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第八章大氣行星邊界層

——主要內容§1大氣邊界層及其特征§2湍流平均運動方程、混合長理論§3近地面風隨高度的變化規律★§4埃克曼層中風隨高度的變化規律★§5二級環流、埃克曼抽吸和旋轉減弱★物理分析§5二級環流、埃克曼抽吸和旋轉減弱

在Ekman中，三力平衡下，風要穿越等壓線，從高壓指向低壓。

在邊界層中，三力平衡下，風要穿越等壓線，從高壓指向低壓，則氣旋區產生輻合上升，反氣旋區產生輻散下沉。這種邊界層頂的垂直運動，稱為Ekman抽吸。

相應的，自由大氣中的氣旋區要產生輻散，反氣旋區要產生輻合，這樣就在垂直面內形成閉合環流。如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級環流，則稱這個由一級環流誘發的、在垂直面上的閉合環流，為二級環流。二級環流的作用：使邊界層與自由大氣發生物理量交換。(1)從角動量的角度看：結果：由自由大氣向邊界層輸送角動量。

自由大氣角動量減少，大氣旋轉減弱邊界層角動量增加，以補償耗散。

（2）從渦度角度看：注意：自由大氣中忽略耗散，是通過與邊界層發生相互作用使得大氣旋轉減弱，耗散發生在邊界層。Ekman抽吸與二級環流風穿越等壓線由高壓吹向低壓而輸送的質量，是由v分量引起的。——考察由高壓向低壓輸送情況。

由于穿越等壓線從高壓向低壓輸送質量，在氣旋（低壓）產生輻合上升，反氣旋（高壓）產生耗散下沉，在邊界層頂產生垂直運動。由輻合量得到相應的垂直速度。

上該式表明，埃克曼層頂的垂直速度w(De)與地轉風渦度g成正比。對于典型的天氣尺度系統來說，g～10-5m/s，f～10-4/s，De～103m，w≈0.510-2ms-1，這與自由大氣本身的垂直速度具有相同的量級。

準地轉渦旋流場中，由于湍流摩擦效應將會在埃克曼層中造成強迫的鉛直環流，它疊加在準地轉水平環流（地轉渦旋的切向環流，也稱為一級環流，它是自由大氣不計湍流粘性應力而形成的環流）上，稱之為二級環流。二級環流是由行星邊界層摩擦所驅動，所以產生此二級環流的機制稱為埃克曼抽吸。二級環流示意圖大氣旋轉減弱名次解釋

1.行星邊界層(PBL)2.埃克曼(Ekman)層3.上部邊界層4.雷諾應力5.普朗特(Prandtl)混合長6.湍流摩擦力7.風的對數分律8.風的指數分布律9.埃克曼螺線10.埃克曼高度11.梯度風高度12.埃克曼抽吸13.一級環流14.二級環流15.旋轉減弱16.埃克曼抽吸17.摩擦速度。

隨高度（Z），風速C逐漸增大，當到某一高度時，風與地轉風的大小相等，令該高度為Zc：Zc

略小于/2hE，為埃克曼標高的1.46倍。作業題1：

偏角隨高度逐漸，風向自地面向上朝右旋轉，到某一高度與地轉風方向趨于一致。其中第一次與地轉風方向一

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