1、CH05. 中性大气边界层中性大气边界层一、中性边界层特征一、中性边界层特征二、二、EkmanEkman风螺线风螺线三、三、EkmanEkman抽吸（泵）抽吸（泵）四、旋转减弱效应四、旋转减弱效应一、中性边界层特征一、中性边界层特征中性边界层中唯一或主要的湍流能量产生机制是剪切作中性边界层中唯一或主要的湍流能量产生机制是剪切作用，与之有关的是风剪切和表面应力，浮力作用极小。用，与之有关的是风剪切和表面应力，浮力作用极小。它一般出现在浓厚云层下的大风天气条件下。在清晨和它一般出现在浓厚云层下的大风天气条件下。在清晨和黄昏不稳定边界层与稳定边界层的转换期间因具有较强黄昏不稳定边界层与稳定边界层的转
2、换期间因具有较强的非定常，很难定义为中性大气边界层。从某种意义说，的非定常，很难定义为中性大气边界层。从某种意义说，典型的中性大气边界层是不容易观测到的。但因中性大典型的中性大气边界层是不容易观测到的。但因中性大气边界层在理论上比较简单，又能通过它了解大气边界气边界层在理论上比较简单，又能通过它了解大气边界层的共性，所以仍是研究边界层物理的基础。层的共性，所以仍是研究边界层物理的基础。二、二、EkmanEkman风螺线风螺线在自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二者平衡，形在自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二者平衡，形成地转风，且风与等压线平行。而在大气边界层中，必成地转风，且风与等压线平行。
3、而在大气边界层中，必须要考虑湍流摩擦力（湍流粘性力）的作用，空气的运须要考虑湍流摩擦力（湍流粘性力）的作用，空气的运动是水平气压梯度力、科氏力与湍流摩擦力三者之间平动是水平气压梯度力、科氏力与湍流摩擦力三者之间平衡的结果，因此大气边界层中的风向会偏离等压线，且衡的结果，因此大气边界层中的风向会偏离等压线，且偏向低压偏向低压ABL的分层00.015010010002000z/m近地面层（常通量层）近地面层（常通量层）上部摩擦层上部摩擦层自由大气自由大气大气边界层大气边界层分子粘性力湍流切应力湍流切应力近似常数气压梯度力、科氏力和雷诺应力数量级相当气压梯度力和科氏力平衡粘性副层粘性副层Vagn W
4、alfrid Ekman, Sweden, 18741954Nansen，探险家，在北极探险时发现浮冰移动方向与风向成，探险家，在北极探险时发现浮冰移动方向与风向成2040度的夹角，度的夹角，Nansen随后让随后让Bjerknes（挪威气象学家、物（挪威气象学家、物理学家、近代天气学和大气动力学主要创始人之一理学家、近代天气学和大气动力学主要创始人之一,气象学挪威气象学挪威学派的创始人）研究，学派的创始人）研究，Bjerknes 让他的学生让他的学生 Ekman研究，研究，Ekman写出博士论文，发现了海洋边界层中的写出博士论文，发现了海洋边界层中的Ekman螺线。中螺线。中国科学院大气物理
5、研究所有国科学院大气物理研究所有“竺可桢南森中心竺可桢南森中心”。Fridtjof Nansen, Norway,18611930Vilhelm Bjerknes , Norway,18621951 12233jjijiijijijijixuuxuxPufgxuutu假定大气运动是定常的水平运动，并且是水平均匀的，不计分子粘性，则0) () () (10) () () (1wzyuxu fypwuzuyuuxfxpvvvvvv设湍流场水平均匀，采用K理论闭合，且Km为常数，则：0v 10v 12222zKufypzuKfxpMM上式反映了Ekman层中气压梯度力、科氏力和湍流摩擦力的平衡关系。
6、设气压场不随高度变化（正压大气），且令x轴沿等压线方向，利用地转风关系，有0101ggvfxpufyp其中(ug, vg)为地转风分量22ddvzuKfMg22dvdufzKu fM。0,gvuu0, 0vu当z ，当z=0,边界条件：定义复速度 ，则)(idd22gMuVKfzV当z ，V = ug当z = 0，V= 0v iuVg/)1(/)1(eeuBAVzizifKM/2Ekman标高，边界层高度特征量由边界条件可知：B=0, A=-ug, 则方程的解为：)/cos(e1 /gzuuz)/sin(e/gzuzv)(idd22gMuVKfzV/)1(ggeziuuV当z ，V = ug当
7、z = 0，V= 0Ekman层的风廓线(a) Ekman螺线的风速矢量端迹图, (b) u和v 随高度的变化l风矢量端点描绘的轨风矢量端点描绘的轨迹为螺线。迹为螺线。l边界层高度边界层高度l风矢量与地转风夹角风矢量与地转风夹角l边界层顶部风矢量摆边界层顶部风矢量摆动趋向于地转风动趋向于地转风lEkman理论解的缺陷。理论解的缺陷。与实际观测资料的差异。与实际观测资料的差异。1、K为常数；为常数；2、下边、下边界条件；界条件；3、正压大气、正压大气VgVVdz/=/4z/=/2z/=/4/4)/cos(e1 /gzuuz)/sin(e/gzuzv 2 VuvVgHolton. p131通常情况
8、下，大气层中存在一定的水平温度梯度，热成风效应将导致地转风随高度变化。水平温度梯度的数量级大致为每百公里几度，因而地转风随高度的变化可表达为下列形式： v nxTTfgzmyTTfgzuggmzzuuz)/cos(e1/gnzzuz)/sin(e/gv若m，n为固定值，解为：三、三、EkmanEkman抽吸（泵）抽吸（泵）gg021)e1 (21v uudz在整个边界层内，单位时间穿过单位长度等压线的空气体积：穿过等压线运动会在低压区引起质量辐合的上升运动。在边界层顶的垂直运动速度可利用不可压缩流体连续方程算出zyxuwzd)v(00 xu沿等压线方向：Holton. p132gg02121d
9、vyuzywzyuxgggv地转风涡度由于边界层摩擦作用，导致空气向低压区辐合，从而导致边由于边界层摩擦作用，导致空气向低压区辐合，从而导致边界层顶的垂直运动，垂直运动速度与边界层顶的地转风涡度界层顶的垂直运动，垂直运动速度与边界层顶的地转风涡度成正比，该公式称为成正比，该公式称为Charney-Eliassen公式公式ggg222121fKfKwMMzg2fKwwMzEl湍流动量扩散系数越大，则垂直速度越大；湍流动量扩散系数越大，则垂直速度越大；l热带地区公式失效；热带地区公式失效；l正涡度时，即气旋内，辐合上升运动；正涡度时，即气旋内，辐合上升运动；l负涡度时，即反气旋内，辐散下沉运动；负
10、涡度时，即反气旋内，辐散下沉运动；l如果考虑如果考虑Ekman层中风廓线的修正，则层中风廓线的修正，则Charney-Eliassen公式也要相应修正。公式也要相应修正。流场涡度通过湍流摩擦作用可以在Ekman边界层顶产生垂直运动，实际上也就在边界层内诱发出垂直环流，即所谓边界层的次级环流。一般g的量级为105s1，若取边界层顶高为1500m，低压区g 0边界层顶有量级为102m/s的上升运动；而高压区g h; ffKwME2请求解上述方程请求解上述方程tfKHMt21exp)0()(涡度随时间指数衰减，不管是正涡度还是负涡度。涡度随时间指数衰减，不管是正涡度还是负涡度。减弱相当于气压梯度减弱
11、，即气压场平滑，如，气旋中减弱相当于气压梯度减弱，即气压场平滑，如，气旋中心气压升高，其原因就是边界层内大气的辐合使外界空心气压升高，其原因就是边界层内大气的辐合使外界空气进入气旋，导致垂直速度变化，所以垂直速度大小决气进入气旋，导致垂直速度变化，所以垂直速度大小决定了旋转减弱的快慢。中纬度地区典型的正压涡旋衰减定了旋转减弱的快慢。中纬度地区典型的正压涡旋衰减到初始涡度的到初始涡度的e-1(37%)需要的时间约为几日？需要的时间约为几日？请估算。请估算。H104m, f10-4s-1, KM10m2s-1tfKHMt21exp)0()(假设旋转减弱不是由边界层的假设旋转减弱不是由边界层的湍流湍
12、流摩擦引起，而是由摩擦引起，而是由分分子粘性子粘性作用而引起，请估算中纬度地区典型的正压涡旋作用而引起，请估算中纬度地区典型的正压涡旋衰减到初始涡度的衰减到初始涡度的e-1(37%)需要的时间约为多少日？需要的时间约为多少日？H104m, f10-4s-1, KM10m2s-1 换成分子运动学粘性系数，量级为10-5m2s-1 Holton. P100旋转茶杯：内侧壁无摩擦，杯底部有摩擦。流体停止旋转后，茶叶积聚在杯底中心。杯底摩擦、运动减慢、离心力减弱小于压力梯度、低层径向流入、上升运动、高层补偿性径向外流、角动量小的流体替换角动量大的流体、涡度旋转减弱茶水旋转相当于涡度，这是主旋律、也是主要环流；茶水旋转相当于涡度，这是主旋律、也是主要环流；而杯底摩擦相当于边界层湍流摩擦，导致低层径向而杯底摩擦相当于边界层湍流摩擦，导致低层径向流入，高层径向流出，这是次级环流。流入，高层径向流出，这是次级环流。中性边界层厚度中性边界层厚度Ekman螺线给出的中性边界层厚度h：fKhM2zuzzulKmM222zuKuwuM20*20*222uzKMzuKM0*huKM0*fufuh0*0*22这是中性边界层高度常用表达式CH05. CH05. 中性大气边界层中性大气边界层结束结束Thank you
