Приземный слой атмосферы
50 лет теории подобия Монина-Обухова
Что должны знать географы по физике приземного слоя
Определение приземного слоя Определение, размерность и порядок величины касательных напряжений (сравнительно с давлением)
Определение динамической скорости и назначение ее Определение турбулентных потоков тепла и влаги, их размерность и порядок величин Постоянство потоков и напряжений
Определение и значения высоты ПрзС при устойчивой и неустойчивой стратификации Значения градиентов скоростей, температуры и массовой доли Выражения для потоков в К-теории Выражение потоков через коэффициент проводимости и сопротивления
Турбулентные числа Прандтля и Шмидта, их значения ДОк-во теоремы Прандтля о логарифмическом профиле Уровень шероховатости и как его вычислить
Высота вытеснения, определение назначение и значения для разных п/п Теорема Монина-Обухова о подобии профилей в стратифицированном ПрзС Понятие о масштаба М-О и методе его оценки Понятие о числе Ричардсона
Связь числа Ричардсона с z/L
О практических методах оценки турбулентных потоков по градиентным наблюдениям
Определения и основные понятия
Приземный слой – это ближайшая и сильнее всего связанная с землей часть турбулентной атмосферы
Турбулентность в нем зависит от расстояния до подстилающей поверхности
В приземном слое самые большие градиенты скорости ветра, температуры и диффундирующих субстанций, переносимых от земной поверхности.
Атмосферные слои
Суточный ход ветра и температуры в пограничном слое
Турбулентные напряжения
Напряжение – это сила, действующая на единицу площади (Н/м2 или кг м1с2)
Турбулентные напряжения или напряжения Рейнольдса –
это напряжения, вызывающие дефоормации частиц при турбулентном движении
Они обозначаются w u
Касательное напряжение за |
|
Eddy |
|
|
Force arising |
||||||||||
mixing |
|
|
|||||||||||||
счет вертикального переноса |
|
|
|
from w'u' |
|||||||||||
|
|||||||||||||||
составляющей u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
zx a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
w u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y
x
Поток импульса
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
z |
|
a |
|
|
|||||
|
|
|
|||||||||
Величина потока |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
w u |
w v |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Составляющие потока [м2с2] |
|
|
|
|
zx |
|
|||
w u |
|||||||||
|
a |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
zy |
||
|
|
w v |
|||||||
|
|
|
a |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Масштаб потока импульса – динамическая скорость или |
||||||||||||
скорость трения [мс1] |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
1 4 |
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
* |
|
|
|
z |
|
||||||
|
|
|
|
|||||||||
u |
|
|
|
|
|
|
a |
|||||
|
|
w u |
|
w v |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
s |
|
|
s |
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Потоки тепла и влаги
Турбулентный поток тепла (Вт м2)
H f acp,d w v
Его кинематический эквивалент (м K с1) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
H f |
|
|
w v |
|
|||||||
acp,d |
||||||||
|
|
|
|
|
||||
Турбулентный поток пара (кг м2 с1) |
||||||||
|
E |
f |
|
|
w q |
|||
|
|
|
a |
v |
||||
Его кинематический эквивалент (м кг с1 кг1)
w qv E fa
Свойство приземного слоя 1 –
вектор касательного напряжения у земли строго противоположен направлению приземного ветра
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vz0 |
z z z |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
tg |
u |
|
z |
|
|
|
0 |
|
|
|
u |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
0 |
|
|
u |
z0 |
z |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
z z |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
z0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
K |
z |
|
|
|
y0 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
z |
|
|
|
|
|
y0x z0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z0 |
|
|
|
|
|
|
||
v |
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
u |
|||
|
z |
|||
|
z |
|
|
|
|
|
z0 |
|
|
Иначе: ветер и касательное напряжение лежат на одной прямой 
Свойство приземного слоя 2 – постоянство потоков по вертикали
|
|
K u l ( v |
||||
|
|
|
||||
z |
|
z |
|
|||
|
|
|
||||
|
|
|
v |
|
||
|
|
K |
l ( u |
|||
|
|
|
|
z |
||
z |
|
|
||||
|
|
|
|
p |
|
|
u |
|
|
K u |
|
|
z |
G cos )dz |
0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
1 |
|
|
K |
|
|
|
|
l ( v |
||||||||||
G cos ) |
0, |
|
|
|
l G cos |
|
z |
|
z |
|
z |
|
z0 |
z |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
1 |
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
l G sin ) |
0, |
|
|
l G sin |
|
|
K |
|
|
l ( u |
G sin )dz |
0 |
||||||||
|
|
|
y |
|
K |
z |
|
z |
z |
|
z |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
u |
|
|
|
|
v |
|
|
|
z |
|
z |
||||||
K |
|
|
2 |
, K |
|
0 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
z |
|
|
v* |
z |
|
|
v |
2 |
|
|
|
|||||||
|
|
z |
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
* |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
v |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
z |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v* |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
l |
|
z |
|
|
|
|
l G z |
|
|
|
|
|
|
l G z |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
( v |
G sin )dz |
1 |
|
|
|
|
( v / G |
sin |
) |
1 |
|
|
O(1) |
||||
|
|
|
2 |
2 |
2 |
||||||||||||||||||
|
|
|
v* |
z0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v* |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v* |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
l |
|
|
|
z |
|
|
|
l G z |
|
|
|
|
|
|
|
l G z |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
(u |
G |
cos )dz |
|
|
2 |
(u / G |
|
cos |
) |
|
2 |
( O(1) |
O(1)) |
|||||||
v* |
2 |
v* |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
z0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v* |
|
|
|
|
|||