🗊Презентация Динамика пограничного слоя атмосферы

Динамика пограничного слоя атмосферы

Основные вопросы: Определение понятия планетарный и внутренний ПС, значение для атмосферы, специфические процессы Тепловой и динамический ПС. Суточный ход стратификации в ПС Что такое динамическая турбулентность?Смысл и определение числа Рейнольдса Что такое конвективная турбулентность?Смысл и определение числа Реллея (Грасгофа) Назначение, смысл и определение числа Ричардсона Методика получения уравненией турбулентного ПС Суть проблемы замыкания Уравнение баланса энергии турбулентности (смысл слагаемых) Уметь оценить значение интегрального к-та турбулентности (ф-ла Лайхтмана) Постановка и решение задачи Экмана. Свойства «спирали Экмана» Вертикальные токи на верхней границе экмановского ПС и понятие «экмановское накачивание»

Пограничный слой (ПС) – это слой, в котором характеристики атмосферы непосредственно и сильно зависят от взаимодействия с подстилающей поверхностью

Значение ПС Через него происходит приспособление атмосферы к свойствам подстилающей поверхности В нем наблюдается суточный ход метеорологических характеристик В нем генерируется турбулентность Он определяет интенсивность потоков тепла, влаги и аэрозолей в атмосферу

Планетарный пограничный слой Охватывает всю Землю Имеет перменную толщину Содержит внутренние пограничные слои Подстилается приземным слоем

Горизонтальная неоднородность пп – причина образования внутренних пограничных слоев

Атмосферные явления связанные с внутренними пограничными слоями Прибрежные фронты Приморские бризовые циркуляции Озерные бризы Фронты порывистости Конвективные явления - горизонтальные вихри «роллы», открытые/закрытые конвективные ячейки Антропогенные острова тепла Местные циркуляции над неоднородной подстилающей поверхностью Горно-долинные и стоковые ветры

Масштабы внутри ПС, вязкий подслой Пограничный слой (ПС) – это слой, в котором характеристики атмосферы непосредственно и сильно зависят от взаимодействия с подстилающей поверхностью В конечном счете, это взаимодействие определяется молекулярной вязкостью, но она сосредоточена только в тонком вязком подслое Выше него атмосферу уже можно считать идеальной жидкостью

Суточный ход потоков энергии у подстилающей поверхности

Структура ПС в суточном ходе при безоблачном небе (профиль θ )

Строение ПС и его суточный ход

Изменения амплитуды суточного хода температуры с высотой. Тепловой ПС

Схема суточного хода высоты ПС Днем над сушей высота ПС максимальна, но зависит от синоптической ситуации. Над морем суточный ход ослаблен Влияние синоптической ситуации Вблизи антициклонов, где имеет место дивергенция и оседание, пограничный слой тонок Но вблизи областей низкого давления, где происходит конвергенция и возникают восходящие токи, высота пограничного слоя резко возрастает, за счет возникновения мощных кучево-дождевых облаков

Турбулентность явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные возмущения различных размеров без наличия внешних. экспериментально открыта Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения несжимаемой жидкости (воды) в трубах.

Запись скорости ветра малоинерционным анемометром Пики, выделяющиеся около средней скорости ветра – это проявление турбулентности. В левой части рисунка период интенсивной турбулентности (около 12 ч 30 мин) В правой – слабой турбулентности (около 14 часов)

Понятие «турбулентный поток»

Неустойчивость круглой струи.

Вторичная неустойчивость на вогнутой стенке

Причины турбулентности в ПС. 1 сдвиг скорости.Число Рейнольдса Граница с вязкм подслоем испытывает сильный сдвиг скорости, поэтому там развивается неустойчивость потока. Это главная причина турбулентности. Атмосфера всегда турбулентна!

Причины турбулентности в ПС. 2 В дневное время подстилающая поверхность оказывается сильно нагретой. От нее развивается конвекция. Это вторая причина турбулентности. Дж.У.Реллей установил, что критерий возникновения конвекции в слое жидкости толщиной h между двумя плоскостями с разностью температур dT имеет вид Ra = gh3 dT/, где g — ускорение силы тяжести, b — коэффициент теплового расширения жидкости,  — коэффициенты её вязкости и температуропроводности. Критическое число Рэлея Rakp имеет значение около 1100—1700.

Смысл и определение числа Реллея (Грасгофа)

Термики, всплывающие от нагретой поверхности и развитая конвективная турбулентность

Людвиг Прандтль в 1904 году ввел понятия «пограничный слой» и «основной поток»

Вихри в зависимости от устойчивости

Дым в зависимости от стратификации θ

Как возникает критерий устойчивости Ri>¼

Каскад кинетической энергии – перенос ее от низких частот к высоким Анализ флуктуаций производится с помощью спектров кинетической энергии турбулентности по частотам (периодам) или размерам вихрей, полученным с помощью гипотезы «замороженной турбулентности Пик кинетической энергии на масштабе 100 часов соответствует синоптическим изменениям средней скорости ветра на метеостанции Меньший пик на периодах 10 часов – это проявление суточных колебаний средней скорости ветра Минимум в спектре приходится на мезомасштабные возмущения с периодом около 1 часа Пик кинетической энергии на периодах порядка одной секунды (0.01 часа) – это проявление турбулентных пульсаций скорости ветра.

Спектр масштабов турбулентных движений A- интервал генерации турбулентности (масштаб при конвекции –толщина слоя, при динам. турбулентности – длины неуст. волн Кельв.-Гельлм) B – инерционный интервал Колмогорова (трехмерная, изотропная турбулентность) C- интервал диссипации энергии (около 1 мм)

Этапы развития теории: А

Усреднение Рейнольдса 1 для вектора ускорений

Усреднение Рейнольдса 2

Приближение Буссинеска для выявления влияния силы Архимеда

Уравнение динамики в турбулентной атмосфере в приближении Буссинеска. Тензор поверхностных сил (турбулентных напряжений)

Проблема замыкания и уравнения Фридмана-Келлера В уравнениях Рейнольдса имеется девять компонент тензора напряжений, которые нужно выразить через средние значения для замыкания задачи Самый корректный способ это сделать – составить цепочку уравнений для моментов – уравнений Фридмана-Келлера. Примером такого подхода является уравнение баланса энергии турбулентности.

Уравнение баланса энергии турбулентности (УБЭТ) - вывод

Преобразование слагаемых УБЭТ. 1

Преобразование слагаемых УБЭТ. 2

УБЭТ: смысл слагаемых

Составляющие УБЭТ с высотой

Упрощения уравнений для пограничного слоя атмосферы

Решение проблемы замыкания – простейший вариант

УБЭТ: простейший расчет коэффициента турбулентности

Рабочая формула для оценки постоянного по ПС коэффициента К

Зависимость К от Vg и T=Т0-(ТH+H)