動力氣象-第八章(大氣邊界層3)

第八章大氣行星邊界層

——主要內(nèi)容§1大氣邊界層及其特征§2湍流平均運(yùn)動方程、混合長理論§3近地面風(fēng)隨高度的變化規(guī)律★§4?？寺鼘又酗L(fēng)隨高度的變化規(guī)律★§5二級環(huán)流、埃克曼抽吸和旋轉(zhuǎn)減弱★物理分析§5二級環(huán)流、?？寺槲托D(zhuǎn)減弱

在Ekman中，三力平衡下，風(fēng)要穿越等壓線，從高壓指向低壓。

在邊界層中，三力平衡下，風(fēng)要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區(qū)產(chǎn)生輻合上升，反氣旋區(qū)產(chǎn)生輻散下沉。這種邊界層頂?shù)拇怪边\(yùn)動，稱為Ekman抽吸。

相應(yīng)的，自由大氣中的氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻散，反氣旋區(qū)要產(chǎn)生輻合，這樣就在垂直面內(nèi)形成閉合環(huán)流。如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級環(huán)流，則稱這個(gè)由一級環(huán)流誘發(fā)的、在垂直面上的閉合環(huán)流，為二級環(huán)流。二級環(huán)流的作用：使邊界層與自由大氣發(fā)生物理量交換。(1)從角動量的角度看：結(jié)果：由自由大氣向邊界層輸送角動量。

自由大氣角動量減少，大氣旋轉(zhuǎn)減弱邊界層角動量增加，以補(bǔ)償耗散。

（2）從渦度角度看：注意：自由大氣中忽略耗散，是通過與邊界層發(fā)生相互作用使得大氣旋轉(zhuǎn)減弱，耗散發(fā)生在邊界層。Ekman抽吸與二級環(huán)流風(fēng)穿越等壓線由高壓吹向低壓而輸送的質(zhì)量，是由v分量引起的?！疾煊筛邏合虻蛪狠斔颓闆r。

由于穿越等壓線從高壓向低壓輸送質(zhì)量，在氣旋（低壓）產(chǎn)生輻合上升，反氣旋（高壓）產(chǎn)生耗散下沉，在邊界層頂產(chǎn)生垂直運(yùn)動。由輻合量得到相應(yīng)的垂直速度。

上該式表明，?？寺鼘禹?shù)拇怪彼俣葁(De)與地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度g成正比。對于典型的天氣尺度系統(tǒng)來說，g～10-5m/s，f～10-4/s，De～103m，w≈0.510-2ms-1，這與自由大氣本身的垂直速度具有相同的量級。

準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦旋流場中，由于湍流摩擦效應(yīng)將會在?？寺鼘又性斐蓮?qiáng)迫的鉛直環(huán)流，它疊加在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)水平環(huán)流（地轉(zhuǎn)渦旋的切向環(huán)流，也稱為一級環(huán)流，它是自由大氣不計(jì)湍流粘性應(yīng)力而形成的環(huán)流）上，稱之為二級環(huán)流。二級環(huán)流是由行星邊界層摩擦所驅(qū)動，所以產(chǎn)生此二級環(huán)流的機(jī)制稱為埃克曼抽吸。二級環(huán)流示意圖大氣旋轉(zhuǎn)減弱名次解釋

1.行星邊界層(PBL)2.埃克曼(Ekman)層3.上部邊界層4.雷諾應(yīng)力5.普朗特(Prandtl)混合長6.湍流摩擦力7.風(fēng)的對數(shù)分律8.風(fēng)的指數(shù)分布律9.?？寺菥€10.?？寺叨?1.梯度風(fēng)高度12.?？寺槲?3.一級環(huán)流14.二級環(huán)流15.旋轉(zhuǎn)減弱16.?？寺槲?7.摩擦速度。

隨高度（Z），風(fēng)速C逐漸增大，當(dāng)?shù)侥骋桓叨葧r(shí)，風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的大小相等，令該高度為Zc：Zc

略小于/2hE，為埃克曼標(biāo)高的1.46倍。作業(yè)題1：

偏角隨高度逐漸，風(fēng)向自地面向上朝右旋轉(zhuǎn)，到某一高度與地轉(zhuǎn)風(fēng)方向趨于一致。其中第一次與地轉(zhuǎn)風(fēng)方向一