第1章大气边界层之1
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大气边界层气流过地面时,地面上各种粗糙元,如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻,这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递,并随高度的增加而逐渐减弱,达到某一高度后便可忽略。
此高度称为大气边界层厚度,它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化,大致为300~1000米。
直接受到地表作用力影响的大气对流层,有时也称为行星边界层。
这些作用力包括摩擦,加热,蒸发,蒸散和地形影响等。
大气边界层的厚度随时间空间变化而有明显差异,可由数百公尺至一,二公里。
大气边界层之上成为自由大气。
白天地表受到太阳照射加热,温度升高;晚上则因为地表长波辐射冷却作用而降温,使得接近地表的气温呈现日变化,这种日变化是陆地上大气边界层的主要特征。
由于海水的比热大,以及海洋上层海水强烈的混合作用,使得海水表面温度日变化不明显,所以海上大气边界层的日变化也不明显。
气温日变化的振幅大小随着高度的增加而很快减小,自由大气的日变化则很小。
乱流旺盛也是大气边界层的重要特性。
无论在陆上或海上,在高压区域因为气流沉降,边界层厚度通常比在低压区小。
在陆上高压区域,大气边界层的日夜演化,结构常比较清晰,主要包括混合层,剩余层和稳定边界层。
日出后地表受热,热空气上升,冷空气下降,对流逐渐加强,各种性质近乎均匀的混合,古称之为混合层,也称为对流边界层。
在混合层内为不稳定的大气,其乱流主要有对流作用主导。
日出后混合层很快发展,到了下午一,二点左右,混合层高度达到最高。
日落后,地表受热停止,使得混合层内的乱流强度减弱,原来为不稳定的大气,逐渐转为中性的大气;此为白天混合层的残余,故称之为剩余层。
日落后,地表以长波辐射冷却,逐渐降温,在地表形成逆温,发展成为夜间地面逆温层,这一层大气非常稳定,故称之为稳定边界层,层内的乱流强度很微弱。
在稳定边界层之上即为剩余层。
夜间地面的风通常是微风或静风,但在稳定边界层顶常会出现很强的风速,这种现象称为夜间低层喷流。
无论在混合层或稳定边界层,从地表到约十分之一边界层厚度附近的热通量,水气通量和应力随高度的变化不大,这一层被称为地面层,或等通量层。
第一章大气边界层2.假定在近地层中,雷诺应力Tzx为常数,混合长错误!未找到引用源。
,并且在下边界z=0处,错误!未找到引用源。
,试求风随高度的分布。
解:∵错误!未找到引用源。
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∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
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∴错误!未找到引用源。
…………①对①式积分错误!未找到引用源。
3.已知由于湍流摩擦引起的边界层顶部的垂直速度为错误!未找到引用源。
(1)试推出正压大气中,由于湍流摩擦引起的二级环流对天气尺度涡旋的旋转减弱时间错误!未找到引用源。
的公式。
(2)若湍流系数k=8m2/s,f=10-4s-1,涡旋顶部w=0的高度为10km,试计算错误!未找到引用源。
为多少?解:(1)正压大气的涡度方程简化形式:错误!未找到引用源。
设错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
…………①当z=H时错误!未找到引用源。
对①积分∵f为常数∴错误!未找到引用源。
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∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
(2)∵k=8m2/s f=10-4s-1H=10km∴错误!未找到引用源。
6.在某地测定平均风速随高度的分布,得到如下结果,假定风速分布对数规律,试计算z0,u及T0(去卡曼常数为0.40)。
高度(m)7 2 0.30 0.04平均风速(m/s) 3.92 3.30 2.40 1.41解:引入对数坐标系令错误!未找到引用源。
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得出右表:则通过错误!未找到引用源。
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带入前两组值错误!未找到引用源。
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∴错误!未找到引用源。
(m)错误!未找到引用源。
(m/s)错误!未找到引用源。
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15.在定常、均匀的气流中,铅直方向处于静力平衡的空气质点受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和水平摩擦力的作用,假定后者与风速矢方向相反、大小成比例,试求风压场之间的关系,并作图说明。
第一部分 气象学地球的大气成分;大气分层和结构;大气静力学;辐射过程;大气的热力学;大气边界层第一章 地球的大气成分一、了解大气的基本组成干洁空气水汽和大气气溶胶二、理解大气水汽的重要性 在地球大气的气体成分中,水汽是最重要、最活跃的,相变造成雨云雷电,潜热方式传递热量的载体,而且在地球的生态系统中起着重要作用。
三、了解气溶胶粒子在大气过程中的作用水汽相变的凝结核,吸收和散射太阳辐射,影响大气能见度,影响大气化学过程第二章 大气分层和结构一、了解大气的分层由于地球自转以及不同高度大气对太阳辐射吸收程度的差异,使得大气在水平方向比较均匀,而在垂直方向呈明显的层状分布,故可以按大气的热力性质、电离状况、大气组成等特征分成若干层次。
1按中性成分的热力结构,把大气分成对流层、平流层、中间层、热层,外逸层;2按大气的化学成分,把大气分为均质层和非均质层;二、掌握对流层的基本特征对流层的主要特点是:1大气温度随高度降低;2大气的垂直混合作用强;3气象要素水平分布不均匀。
三、理解温度、气压、湿度、风、云、降水、水平能见度等主要气象要素的概念 温度:温度是表示物体冷热程度的物理量,温度反映物体内部分子平均动能。
气压:一个位置的气压是该处单位面积上所承受的其上空的大气柱的重量湿度:大气中水汽含量多少的物理量。
风 :空气的水平运动称为风。
云 :水汽凝结物悬浮在自由大气中即形成云。
降水:从云中降落到地面的水汽凝结物(固态的或液态的)统称降水,常见的有雨、雪、冰雹等。
水平能见度:气象学上把人的正常视力所能看到的水平方向上目标物的最大距离叫做水平能见度。
四、掌握大气温度、湿度的表示方法大气湿度:通常采用以下特征量来定量表示空气湿度大小。
1、饱和水汽压(e ):010atb t E E +=⨯ (1.2.1)式中:0E 为0℃时的饱和水汽压,其值为6.11hPa ;t 为蒸发面温度;a 、b 为两个经验参数,平水面:7.45a =,237.3b =;平冰面:9.5a =,265.0b =。
大气边界层名词解释
大气边界层是指地球表面与大气中的空气交互作用的区域,它是大气层中最接近地球表面的一层。
大气边界层的高度通常在地表上方数百米到数千米之间,具体高度取决于地理条件和气象因素。
在大气边界层内,地表的热量和湿度通过辐射、传导、对流等方式与大气中的空气进行交换。
这种交换过程对于气象、气候和环境等方面都具有重要影响。
大气边界层可以分为几个子层,包括地面边界层、对流层和边界层顶。
地面边界层是最接近地表的一层,受到地形、地表特征和太阳辐射等因素的影响,其性质和特征会随着时间和地点的变化而变化。
对流层是地面边界层上方的一层,其中存在着强烈的对流运动,这些对流运动对大气的混合和能量传递起着重要作用。
边界层顶是大气边界层与上层大气相接触的界面,其高度因地区和季节而异。
大气边界层的研究对于气象学、气候学、环境科学和空气质量管理等领域都具有重要意义。
通过深入了解大气边界层的结构和特
征,可以更好地理解和预测天气现象、空气污染扩散、气候变化等问题,为人类社会的发展和生活提供科学依据。
第一章风能资源概述第一节风能基础知识一、风的形成风的形成是空气流动的结果,空气流动形成的动能称为风能。
空气的流动是由于不同区域空气的密度或者气压不同引起。
大气压差是风产生的直接原因。
改变空气密度主要方法(1)加热或冷却(2)外力作用二、影响地球表面空气流动的主要因素1、太阳辐射赤道和低纬度地区太阳高度角大,日照时间长,太阳辐射强度大,地面和大气接受热量多、温度高;高纬度地区太阳高度角小,日照时间短,地面和大气接受的热量少,温度低。
高纬度和低纬度之间的温度差异,形成南北之间的气压梯度,使空气做水平运动,风沿垂直于等压线的方向从高压向低压吹。
2、地球自转由于地球表面及空气间摩擦力的作用,地球自转过程中将带动地球表面的空气沿地球自转的方向流动。
地球自转使空气发生偏向的力称为地转偏向力-科里奥利力。
科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。
由于地转偏向力和高低纬度间压差所引起的压力的合力成为主导地球表层空气流动的作用力。
3、地球表面陆地和海洋等地形分布的影响(1)山坳和海峡改变气流运动的方向,使风速增大(2)丘陵、山地因表面摩擦大而使风速减小(3)山脉的阻挡作用导致局部风速的增加4、局部热效应的影响三风的种类1、大气环流(三圈环流)——全球性的风大气环流是在全球范围内空气沿一封闭轨迹的运动,是决定全球风能分布最基础、最重要的因素。
了解当地的盛行风向对微观选址具有重要的意义,我们可以避开盛行风向上的障碍物,当然,当地的地形条件对风向的分布也具有决定作用。
2、季风环流季风现象:在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。
主要是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。
我国是一个典型的季风气候国家。
无论风电场的选址或运行,季风特征必须认真考虑。
一般来讲在我国,季风的表现是:在冬季,风从陆地吹向海洋;在夏季,风从海洋吹向陆地3、局地环流1、海(湖)陆风2、山谷风3、峡谷(峡管)风峡谷效应使风速增大,不论是高大的山脉或是中小尺度的山脉只要存在峡谷或缢口河谷都有峡管效应,因为在谷地中流场压缩,其风速将比两侧加强,即产生峡管效应。
大气边界层结构及其与气象现象的关系大气边界层是指从地面开始到大气中高度约为20公里的一层空间,它是地球上各种气象现象的重要发生地。
大气边界层的结构和特性对于理解和预测天气变化以及气候演变起着重要的作用。
本文将从大气边界层的结构入手,分析其与常见气象现象的关系。
一、大气边界层的结构大气边界层的结构呈现多层分布,从地面向上分别为地面层、对流层、平流层和中性层。
各层的特性和气候现象与其结构密切相关。
1. 地面层地面层是大气边界层的最底层,厚度约为100-200米。
它直接受到地表的热状况、地形和植被等因素的影响。
在地表层中,气温和湿度的变化剧烈,大气动力学力量较强,垂直混合强烈。
地面层常常产生雾、霾等天气现象。
2. 对流层对流层是大气边界层的第二层,大约高度在10公里以内。
它是气象现象最活跃的层次,气象要素随高度的变化相对较小。
由于太阳辐射和地表的热状况不均匀,对流层中产生了大量的对流运动,形成云、降水等现象。
风向、风速的变化明显。
3. 平流层平流层是对流层之上的一层,高度约在10-20公里之间。
平流层稳定,温度随高度变化不大,并且风向和风速相对稳定。
这一层通常没有云层的形成,降水少。
4. 中性层中性层是大气边界层的最顶层,高度在20公里之上。
大气中的各种气象现象几乎不再发生,很少产生明显的变化。
二、大气边界层与气象现象的关系大气边界层的结构和特性直接影响着气象现象的发展和演变。
以下是大气边界层与几种常见气象现象的关系:1. 降雨大气边界层的对流层是降水的主要形成层次。
当对流层中的气温不规则分布,湿度较大时,容易形成对流云,进而产生降雨。
2. 大风大风通常与较大的垂直风切变有关,而垂直风切变也是大气边界层结构的重要特征之一。
当大气边界层中垂直风切变较大时,容易形成强风。
3. 雾、霾地面层是雾和霾的主要发生层次。
在地面层,气温、湿度以及大气动力学力量的影响导致了雾、霾等现象的产生。
4. 逆温层逆温层是大气边界层的一个现象,指的是大气温度随高度逐渐升高的层次。
大气边界层的主要特征
大气边界层是指地球表面与大气直接接触的那一层空气,它的高度大约在地面上1000米左右。
大气边界层的主要特征包括:
1. 温度变化明显:大气边界层中空气的温度变化非常明显,特别是在地面附近。
通常情况下,地面温度较高,空气往上升温度逐渐下降,直到达到一个稳定的温度层。
2. 风速变化:大气边界层中的风速也会随着高度的不同而变化。
在地面附近,由于地面的摩擦力,风速较小;而在高空中,由于没有摩擦力的影响,风速较大。
3. 水汽含量变化:大气边界层中的水汽含量也会因高度的不同而变化。
在地面附近,水汽含量较高,而在高空中,水汽含量逐渐降低。
4. 空气稳定性:大气边界层中的空气稳定性与温度变化密切相关。
在温度逐渐下降的过程中,空气也逐渐变得不稳定。
当空气不稳定时,会导致对流发生,从而形成了云、雨等天气现象。
总之,大气边界层的主要特征是温度、风速、水汽含量和空气稳定性的变化。
这些特征对地面上的气候、天气等都有着重要的影响。
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