普朗特于1904年提出的，它为粘性不可压缩流体动力学的发展创造了条件。
大气边界层分析图流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽 略；但在固体壁面附近的薄层中，粘性力的影响则不能忽略，沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层 叫做边界层。流体的雷诺数越大，边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度 δ通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。根据雷 诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且 边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻 近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。
发展
大气边界层物理的发展，还与国民经济和国防建设的发展密切相关。例如：高建筑物（如高楼、桥梁、高塔 等）的风负荷（见建筑气象学）；波在湍流大气中的传播；对于原子、化学、细菌战争的防护，导弹、火箭运行 的气象保障，新式兵器现场使用的气象条件的研究（见军事气象学）；随着工业发展而出现的大气污染，大气公 害问题的研究；农作物生长的气象条件的研究（见农业气象学）等；都与大气边界层物理的研究有关。
大气边界层概述
夜间边界层温度垂直分布的演变
2001年1月27日-28日逆温生消的演变过程
300
250
高 200 度 150
1999/10/5 08:00，北京 露点和大气温度垂直分布
不稳定
稳定（逆温）
不稳定边界层风、温廓线
稳定边界层风、温廓线
夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不 同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温， 严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演 变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是
生态边界层示意图
一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一 个很困难的问题。有时，上界很明显，例如逆温盖，在盖 子以下大气受下垫面影响很大，而在盖子以上则未受影响。 但在通常情况下这种明显的界限是不存在的，下垫面的作 用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地，类似于流体动力 学中边界层厚度的定义，定义大气边界层的上界为在这个 界面上 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减 小到地面值的很小一部分，例如1%。但有时 也以逆温层顶 作为大气边界层上界。
大气边界层概述
王成刚 大气物理系
与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、 “机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行 星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表 上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此 产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不 过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平 尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。 在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的 水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方 向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大 小在随高度变化的同时，风向也随之变化。
大气边界层理论
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。
大气边界层风的特性汇总
平均风日变化 时
间
平均风月变化
特
性 平均风随季度变化
平均风速日变化
平均风时间特性
平均风速月变化
平均风时间特性
平均风速季度变化
平均风时间特性
通常在北半球中高纬度大陆地区，由 于冬季有利于高压生成，夏季有利于低压 生成。因此，冬季平均风速要大一些，夏 季平均风速要小一些。
我国大部分地区，最大风速多在春季 的三、四月，而最小风速则多在夏季的七、 八月份。
1、大气边界层 2、边界层自然风 3、平均风特性 4、脉动风特性
1000~1500
大气边界层
大气边界层 大气边界层的厚度通常从几百米到几公里。
0.15
450
550
自然风
自然风实测记录
瞬时风速
自然风
=
平均风速
+
脉动风速
基本风速： 开阔平坦地面 离地10米高
100年重现期10分钟。
设计基准风速： 在基本风速基础上
：大气底层内z′高度处的平均风速 ：摩擦速度或流动剪切速度 ：卡曼常数(Karman) ：地面粗糙长度(m) ：有效高度(m)
二、指数率
平均风空间特性
v
z
vb
z zb
zb , vb
：标准参考高度和标准参考高度处的平均风 速；
z , v z ：任一高度和任一高度处的平均风速；
：地面粗糙指数
风玫瑰图
平均风向
脉动风特性
表征风的脉动分量的参数有（紊流 度）、（紊流积分尺度）、（脉动速度的 功率谱与互谱）等等
紊流度
脉动风特性
紊流度剖面
紊流积分尺度
脉动风特性
脉动风速谱
脉动风特性
风能工程中的流体力学
V
(z)
(V* k
)[ln(
z z0
)XLeabharlann s(z Ls
)],
z
z0
平均风特性及模型
这里Ls 为莫林--奥布霍夫(Monin--Obukhov) 稳定长度, 它是大气运动所 引起的剪切力与热浮力之比。如果Ls 的绝对值大于500, 则大气边界层是中性 稳定的,- 500 < Ls < 0, 则大气边界层不稳定, 0 < Ls < 500, 则大气边界层稳定。 参数Xs 称为大气稳定度函数, 其表达式为： 当大气为中性层结时 Xs= 0 当大气为不稳定层结时 Xs = 4.5z/Ls; z<Ls
脉动风速V'是风速中去除平均风速后的振荡风速, 其统计平均特 性为0, 其概率密度函数非常接近于高斯分布或正态分布, 可表达为
p(V ')
1
2
exp[
V
2
'2
2
]
式中 为V’的均方根值。 湍流脉动风可采用统计特性如湍流强度、湍流尺度、相关函数、功率谱密
度、阵风系数等来描述大气运动中的湍流结构。
脉动风特性及模型
风能工程中的流体力学 —大气边界层风的特性
目录
一、研究背景 二、平均风特性及模型 三、脉动风特性及模型 四、大气边界层风特性的影响因素 五、总结
研究背景
风能是目前可再生能源中技术相对成熟, 并具有规模化开发条件和 商业化发展前景的一种能源。
风力发电是将大气边界层内的风能转化为电能的技术, 风力发电的 效益取决于风速的时间与空间分布以及风力机的风能利用效率。
大气边界层风速分布特性研究
大气边界层风速分布特性研究大气边界层是地球表面上的一层气体，它与地面相接触并受到地表辐射和摩擦的影响。
在大气边界层中，风速是一个重要的气象参数，它对于气候、天气和环境的研究具有重要意义。
本文将从不同的尺度和高度来探讨大气边界层风速分布的特性。
首先，从垂直尺度来看，大气边界层的风速分布可以分为垂直递增和垂直递减两种情况。
在较低的高度范围内，风速随着高度的增加呈现递增的趋势，这是由于地面摩擦的作用造成的。
随着高度的增加，地面摩擦逐渐减弱，风速逐渐增大。
然而，在较高的高度范围内，风速随着高度的增加呈现递减的趋势，原因是大气边界层内的动力平衡和热力平衡的变化。
这种垂直分布特性的研究对于风能利用和大气污染控制等方面具有重要指导意义。
其次，从水平尺度来看，大气边界层的风速分布具有明显的空间异质性。
这种空间异质性主要受到地形、地表条件和大气环流等因素的影响。
例如，山脉和山谷等地形特征会改变风的流向和速度。
而不同类型的地表，如水域、林地和城市等，也会对风速产生明显的影响。
此外，大气环流的变化也会导致不同地区风速分布的差异。
因此，研究大气边界层风速的空间分布特性，有助于理解风能资源的潜力，并指导风电场的选址和规划。
再次，从时间尺度来看，大气边界层的风速分布存在着明显的时空变化。
短期内，风速受到天气系统和地表风状况的影响，呈现出较大的波动。
例如，在冷锋和热锋等天气系统的过程中，风速会发生剧烈的变化。
长期来看，风速还具有明显的季节性变化。
例如，在夏季，大气边界层的风速较低；而在冬季，大气边界层的风速较高。
这种时间尺度上的变化对于气候和环境变化的研究具有重要意义。
综上所述，大气边界层风速分布的特性受到多种因素的影响，包括垂直尺度、水平尺度和时间尺度。
研究大气边界层风速的分布特性，对于风能资源的利用、天气预报和环境监测等方面具有重要意义。
因此，我们需要进一步深入研究大气边界层风速的分布规律，并探索有效的利用方法，以实现可持续发展和环境保护的目标。
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7.1 风的形成
7.2 大气边界层
7.3 平均风速随高度变化
7.4 平均风速随时间变化
7.1 风的形成
• 由于地球自转太阳热辐射不均所引起的空氣循环流动。太
阳将地表的空气加温，空气受热膨胀变轻上升,热空气上升 冷空气橫向进入，再次因为加溫而上升，从而造成空气的 流动，于是风诞生了。
7.4 平均风速随时间变化
平均风速月变化 有些地区，在一个月中，有时也会发生周期为1天至几 天的平均风速变化。其原因是热带气旋和热带波动的影响 所造成的
在一个月中平均风速变化有几个不同的时间周期，但 每10天左右有一次强风是很显著
7.4 平均风速随时间变化
平均风速季度变化
平均风速随季度变化的大小取决于纬度和地貌特征，通 常在北半球中高纬度大陆地区，由于冬季有利于高压生 成，夏季有利于低压生成，因此,冬季平均风速要大一些， 夏季平均风速要小一些。 我国大部分地区，最大风速多在春季的三、四月，而 最小风速则多在夏季的七、八月。
结构gou
底层和下部摩擦层总称为地表层或地面边界层，三个区域 总称为摩擦层或大气边界层，再往上就进入了地面摩擦不起作 用的“自由大气层” ，再往上就进入了地面摩擦不起作用的“ 自由大气层”
7.3 平均风速随高度变化
风剪切或风速廓线，风速廓线可采用对数律分布或指数 律分布
对数律分布
在离地高度100m内的表面层中，可以忽略剪切应力的变化， 这时，风速廓线可采用普朗特（Prandtl）对数律分布来表 示，
7.1 风的形成
7.2 大气边界层
风吹过地面时，由于地面上各种粗糙元（草地、庄稼、树林、建筑物等）的作用，会对风的 运动产生摩擦阻力， 使风的能量减少并导致风速减小。 减小的程度随离地面高度增加而降低， 直至达到某一高度时，其影响就可以忽略。这一层受到地球表面摩擦阻力影响的大气层称为 “大气边界层”
式中 ——离地高度z处的平均风速； ——摩擦速度； ——卡门（Karman）常数，一般近似取0.4； z0 ——地表面粗糙长度。
7.3 平均风速随高度变化
不同地表面状态下的粗糙度
地形 海平面 沙漠 平坦雪地 粗糙冰地 未耕种区域 （m） ~0.0002 0.0002-0.0005 0.0001-0.0007 0.001-0.012 0.001-0.004 地形 长草区 低农作物区域 高农作物区域 树木 城镇 （m） 0.02-0.06 0.04-0.09 0.12-0.18 0.8-1.6 0.7-1.5
平均风速的概率密度曲线p（x）（风频f与平均风速的关系） 不同平均风速累积的小时数占全年总时数的百分比。 累积分布函数P(x) ，可用来描述平均风速的累积分布 描述的是一年中大于某个风速的小时数
7.4 平均风速随时间变化
威布尔分布
式中c 和k可以通过引入Gamma函数 ，由平均风速 标准差 来进行计算，即
7.4 平均风速随时间变化
在大气边界层中，平均风速随时间发生变化，不同的 地区变化不同，但有一定的规律性
平均风速日变化
在大气边界层中，平均风速有明显的日变化规律
在低层，最大值出现在午后，最小值出现在夜间或清晨 在高层则相反，最大值出现在清晨或夜间，最小值出现在 午后。 每个地区日平均风速随时间的变化虽有一定的规律，但是 各个地区的变化规律不尽相同，很难找出普适性的规律
7.3 平均风速随高度变化
风速廓线指数a 值与地表面粗糙度有关： 对近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取a = 0.12； 对田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中 小城镇和大城市郊区，取a = 0.16； 对有密集建筑群的城市市区，取a = 0.20； 对有密集建筑群且建筑物较高的城市市区，取a = 0.30。
与其
瑞利分布
是威布尔分布在k = 2时的一个特例
7.4 平均风速随时间变化
7.4 平均风速随时间变化
• 风向变化
在极坐标底图上点绘出的某一地区在某一时段内各风向出现的 频率或各风向的平均风速的统计图。前者为“风向玫瑰图”，后者为 “风速玫瑰图”。因图形似玫瑰花朵，故名。在风向玫瑰图中，频率 最大的方位，表示该风向出现次数最多。 最常见的风玫瑰图是一个 圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长 度与这个方向的风的频度成正比。静风的频度放在中间。有些风玫瑰 图上还指示出了各风向的风速范围。
短草区
0.008-0.03
7.3 平均风速随高度变化
指数律分布 用指数律分布计算风速廓线时比较简便，因此，目前多 数国家采用经验的指数律分布来描述近地层中平均风速随高 度的变化，我国的建筑规范也采用指数律分布
式中
——离地高度z处的平均风速； ——离地参考高度zs处的平均风速； a ——风速廓线指数。