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
积的微分规则2ξ偏ξ=偏ξ2，进行一些改写，再求雷诺平均，再进行简化改写，即可得到湍流方差的预报方程。

5、湍流通量预报方程，相对复杂 仍然从湍流脉动量方程出发，先找两个扰动方程，水汽通量的预报方程：动量的脉动量方程，乘以 q ′，求雷诺平均，比湿的脉动量方程，乘以 u i ′，求雷诺平均，将两个方程相加，简化改写，即可得到湍流通量的预报方程。

6、名词解释：闭合理论
第四章 湍流动能、稳定度和尺度
湍流动能TKE 收支方程（重点）：利用第三章中速度方差预报方程，将uvw 三个速度方差独立分量预报方程叠加再除以2，得到TKE 的收支方程，假设湍流场水平均一、忽略下沉，同时将坐标轴x 取在平均风向，得到TKE 方程最终表达式，各项物理意义
大气稳定度（掌握）静力稳定度，动力稳定度，湍流稳定度的判定，
如何理解：静力不稳定气流总是动力不稳定的；而静力稳定时，大气由于切变运动可产生动力不稳定（K-H 波）。

1、 名词解释：π定理，理查孙数（通量，梯度，总体），
通量里查森数：浮力做功与切应力做功的比值，为湍流稳定度的判据。

公式是：z v w v z u w u w g
R v v
f ∂∂''+∂∂'''=-=/θθ切应力做功浮力做功
Rf < 0：静力不稳定;
Rf = 0：静力中性气流；
Rf > 0：静力稳定。

尺度：Monin －Obukhov 长度(L)（掌握） 名词解释
第五章 定常条件下的大气边界层
1、近地层相似理论
5.1.1 近地层特征
5.1.2 中性层结（重点）：中性层结条件下的近地层风廓线典型形式——对数风廓线（记住并会运用公式进行简单计算）
名词解释：摩擦速度：定义为 222
s s w v w u u ''+''=* ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0*
ln z z u u κ
s s w v w u ''+'' 指近地面处测得的水平动量的总的垂直通量。

粗糙度Z 0：风速等于零的高度，称为地面粗糙度长度，简称粗糙度。

粗糙度表征下垫面粗糙状况的一个特征长度，取决于地面粗糙因子，如粗糙元的几何高度、形状和分布密度。

不同的下垫面具有不同的粗糙度 ，其值可由风洞实验或野外观测的风廓线资料求取。

5.1.3 非中性层结（理解掌握）
近地层典型风速廓线与静力稳定度比较
表示不稳定层结风速随高度变化的是哪一条？解释原因。

近地层相似理论中会出一道计算题
2、全边界层相似
5.2.1 全边界层相似理论
5.2.2 对流边界层（CBL ）相似
5.2.3 稳定边界层（SBL ）相似
5.2.4 中性边界层相似
3、谱相似：湍谱图通常有3种形式：S(n )～n ，半对数坐标图n S(n )～ln n ，对数坐标图ln n S(n )～ln n ，利用对数坐标图中划出含能区，惯性子区，耗散区湍流能量分布示意图，填空：大气湍流中，根据运动性质和能量输送关系，将各种尺度湍流分为三个特定区域，分别为
第六章 非定常大气边界层问题
6.1 地表强迫引起的非定常变化
重点看：风的分布及其变化 ，分析边界层中风的日变化规律，并分析其原因。

答：风日变化规律：
1.一般情况，风速在较低高度，白天增加，晚上下降；在较高高度，白天下降，晚上增加。

（2分）
2．风速中间存在转换高度，风向也有相应变化。

（2分）
3．反转高度在213m 左右。

风矢端点随时间作顺时间转向，风速日变化振幅可达1~3m/s ，且在边界层中部最大，两端逐渐减少。

（4分）
风速变化的原因在于：边界层内湍流交换系数百天大于夜晚，昼夜动量传输快慢不同。

（2分）
6.2 对流边界层
6.3 稳定边界层
对流（稳定）边界层概念、特征、结构、边界层的发展。