第四章 定常大气边界层

第三章大气污染的气象过程小尺度大气边界层自由大气1大气边界层的特征1.1、大气边界层定义1.2 大气边界层垂直分层结构粘性副层（微观层）近地边界层（=近地面层+冠层，常通量层）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）层流、紊流1.3 边界层发展的日变化海洋陆地大气边界层的分类与特征1.4 大气边界层特征：温度、风和湍流空气的增热和冷却大气中的非绝热过程传导：贴地气层辐射（主要长波）：地面与空气间对流与乱流：气层之间由于地表性质差异受热不均等引起的空气大规模有规则的升降运动，称对流。

（高低层）小规模不规则的涡旋运动称乱流，又称湍流。

（近地层大气热量交换的重要方式）水相变化：潜热交换蒸发吸热，蒸发所带水分多于凝结，大气获得热量，热带（对流层下半部）大气中的绝热过程没有热量交换，由于压力的变换（1）干绝热过程干空气或未饱和的湿空气块，进行垂直运动时，与外界没有热量交换，只因体积膨胀（或收缩）作功引起内能增减和温度变化过程，称为干绝热过程。

气块绝热上升单位距离时的温度降低值，称绝热垂直减温率，简称绝热直减率干空气或未饱和的湿空气，绝热上升单位距离时的温度降低值，称干绝热直减率，r d据计算：r d=0.98℃／100 m≌1℃／100 m。

（2）湿绝热过程饱和湿空气作垂直湿绝上升运动时的绝热变化过程，称湿绝热过程饱和湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值，称湿绝热直减率，用γm表示。

γm＜γd（上升时水汽凝结所放出热量补偿了部分气块膨胀消耗的内能）γm是一个变量，它随气温升高和气压降低而减小。

高温时的γm比低温时的γm小（气温高时，空气达到饱和时的水汽含量较大）气压高的饱和空气块的γm大于气压低的（气压高时空气密度大，释放的潜热所起的补偿增温作用要小一些）低层大气温度的垂直分布日变化气温直减率的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。

低层大气温度的垂直分布（1）大气的绝热过程（2）干绝热直减率rd=-(dT i/dZ)d=g/C pｇ－重力加速度ｇ＝9.81 m／s2C p－干空气定压比热，C p＝1005 J／(kg．K)下标i--表示空气块下标d--表示干空气一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称为它的位温。

天气学原理与方法复习第四章大气环流1.大气环流的纬向特征是什么？⏹低纬：东风带⏹中高纬：西风带（北半球冬季最大风速40m/s,30ºN ,200hPa，夏季最大风速16m/s,40ºN ,200hPa）即西风带冬强夏弱，随季节南北位移⏹极区：北半球夏季近地面：弱东风对流层：西风平流层：东风⏹南半球的情况与北半球类似，随季节南北位移,但西风中心强度冬夏变化不大2.大气环流的经向特征是什么？⏹冬季：对流层低层30ºN以南：偏北风40ºN 以北：南风对流层高层：低纬30ºN以南：南风；高纬40ºN以北：北风对流层中层：经向分量很弱⏹夏季：13-40ºN之间：低层：北风；高层：南风；低纬（近赤道）：低层：南风；高层：北风。

3.对流层中、底部冬季、夏季的主要系统，季节转换的特点？（北半球）对流层底部：a)冬季：阿留申低压（与高空东亚大槽对应）、冰岛低压（与高空北美大槽对应）、西伯利亚高压、北美高压、格陵兰大陆高压、太平洋高压和大西洋高压。

b)夏季：亚洲低压、北美低压、阿留申低压、冰岛低压、太平洋副热带高压、大西洋副热带高压。

夏季与冬季最突出的差别是冬季大陆上的两个冷高压到夏季变成了两个热低压；阿留申低压、冰岛低压仍存在，但强度比冬季弱得多。

海上的两个副热带高压变得非常强大，而其冬季强度比较弱。

对流层中部（500hPa）：a)冬季：①极区：2个低涡中心（格陵兰西部、东西伯利亚)；②中高纬:冬季三个长波槽：东亚大槽—140°E在亚洲东岸;北美大槽—70°w位于北美东岸;欧洲浅槽—40°E由欧洲东北部海面向西南方向伸展；在三个槽之间有三个平均脊，分别位于阿拉斯加、西欧沿岸和青藏高原的北部。

③低纬度:副高弱—其范围在20°N以南。

b)夏季：①极区：1个低涡中心。

②中高纬:夏季四个长波槽：东亚大槽—160°-180°E；北美大槽—60°w；欧洲西海岸槽—0°-10°E；贝加尔湖西部槽—90°E沿岸和青藏高原的北部。

Fundamentals of Aerodynamics 第六版课后练习题含答案Fundamentals of Aerodynamics 是美国航空航天工程师的标准教科书，第六版于2018年由John Anderson出版。

该教材为航空航天领域的学生和专业人员提供基础和适当的先进内容，本文提供了该教材的课后练习题及答案，希望对你的学习有所帮助。

第一章绪论
规定18z17编号的国际标准大气（ISA）指标，包括温度、压力和密度。

18z17 ISA条件下的参考大气规定如下：
高度温度压强密度
0 15℃101.325 kPa 1.225 kg/m³
2000m -56.5℃80.447 kPa 0.7364 kg/m³
第二章无量纲化与相似
第三章气动力学公式和标准大气
第四章定常流
第五章动量方程：控制体与流动
第六章定常两维理想流体
第七章翼型理论和展伸
第八章相似理论与边界层流动
第九章非定常流动
第十章近接波流动理论
答案
本文大部分章节的答案来自于网上的公开资源，如果有不妥之处，可以指出并改正。

这里提供了一套练习题的答案，以供参考。

第一章绪论
第二章无量纲化与相似
第三章气动力学公式和标准大气
第四章定常流
第五章动量方程：控制体与流动
第六章定常两维理想流体
第七章翼型理论和展伸
第八章相似理论与边界层流动
第九章非定常流动
第十章近接波流动理论
结论
本文提供了 Fundamentals of Aerodynamics 第六版课后练习题及答案，希望能对学习航空航天领域的同学和专业人员有所帮助。

边边界界层层重重要要知知识识点点归归纳纳第第一一章章大气边界层的定义：大气的最低部分受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。

大气边界层的厚度差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。

还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。

大气边界层的主要特征：（1）大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性（2）大气边界层的日变化：气象要素的空间分布具有明显的日变化。

【大气边界层湍流：①机械湍流：风切变，机械运动；②热力湍流：辐射特性的差异；】大气边界层的分层：(1)粘性副层（微观层）(2)近地层（常通量层）(3)Ekman 层（上部摩擦层）【(1).粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。

(2).近地层（常通量层）：大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略。

(3).Ekman 层（上部摩擦层）：在这一层里，湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。

】大气边界层厚度：边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。

海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。

陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。

大气边界层结构：（1）混合层： （2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结。

（3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。

其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速常常减弱或静风，但高空200m 左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风。

第二章湍流：流体运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化。

雷诺数：——湍流判据，特征Re 数定义： =特征惯性力/特征粘性力；它表示了流体粘性在流动中的相对重要性：（1）Re 》1，粘性力相对小（可忽略），大Re 数流体，弱粘性流；（2）Re 《1，惯性力相对小（可忽略），小Re 数流体，强粘性流； ν/Re UL ≡（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；湍流的基本特征：（1）随机性；（2）非线性；（3）扩散性；（4）涡旋性；（5）耗散性湍流的定量描述：湍流运动的极不规则性和不稳定性，并且每一点的物理量随时间、空间激烈变化，湍流的杂乱无章极随机性可以用概率论及数理统计的方法加以研究。

大气边界层是地球一大气之间物质和能量交换的桥梁。

全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。

由于人类生活在大气底层一大气边界层中,因此人体健康与大气环境密切相关。

天气、气候的变化往往会影响到人体对疾病的抵御能力,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的气象条件又使病毒、细菌等对人体有害的生物繁殖、传播,使人们感染而患病。

在城市尤其是大城市,人口、机动车、燃煤量的增加,以及城市工业化的发展,大量生产中的废气、尘埃和汽车尾气排放到大气中加上高大建筑的增加,改变了城市的小气候,使城市在无强冷空气活动的情况下,大气扩散能力极差,造成大气质量不断恶化,从而危害到人体健康,影响人类的正常生活。

因此,边界层尤其是城市边界层大气结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。

边界层定义为直接受地面影响的那部分对流层,它响应地面作用的时间尺度为小时或更短.大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。

这些作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响气流变化的建筑物和地形等。

边界层一般白天约为1 km,夜间大约在200 m左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。

地面典型吸收率约为90%,其结果使大部分太阳能被地面吸收。

正是地面为响应太阳辐射而变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程而变化。

边界层内气流或风可以分为平均风速、湍流和波动三大类。

边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在水平方向上受平均风速支配,在垂直方向上受湍流支配平均风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。

边界层中一的水平风速2~10 m是常见的。

在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量方面却有着显著的作用。

许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的,例如白天阳光充足,地面的太阳加热使暖空气热泡上升,这种热泡就是大湍涡。