边界层气象学

第一章

大气边界层定义:
最邻近下垫面且受到下垫面强迫作用最明显,存在各种尺度的湍流,湍流输送起着重要作用并导致气象要素有显著日变化的一层大气
主要特征:
湍流运动特征;垂直结构特征;日变化特征;多尺度特征

研究对象:下垫面;边界层大气;自由大气
研究方法:理论研究;观测研究;数值模拟

第二章

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。

湍流:
是流体运动过程中出现的一种无规则的、随机的、复杂的、多尺度涡旋运动。
湍流运动与其他运动的区别:

  1. 高雷诺数特征;
  2. 多尺度特征;
  3. 垂直分布特征;
  4. 下垫面影响;
  5. 科氏力影响

大气湍流基本特征:
随机性。扩散性。大Reynolds数性质。涡旋性。耗散性。连续性。相关性。间歇性。非线性。多尺度性。
大气湍流产生机制:
动力湍流;热力湍流;波动湍流

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^’ 或者 A^’=A-A ̄ ,则为雷诺平均。

泰勒假设:
基本思想(成立条件)——冰冻理论,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。对于任意变量 ,泰勒假设可表述为 ,全导数 ,因此,在三维空间内,泰勒假设的一般形式为 。适用条件: 湍强不太大、风速不太小、均匀湍流、平稳湍流

大气湍流统计特征:(计算方差/均方差/相关系数)
file
方差:
形式为file
例题:
file

标准差
湍流强度:标准差与平均值之比
相关系数(自相关,互相关)

通量:指单位时间、单位面积上通过某种物理量的多少,是流体对某一种物理量输送能力的表征。

湍流通量:P35
湍流通量的垂直分布:P37

湍流应力:一种使物体产生形变的力
定义:各向同性;非各向同性 P39

谱方法:傅里叶变换 P40

能量串级:P45

第三章

平均、涡度方程推导 P48
例题:
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第四章

相似理论:P77

近地层的定义和特征
近地层:位于大气底部,贴近地面,厚度随大气边界层厚度的变化而相应增减,一般为几十米。
特点:

  1. 动量、热量、水汽垂直通量随高度的变化与通量数值本身相比很小,近似认为是常值,常通量层;
  2. 各个气象要素随高度变化比大气边界层中、上层都要显著;
  3. 大气运动尺度小,科氏力几乎不变,风向随高度几乎无变化

第五章

大气稳定度
定义:指气块受到垂直方向的触发后,其运动趋势的变化特征,即气块受外力后,是远离原来位置还是返回,以及运动快慢的度量。

温度梯度判定法:P94

理查森数判定法:
通量理查森数:
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梯度理查森数:
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第六章

不稳定大气边界层的分层
P114

  1. 近地层:大气最底部,占边界层厚度的5%-10%。由于紧贴地表,受下垫面的压迫作用最明显,湍流通量值随高度近似不变化,气象要素随高度变化显著
  2. 混合层:居中部,占整个边界层厚度的50-80%,此处湍流混合效果最明显,风速、温度、湿度等物理量平均梯度最小。
  3. 卷夹层:边界层顶部,占整个边界层的10-60%,是混合层和自由大气之间的过渡层,风速、温度、湿度及湍流通量值在此有明显跃变.通常将不稳定边界层高度定义于此。

大气不稳定边界层高度的演变过程:

  1. 缓慢加厚期
  2. 快速增长期
  3. 稳定少变期
  4. 衰减期

第七章

稳定边界层:指位温随高度的增加而增加的气层

稳定边界层廊线特征:P137

逆温层:辐射逆温、平流逆温、锋面逆温、下沉逆温、地形逆温
成因P147

边界层低空急流是指在低空数百米至1km高度上出现的风速特大区域,其风速垂直廊线呈鼻状结构,风速最大值会超过10-20m/s以上。
P155

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