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1、简述大气边界层中近地层的主要特点？行星边界层一般分为两层：近地层和 Ekman 层。近地面层是大气边界层的底层，一般为几十米，约为大气边界层高度的 1/10 ，随大气边界层厚度的增加或减薄而相应变化。近地面层中，科氏力和气压梯度力的作用相对于湍流切应力可略去不计，大气结构主要依赖于垂直湍流输送。 近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变） ，各种通量近似为常值，故称为常值通量层; 大气受地球表面的动力和热力的强烈影响，气象要素的垂直变化激烈，比边界层的中、上部更为显著； 运动尺度较小，科氏力可略去不计，风向随高度几乎无变化。在 Ekman
2、层，湍流粘性力和柯氏力及气压梯度力同样重要，三者具有相同量级，风向随高度的切变不能忽略，气象要素随高度的变化比较平缓。通常推导大气边界层基本方程的基本思想是什么？（1）边界层的基本控制方程（2）雷诺平均：把方程中的因变量展开成平均和脉动量两部分（3）求方程的雷诺平均的湍流平均变量的方程 （4）利用连续性方程通量形式的方程（5）从步骤 3 方程中减去步骤 5 方程，得到偏离平均的湍流脉动量方程、方差方程和协方差方程的基础方程（6）将湍流脉动量方程乘以速度脉动量湍流通量方程（7）将基础方程乘以2 倍的湍流脉动量 方差方程 （湍流能量方程）请说明流边界层的基本特征。 （1）对流边界层的发展不是依赖于
3、较强的风切变导致的动力驱动，地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来源。 （2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于强烈的混合作用，对流边界层的主体部分气象要素梯度很小；在中等以上不稳定时，温度和风随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。 （3）对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入边界层，形成了卷夹层；卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。 （4）对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致对流边界层内各气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。请指出稳定边界层的一般特征。 （1）稳定边界层的共同特征是有逆温层，此时浮力
4、的作用不但不能给湍流补充动能，相反，湍流微团在垂直运动中因反抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。但因有切应力的作用，湍流不会完全消失，维持在弱的水平上，仍是一个不可忽略的因子。湍流热交换过程并不占优势，而其它的热交换过程例如辐射、平流、气层的抬升及地形等的影响与湍流热交换过程的影响相当。（2）理论分析和实验事实均表明，当浮力引起的湍流动能损失达到切应力产生动能的 1/5 左右（通量理查孙数 Rf = 0.2） ，湍流便会因连续不断地耗散而衰竭。稳定边界层的湍流结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。（3）因湍流很弱，湍涡尺度小，边界层不同层次之间的相互作用减
5、弱，地面强迫对边界层的响应放缓。下垫表面的强制作用达到边界层顶所需的时间尺度可长达数个小时，形成分层式湍流，故边界层往往不能作为整体处理。例如，由地面参量计算的莫宁奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。 （4）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层顶的位置。当湍流充分发展时，其能谱通常可分为哪些区？并简单指出各个区的主要特征。当湍流达到充分发展的状态时，其能谱可以分为三个区：含能区、惯性区与耗散区。含能区从大尺度湍涡得到能量而传递给较小尺度湍涡，大部分湍能集中在该区。典型的长度尺度约为几米到几公里，对应的时间尺度是几十秒到几十分钟。在该区内，普函数取决于风速、粗糙度和边界层厚
6、度等特征量。惯性区典型长度尺度（波长）比离地表面距离小。该区内湍能只是从较大的涡传递给较小的涡，能量既不增加也不损耗，只是起到由低频向高频的惯性传递作用。该区内湍流可以近似地看做是局地各向同性。耗散区随着涡旋尺度的减小，由于受粘滞性的影响越来越强，能量损失不断增大。该区内湍能逐渐被耗散。对速度分量而言，湍能以 （湍流脉动动能耗散率）的速率离开惯性区。同时在该区内买东东能以 的速率为分子粘性作用所耗散。下图为一次午后观测的边界层风速记录。请结合该图，分析指出其所能反映或说明的问题。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。从而使湍流动力场的瞬时值在空间和时间上的变化过程非常复杂。风速变化的不规则性湍流的特性之一； 湍流并非完全无规律具备统计上稳定的平均值； 湍流有一个可度量的和确定的强度有界性；许多风速变化的时间尺度相互叠加而成湍流谱。大气边界层的主要研究方法有哪些？通常是采用理论和试验相结合，并以试验为主。理论上有以混合长理论和相似理论（量纲分析）为基础的半经验 理论及以概率论数理统计为基础的湍流统计理论；在应用中又以半经验理论为主。试验方法则是以野外观测及室内模型实验同时进行。近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大气边界层的数值模拟研究方法成为一种常用的研究手段。
