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文檔簡介
1、一、名詞解釋 (每小題 6 分,共 30 分)1. 雷諾數(shù)ReUL/v=特征慣性力/特征粘性力。Re數(shù)是判斷兩粘性流體運動是否相似的重要判據(jù)之一。2. 總體理查遜數(shù)Rb=gvvzvU2+(V)23. 雷諾平均對于任一物理量,當定義平均值后,可將湍流運動表示為 湍流運動=平均運動+脈動運動。而將任意實際物理量表示為:A=A+A',則為雷諾平均。4. 大氣邊界層大氣的最低部分直接受下墊面(地面)影響的層次,或者說大氣與下墊面相互作用的層次。大氣邊界層厚度的時空差異很大,平均厚度為地面以上約1km的范圍,以湍流運動為主要特征。還可細分為近地層(大氣邊界層下部約1/10的厚度內(nèi))和Ekman層
2、。大氣邊界層又稱行星邊界層,是指存在著連續(xù)性湍流的低層大氣:(1)湍流是邊界層大氣的主要運動形態(tài),對地表面與大氣間的動量、熱量、水汽及其他物質(zhì)的輸送起著重要作用;(2)地球表面熱力強迫的日變化通過湍流混合擴散使得邊界層中氣象要素呈現(xiàn)日周期的循環(huán)。5. 定常湍流如果這些湍流統(tǒng)計參數(shù)不隨時間變化,就稱為平穩(wěn)湍流或定常湍流;此時,足夠長時間的平均即接近于總體平均。6. 均勻湍流如果統(tǒng)計參數(shù)不隨空間變化,稱之為均勻湍流;此時,足夠大的空間平均也接近于總體平均。7. 普朗特混合長湍流運動中,單位質(zhì)量的流體微團含有某種特性量q ,如果 q 是被動的,即不影響流體的運動情況; q是保守的,即在運行距離 之后
3、,q值守恒。在湍流運動過程中特性量q 保持不變(失去原有特性)前所走過的距離,稱之為混合長。8. 常值通量層近地層較薄,可近似認為動量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化(風向也幾乎不隨高度改變),各種通量近似為常值,故稱為常值通量層。常值通量層通常指的是動量常值通量層。9. Monin-Obukhov長度L=-u*3kgw''=u*2kg*10. 動力內(nèi)邊界層上游來流為中性大氣,氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度的下墊表面,在地面的動力強制作用下,在新的下墊面上空將形成一個內(nèi)邊界層,即動力內(nèi)邊界層。11. 熱力內(nèi)邊界層氣流從一種溫度的下墊表面過渡到另一種溫度的下墊
4、表面,在地面的熱力強制作用下,在新的下墊表面上空將形成一個內(nèi)邊界層,即熱力內(nèi)邊界層。12. Ekman螺線在大氣邊界層中,風隨高度增加,風向與地轉(zhuǎn)風向之間的夾角逐漸減小,而風速逐漸增大,即在北半球風向右偏轉(zhuǎn)逐漸趨于等壓線方向,風速亦逐漸增趨于地轉(zhuǎn)風速。如果將所得的風隨高度的變化畫成風矢端軌跡圖,即是所謂Ekman螺線。13. 海陸風在大水域(海洋和湖泊)的沿岸地區(qū),在晴朗、小風的氣象條件下,邊界層內(nèi)常觀測到向岸和離岸風的交替變化。 白天邊界層下部的氣流來自海面,稱海風;夜間則風向相反,稱作陸風。邊界層上層的風向則和下部相反,并在一定的范圍內(nèi)可以觀測到上升或下沉氣流,整個海風或陸風的出現(xiàn)保持著一
5、種環(huán)流的形式。海陸風是由于水平溫度分布不均一所引起。二、簡答題1. 簡述大氣邊界層的主要特征。1) 大氣運動的湍流性:湍流輸送是地面和大氣之間進行動量、熱量和水汽交換的主要渠道湍流運動產(chǎn)生的擴散交換本身影響著溫度和風速的垂直分布行星邊界層的形成是大氣與其下墊面相互作用的結果。2) 大氣邊界層中的風溫廓線:3) 大氣邊界層的日變化:邊界層中氣象要素的時間變化具有明顯的日變化特征。表面加熱和冷卻的日循環(huán)引起熱力穩(wěn)定度的日變化,從而影響湍流混合和動量交換過程,進而邊界層中風的分布。4) 大氣邊界層的風向有規(guī)則地隨高度右旋(北半球)地球自轉(zhuǎn)而形成的柯氏力的影響。5) 大氣邊界層比一般流體邊界層更為復雜
6、。不僅有動力作用、還存在熱力作用溫度分布影響著湍流脈動動能。2. 大氣邊界層的主要過程及其主要作用是什么?湍流過程(1)湍流輸送;(2)大氣能量平衡;(3)層結和風重要作用:1)水汽通量;(2)感熱通量 (3)摩擦消耗 (動量、動能匯區(qū))氣象要素的輸送 + 大氣污染物的輸送3. 大氣邊界層中可分為哪些層次?簡述各自的主要特征。1) 粘性副層(微觀層):分子輸送過程處于支配地位,分子切應力遠大于湍流切應力。2) 近地層(常值通量層):大氣受地表動力和熱力影響強烈,氣象要素隨高度變化激烈,運動尺度小,科氏力可忽略。由于近地層很薄和湍流擴散強烈混合的結果,該層中動量、熱量和水汽的鉛直輸送通量不隨高度
7、變化,同樣原因,近地層中風向也不隨高度變化。3) Ekman層(上部摩擦層):在這一層里,湍流粘性力、科氏力和氣壓梯度力同等重要,需要考慮風隨高度的切變。4. 簡述湍流的基本特征。(1)隨機性:湍流是非規(guī)則的,混亂的、不可預測的;(2) 非線性:湍流是高度非線性的。當流動達到某一特定狀態(tài),如Reynolds數(shù)或Richardson數(shù)超過某臨界值,流動中的小擾動就會自發(fā)地增長,并很快達到一定的擾動幅度;(3)擴散性:湍流會引起動量、熱量及流動中的其他物質(zhì)快速擴散;(4)渦旋性:利用湍流的可視化,例如將幾滴顏料注入湍流運動的水中,表明湍流結構可設想成由無數(shù)大小不同的湍渦組成,它們分裂、合并、拉長、
8、旋轉(zhuǎn)。最大的湍渦可達到整個湍流層的寬度,小的可到毫米的量級。它們相互疊加在一起,構成湍流的渦旋結構;(5)耗散性:湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞,最后通過分子粘性耗散成為熱能。5. 湍流產(chǎn)生的原因是什么?從能量學的觀點,湍流存在和維持可分為哪三大類型?大氣湍流的能量來源于機械運動作功和浮力作功兩方面前者是在有風向風速切變時,湍流切應力對空氣微團作功;后者是指在不穩(wěn)定大氣中,浮力對垂直運動的空氣微團作功,使湍流增強;在穩(wěn)定大氣中,隨機上下運動的空氣微團要反抗重力作功而失去動能,使湍流減弱。(1)風切變產(chǎn)生的湍流; (2)對流湍流; (3)波產(chǎn)生湍流6. 簡述大氣邊界層中近地層的主要特點?行星邊
9、界層一般分為兩層:近地層和Ekman層。近地面層是大氣邊界層的底層,一般為幾十米,約為大氣邊界層高度的1/10 ,隨大氣邊界層厚度的增加或減薄而相應變化。近地面層中,科氏力和氣壓梯度力的作用相對于湍流切應力可略去不計,大氣結構主要依賴于垂直湍流輸送。 近地層較薄,可近似認為動量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化(風向也幾乎不隨高度改變),各種通量近似為常值,故稱為常值通量層; 大氣受地球表面的動力和熱力的強烈影響,氣象要素的垂直變化激烈,比邊界層的中、上部更為顯著; 運動尺度較小,科氏力可略去不計,風向隨高度幾乎無變化。在Ekman層,湍流粘性力和柯氏力及氣壓梯度力同樣重要,三者具有
10、相同量級,風向隨高度的切變不能忽略,氣象要素隨高度的變化比較平緩。7. 通常推導大氣邊界層基本方程的基本思想是什么?(1)邊界層的基本控制方程(2)雷諾平均:把方程中的因變量展開成平均和脈動量兩部分(3)求方程的雷諾平均的湍流平均變量的方程 (4)利用連續(xù)性方程à通量形式的方程(5)從步驟3方程中減去步驟5方程,得到偏離平均的湍流脈動量方程、方差方程和協(xié)方差方程的基礎方程(6)將湍流脈動量方程乘以速度脈動量à湍流通量方程(7)將基礎方程乘以2倍的湍流脈動量 à方差方程 (湍流能量方程)8. 什么是Richardson數(shù)?給出三種Richardson數(shù)并分別指出其異
11、同。浮力做功項與機械做功項比值可得到一個簡化的物理學近似à湍流的一個重要判據(jù),即通量Richarson(理查孫)數(shù)Rf。通量理查遜數(shù),梯度里查遜數(shù),總體里查遜數(shù)。以通量的形式表示Richardson數(shù);同梯度表示Richardson數(shù);由風、溫度觀測資料精度不高,則由此計算的梯度會存在較大誤差。因此,通常將前述微分梯度改為差分形式進行計算,為此引入總體理查遜數(shù)。9. 請至少給出5種確定邊界層高度的一般方法。 動力因素考慮,即風隨高度的變化: (1)取風向達地轉(zhuǎn)風的高度;(2)風速達地轉(zhuǎn)風的高度;3)風速達最大值的高度; 熱力因素考慮: (1)將溫度梯度變?yōu)樽杂纱髿馑哂械闹档母叨?;?/p>
12、2)溫度梯度明顯不連續(xù)的高度;(3)溫度日變化非常小,接近消失的高度; 能量角度考慮: (1)湍流能量接近消失的高度;(2)湍流應力接近消失的高度等。10. 請說明流邊界層的基本特征。(1)對流邊界層的發(fā)展不是依賴于較強的風切變導致的動力驅(qū)動,地面輸送的感熱通量是熱力驅(qū)動湍流能量的來源。(2)各種氣象要素除了在近地面層存在明顯的梯度外,由于強烈的混合作用,對流邊界層的主體部分氣象要素梯度很?。辉谥械纫陨喜环€(wěn)定時,溫度和風隨高度接近均勻分布,湍流通量隨高度近似線性變化。(3)對流熱泡在對流邊界層頂?shù)纳仙龥_擊,引發(fā)自由大氣空氣團向下卷入邊界層,形成了卷夾層;卷夾層以上是無湍流或很弱湍流的自由大氣。
13、(4)對流熱泡尺度大、壽命長、攜帶的湍流能量也大,導致對流邊界層內(nèi)各氣象屬性的垂直分布比較均勻,具有整體的空間結構以及較強的時間相關。11. 請指出穩(wěn)定邊界層的一般特征。(1)穩(wěn)定邊界層的共同特征是有逆溫層,此時浮力的作用不但不能給湍流補充動能,相反,湍流微團在垂直運動中因反抗重力作功而損失動能,所以湍流能量很弱。但因有切應力的作用,湍流不會完全消失,維持在弱的水平上,仍是一個不可忽略的因子。湍流熱交換過程并不占優(yōu)勢,而其它的熱交換過程例如輻射、平流、氣層的抬升及地形等的影響與湍流熱交換過程的影響相當。(2)理論分析和實驗事實均表明,當浮力引起的湍流動能損失達到切應力產(chǎn)生動能的1/5左右(通量
14、理查孫數(shù)Rf = 0.2) ,湍流便會因連續(xù)不斷地耗散而衰竭。穩(wěn)定邊界層的湍流結構在空間和時間上出現(xiàn)不連續(xù),形成所謂的間歇性湍流或波與間歇性湍流共存。 (3)因湍流很弱,湍渦尺度小,邊界層不同層次之間的相互作用減弱,地面強迫對邊界層的響應放緩。下墊表面的強制作用達到邊界層頂所需的時間尺度可長達數(shù)個小時,形成分層式湍流,故邊界層往往不能作為整體處理。例如,由地面參量計算的莫寧奧布霍夫長度值不能代表邊界層中、上層的情況。(4)各種特征量在邊界層頂沒有明顯的過渡特征,難于確定層頂?shù)奈恢谩?2. 當湍流充分發(fā)展時,其能譜通常可分為哪些區(qū)?并簡單指出各個區(qū)的主要特征。當湍流達到充分發(fā)展的狀態(tài)時,其能譜可
15、以分為三個區(qū):含能區(qū)、慣性區(qū)與耗散區(qū)。含能區(qū)從大尺度湍渦得到能量而傳遞給較小尺度湍渦,大部分 湍能集中在該區(qū)。典型的長度尺度約為幾米到幾公里,對應的時間尺度是幾十秒到幾十分鐘。在該區(qū)內(nèi),普函數(shù)取決于風速、粗糙度和邊界層厚度等特征量。慣性區(qū)典型長度尺度(波長)比離地表面距離小。該區(qū)內(nèi)湍能只是從較大的渦傳遞給較小的渦,能量既不增加也不損耗,只是起到由低頻向高頻的慣性傳遞作用。該區(qū)內(nèi)湍流可以近似地看做是局地各向同性。耗散區(qū)隨著渦旋尺度的減小,由于受粘滯性的影響越來越強,能量損失不斷增大。該區(qū)內(nèi)湍能逐漸被耗散。對速度分量而言,湍能以(湍流脈動動能耗散率)的速率離開慣性區(qū)。同時在該區(qū)內(nèi)買東東能以的速率為
16、分子粘性作用所耗散。13. 請根據(jù)簡化的連續(xù)方程 ,導出平均量方程和脈動量方程,并簡述其主要過程。(1)將物理量根據(jù)雷諾平均分解為: ,(2)將平均量和脈動量表示的物理量代入原方程,則有(3)根據(jù)雷諾平均運算規(guī)則,有平均量方程和脈動量方程:14. 根據(jù)所給湍流脈動動能收支方程,指出方程中各項的物理含義。方程反映了邊界層中單位質(zhì)量空氣湍流動能的變化:(1)湍能儲存項,表示湍流能量的增強或減弱。(2)浮力作功對湍能的貢獻,表示單位時間內(nèi)浮力作功對湍流微團湍能的貢獻:正、負的物理解釋;(3)雷諾應力作功對湍能的貢獻。(4)脈動速度引起的湍流能量在垂直方向的輸送;若各個高度上輸送量不同,則在其層間有湍
17、能的累積或虧損。(5)壓力脈動作功對湍能的貢獻。(6)分子粘性耗損對湍能的耗損:盡管值本身的數(shù)量級很小,但在湍流場內(nèi)都較大,渦旋尺度越小其值越大,因而湍能耗散項在方程中不能忽略不計。15. 談談對常值通量層的理解。近地層較薄,可近似認為動量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化(風向也幾乎不隨高度改變),各種通量近似為常值,故稱為常值通量層。常值通量層通常指的是動量常值通量層。各種屬性(如動量和熱量)的常值通量層厚度一般不相同,各種屬性都滿足常值的條件,一般應是各屬性常值通量層厚度的最低者。這里的常值通量不是恒定常數(shù),而是一定時間、一定地點,在近地層范圍內(nèi),某種屬性的湍流(鉛直)通量為不
18、隨高度變化的常值。三、綜合分析題 (每小題 20 分,共 20 分)1. 請分析所給圖形,指出圖中三根廓線所表示的物理含義,并分析其形成的原因。 近地面層中不同大氣穩(wěn)定度下的典型風廓線(1)中性條件下的風速對數(shù)廓線在圖中是一條直線;(2)不穩(wěn)定層結時因有利于湍流混合,上層的動量迅速下傳使低層風速增大,因此風速廓線呈下凹狀(中午);(3)穩(wěn)定層結時相反,湍流受到抑制,不利于上層動量下傳,故低層風速較小,使風速廓線呈上凸狀(傍晚)。非中性層結近地層大氣,由于熱力因子作用,湍流結構存在變化。對于平均風廓線,中性層結呈對數(shù)分布;非中性層結偏離對數(shù)分布:穩(wěn)定層結呈上凸型;不穩(wěn)定層結呈下凹型。風(溫、濕)廓線隨穩(wěn)定度變化的一般規(guī)律:層結不穩(wěn)定,湍流發(fā)展,上下各層空氣湍流交換劇烈,風速分布趨向均勻,差異減小,垂直梯度比中性小,稱下凹型;層結穩(wěn)定,湍流受抑制,湍流交換微弱,上下風速差異大,垂直梯度加大,故風速分布呈上凸型。2. 根據(jù)所給Ekman方程的解,指出所反映的物理事實是什么?并結合所給圖形,分析邊界層中Ekman螺線的主要特征。物理事實是:隨高度增加,夾角逐漸減小,而V逐漸增大
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