第七章 大气边界层内风特性
第三讲：大气边界层风基本特性
大气边界层风基本特性
湍流特性描述脉动风速谱
14 12
U(m/s)
10 8 6 4 2 3 4 5 6 7
t(s)
U ( t ) U u ( t ) 10 sin( i t i ) ,
i 1
n
i 2 [0.1:0.1:5] i ,
i rand
H G1 z2 U 2 ( z 2 ) U 1 ( z1 ) z1 H G 2
1
2
基本风压的概念
大气边界层风基本特性
☆ 空旷平坦地面上 ☆ 离地10m高度上 ☆ 50年一遇平均最大风速
w0
1 2
v
2 0
v
2 0
1.6
基本风压的概念
w0
1 2
v
2 0
v
2 0
1.6
大气边界层风基本特性
风场换算举例：石家庄北国商城附近为例
大气边界层风基本特性
风场换算举例：石家庄北国商城附近为例
☆ 第一步：确定石家庄基本风压（查阅规范）
☆ 第二步：确定目标地区地貌类别（实地考察或者专家建议） ☆ 第三步：根据梯度风速相等原则，换算目标地区风速。
风工程概论
第三讲：大气边界层风基本特性
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美好回忆
地球大气层
对流层
大气边界层定义
大气边界层风基本特性
大气边界层：地球表面对运动空气施加水平阻力，使气流减慢，湍流
的掺混使这种影响扩展到称为大气边界层的整个区域。大气边界层的厚度通 常从几百米到几公里。边界层内的风速随高度而增大，边界层顶的风速值常
大气行星边界层第七章ppt课件-PPT文档资料
1 q t
t t/2
t t/2
qdtd
2、平均运动方程求法 大气运动方程
dV Fi dt i
V 是瞬时运动，存在湍流时是不确 定的，只有平均运动才有规律 ——平均运动方程
边界层的特征ห้องสมุดไป่ตู้ 1、几何学特征：D<<L；
2、运动学特征：湍流运动 （受地面粗糙度影响）； 3、动力学特征：湍流粘性力重要。
湍流－－不规则的、杂乱无章的涡旋 运动。能引起强烈的混合作用。 －－物理量输送： 1、存在物理量的梯度
湍流粘性力 动量输送 热 量 水汽、
2、从物理量大值区向小值区输送
3、边界层中物理量的垂直梯度大， 所以，输送主要在垂直方向上。
边界层是热量、水汽源、动量汇
研究边界层目的： 1、边界层本身的特性： 如污染物的扩散，飞机起降、植物 生长等。 2、在整个大气中起重要作用： 如数值预报中的物理过程描述，大气 运动的强迫耗散问题。
第一节 大气分层
地表既是大气的动力边界，也是大 气的热力边界。 大气边界层，由于受地表（固壁粗糙 不平）影响－－湍流边界层。 地表对大气的影响随高度增加而较弱 ——湍流的强度随高度增加而较弱。 ——湍流粘性力随高度增加而减小。 ——湍流粘性力的重要性随高度不同 而不同。
q 1 q 2 q 1 q 2 2q 1 q2 ) q 2 q 1q 2 (q 1q 2 q 1q 2 q 1 q 1q 2 q 1q q 1q 2 q 1q 2 q q x x
二、平均运动方程组
1．平均连续方程：
( V ) 0 瞬时连续方程 t
大气边界层物理
研究意义
地面的摩擦作用，使大气边界层成为大尺度运动动能的汇（见大气角动量平衡）。地面的物理量，如动量、 热量、水汽含量等，向自由大气的输送，都要通过边界层，从这种意义上讲，大气边界层又是向大气输送物理量 的源。因此关于大气边界层的物理知识，对大尺度天气过程的演变、长期预报和气候理论等问题的研究，都是很 重要的。
感谢观看
当流体在大雷诺数条件下运动时，可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据 边界层的这一特点，简化纳维－斯托克斯方程，并加以求解，即可得到阻力和传热规律。这一理论是德国物理学 家L·普朗特于1904年提出的，它为粘性不可压缩流体动力学的发展创造了条件。
大气边界层分析图流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽 略；但在固体壁面附近的薄层中，粘性力的影响则不能忽略，沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层 叫做边界层。流体的雷诺数越大，边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度 δ通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。根据雷 诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且 边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻 近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。
发展
大气边界层物理的发展，还与国民经济和国防建设的发展密切相关。例如：高建筑物（如高楼、桥梁、高塔 等）的风负荷（见建筑气象学）；波在湍流大气中的传播；对于原子、化学、细菌战争的防护，导弹、火箭运行 的气象保障，新式兵器现场使用的气象条件的研究（见军事气象学）；随着工业发展而出现的大气污染，大气公 害问题的研究；农作物生长的气象条件的研究（见农业气象学）等；都与大气边界层物理的研究有关。
大气边界层概述
夜间边界层温度垂直分布的演变
2001年1月27日-28日逆温生消的演变过程
300
250
高 200 度 150
1999/10/5 08:00，北京 露点和大气温度垂直分布
不稳定
稳定（逆温）
不稳定边界层风、温廓线
稳定边界层风、温廓线
夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不 同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温， 严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演 变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是
生态边界层示意图
一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一 个很困难的问题。有时，上界很明显，例如逆温盖，在盖 子以下大气受下垫面影响很大，而在盖子以上则未受影响。 但在通常情况下这种明显的界限是不存在的，下垫面的作 用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地，类似于流体动力 学中边界层厚度的定义，定义大气边界层的上界为在这个 界面上 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减 小到地面值的很小一部分，例如1%。但有时 也以逆温层顶 作为大气边界层上界。
大气边界层概述
王成刚 大气物理系
与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、 “机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行 星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表 上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此 产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不 过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平 尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。 在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的 水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方 向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大 小在随高度变化的同时，风向也随之变化。
大气边界层理论
⼤⽓边界层理论⼤⽓边界层是地球⼀⼤⽓之间物质和能量交换的桥梁。
全球变化的区域响应以及地表变化和⼈类活动对⽓候的影响均是通过⼤⽓边界层过程来实现的。
由于⼈类⽣活在⼤⽓底层⼀⼤⽓边界层中,因此⼈体健康与⼤⽓环境密切相关。
天⽓、⽓候的变化往往会影响到⼈体对疾病的抵御能⼒,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的⽓象条件⼜使病毒、细菌等对⼈体有害的⽣物繁殖、传播,使⼈们感染⽽患病。
在城市尤其是⼤城市,⼈⼝、机动车、燃煤量的增加,以及城市⼯业化的发展,⼤量⽣产中的废⽓、尘埃和汽车尾⽓排放到⼤⽓中加上⾼⼤建筑的增加,改变了城市的⼩⽓候,使城市在⽆强冷空⽓活动的情况下,⼤⽓扩散能⼒极差,造成⼤⽓质量不断恶化,从⽽危害到⼈体健康,影响⼈类的正常⽣活。
因此,边界层尤其是城市边界层⼤⽓结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。
边界层定义为直接受地⾯影响的那部分对流层,它响应地⾯作⽤的时间尺度为⼩时或更短.⼤⽓边界层,是指受地球表⾯摩擦以及热过程和蒸发显著影响的⼤⽓层。
这些作⽤包括摩擦阻⼒、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响⽓流变化的建筑物和地形等。
边界层⼀般⽩天约为1 km,夜间⼤约在200 m左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在⼤⽓边界层内。
地⾯典型吸收率约为90%,其结果使⼤部分太阳能被地⾯吸收。
正是地⾯为响应太阳辐射⽽变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程⽽变化。
边界层内⽓流或风可以分为平均风速、湍流和波动三⼤类。
边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在⽔平⽅向上受平均风速⽀配,在垂直⽅向上受湍流⽀配平均风速是造成快速⽔平输送或平流的主要原因。
边界层中⼀的⽔平风速2~10 m是常见的。
在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量⽅⾯却有着显著的作⽤。
许多边界层湍流是由来⾃地⾯的作⽤引起的,例如⽩天阳光充⾜,地⾯的太阳加热使暖空⽓热泡上升,这种热泡就是⼤湍涡。
大气边界层风的特性汇总
平均风日变化 时
间
平均风月变化
特
性 平均风随季度变化
平均风速日变化
平均风时间特性
平均风速月变化
平均风时间特性
平均风速季度变化
平均风时间特性
通常在北半球中高纬度大陆地区，由 于冬季有利于高压生成，夏季有利于低压 生成。因此，冬季平均风速要大一些，夏 季平均风速要小一些。
我国大部分地区，最大风速多在春季 的三、四月，而最小风速则多在夏季的七、 八月份。
1、大气边界层 2、边界层自然风 3、平均风特性 4、脉动风特性
1000~1500
大气边界层
大气边界层 大气边界层的厚度通常从几百米到几公里。
0.15
450
550
自然风
自然风实测记录
瞬时风速
自然风
=
平均风速
+
脉动风速
基本风速： 开阔平坦地面 离地10米高
100年重现期10分钟。
设计基准风速： 在基本风速基础上
：大气底层内z′高度处的平均风速 ：摩擦速度或流动剪切速度 ：卡曼常数(Karman) ：地面粗糙长度(m) ：有效高度(m)
二、指数率
平均风空间特性
v
z
vb
z zb
zb , vb
：标准参考高度和标准参考高度处的平均风 速；
z , v z ：任一高度和任一高度处的平均风速；
：地面粗糙指数
风玫瑰图
平均风向
脉动风特性
表征风的脉动分量的参数有（紊流 度）、（紊流积分尺度）、（脉动速度的 功率谱与互谱）等等
紊流度
脉动风特性
紊流度剖面
紊流积分尺度
脉动风特性
脉动风速谱
脉动风特性
风能工程中的流体力学
V
(z)
(V* k
)[ln(
z z0
)XLeabharlann s(z Ls
)],
z
z0
平均风特性及模型
这里Ls 为莫林--奥布霍夫(Monin--Obukhov) 稳定长度, 它是大气运动所 引起的剪切力与热浮力之比。如果Ls 的绝对值大于500, 则大气边界层是中性 稳定的,- 500 < Ls < 0, 则大气边界层不稳定, 0 < Ls < 500, 则大气边界层稳定。 参数Xs 称为大气稳定度函数, 其表达式为： 当大气为中性层结时 Xs= 0 当大气为不稳定层结时 Xs = 4.5z/Ls; z<Ls
脉动风速V'是风速中去除平均风速后的振荡风速, 其统计平均特 性为0, 其概率密度函数非常接近于高斯分布或正态分布, 可表达为
p(V ')
1
2
exp[
V
2
'2
2
]
式中 为V’的均方根值。 湍流脉动风可采用统计特性如湍流强度、湍流尺度、相关函数、功率谱密
度、阵风系数等来描述大气运动中的湍流结构。
脉动风特性及模型
风能工程中的流体力学 —大气边界层风的特性
目录
一、研究背景 二、平均风特性及模型 三、脉动风特性及模型 四、大气边界层风特性的影响因素 五、总结
研究背景
风能是目前可再生能源中技术相对成熟, 并具有规模化开发条件和 商业化发展前景的一种能源。
风力发电是将大气边界层内的风能转化为电能的技术, 风力发电的 效益取决于风速的时间与空间分布以及风力机的风能利用效率。
大气边界层风速分布特性研究
大气边界层风速分布特性研究大气边界层是地球表面上的一层气体，它与地面相接触并受到地表辐射和摩擦的影响。
在大气边界层中，风速是一个重要的气象参数，它对于气候、天气和环境的研究具有重要意义。
本文将从不同的尺度和高度来探讨大气边界层风速分布的特性。
首先，从垂直尺度来看，大气边界层的风速分布可以分为垂直递增和垂直递减两种情况。
在较低的高度范围内，风速随着高度的增加呈现递增的趋势，这是由于地面摩擦的作用造成的。
随着高度的增加，地面摩擦逐渐减弱，风速逐渐增大。
然而，在较高的高度范围内，风速随着高度的增加呈现递减的趋势，原因是大气边界层内的动力平衡和热力平衡的变化。
这种垂直分布特性的研究对于风能利用和大气污染控制等方面具有重要指导意义。
其次，从水平尺度来看，大气边界层的风速分布具有明显的空间异质性。
这种空间异质性主要受到地形、地表条件和大气环流等因素的影响。
例如，山脉和山谷等地形特征会改变风的流向和速度。
而不同类型的地表，如水域、林地和城市等，也会对风速产生明显的影响。
此外，大气环流的变化也会导致不同地区风速分布的差异。
因此，研究大气边界层风速的空间分布特性，有助于理解风能资源的潜力，并指导风电场的选址和规划。
再次，从时间尺度来看，大气边界层的风速分布存在着明显的时空变化。
短期内，风速受到天气系统和地表风状况的影响，呈现出较大的波动。
例如，在冷锋和热锋等天气系统的过程中，风速会发生剧烈的变化。
长期来看，风速还具有明显的季节性变化。
例如，在夏季，大气边界层的风速较低；而在冬季，大气边界层的风速较高。
这种时间尺度上的变化对于气候和环境变化的研究具有重要意义。
综上所述，大气边界层风速分布的特性受到多种因素的影响，包括垂直尺度、水平尺度和时间尺度。
研究大气边界层风速的分布特性，对于风能资源的利用、天气预报和环境监测等方面具有重要意义。
因此，我们需要进一步深入研究大气边界层风速的分布规律，并探索有效的利用方法，以实现可持续发展和环境保护的目标。
大气边界层中的风场特性研究
大气边界层中的风场特性研究大气边界层是指地球表面与大气中上层之间存在明显温度、湿度、风速及其他气象元素变化的层次。
研究边界层中的风场特性对于理解大气运动、气象灾害的形成机制以及风能利用等方面具有重要意义。
本文将探讨大气边界层中风场的特性。
一、大气边界层简介大气边界层是地球表面到几千米以上高度的大气中相对较薄的一部分。
其上部是自由大气，下部是陆地或海洋。
大气边界层主要受到地表摩擦力和辐射作用的影响，形成了特殊的气象环境。
二、边界层中的风场特性1. 线性风场和湍流风场大气边界层中的风场可以分为线性风场和湍流风场。
线性风场是指在平稳的大气条件下，风速和风向呈直线分布。
湍流风场则是受到地表摩擦力和大气不稳定性的共同作用，风速和风向均存在相对明显的变化。
2. 影响风场的因素边界层中的风场受到多种因素的影响，包括地表摩擦力、地形起伏、大气湍流、热力和动力过程等。
地表摩擦力是边界层风场变化的主要原因，地表粗糙度和风速之间的关系对边界层风场起到重要作用。
3. 风速和风向的时空变化在大气边界层中，风速和风向的时空变化较为显著。
在水平方向上，风速随着高度增加而逐渐增大，同时风向也会发生一定的变化。
在垂直方向上，风速和风向的变化较为复杂，通常表现为离地面越远，风速越大，风向的变化也越大。
4. 大气边界层中的风能利用由于大气边界层中风速和风向的变化特性，使得风能利用成为一种可行的可再生能源。
通过建立风电场，可以利用边界层中的风能进行发电，为人们提供清洁、可持续的能源。
三、风场特性研究的意义研究大气边界层中的风场特性对于多个领域具有重要的意义。
首先，对于气象灾害的研究和预测，了解边界层中的风场特性可以提前预警，并采取相应的措施减轻灾害损失。
其次，风能利用是可再生能源的一种重要形式，研究风场特性可以帮助优化风电场的设计和机组布局，提高风能的利用效率。
此外，对于空气污染的传输和扩散研究也需要深入了解边界层风场的变化规律。
结论大气边界层中的风场特性研究对于深入了解大气运动和气象环境具有重要的意义。
大气行星边界层第七章
第二节 边界层的一般特点
1、近地面层中，气象要素的日变化大： 地表（热容量小），由于太阳辐射作
用其日变化大。 ——近地面层贴近地面，因而日变化大。 2、近地面层中，气象要素的垂直梯度大
（与近地面层外部比；与水平方向比）
3、湍流运动引起物理量的输送； 由于垂直梯度大，所以垂直向输送>> 水平向输送。
处理“脉动量的二次乘积项的平 均值”有两种方法
高阶矩闭合 半经验理论 : 主流
1）高阶矩闭合 用瞬时方程－平均方程
(u ) (u )
t
t
u t
uiuj
—
—（1）
同理：w t
uiuj
—
—（2）
w (1) u (2)
uw t
uiu
juk
"eq."
uw t
uiujuk
如此：得到某次乘积项，又
3、上部摩擦层（Ekman层）： 高度为1－1.5km
湍流粘性力、科氏力、压力梯度力
同等 重要。
F压＋F科＋F粘 0
4、自由大气： 湍流粘性力可略 ——准地转。
F压 F科 0
一般把大气分为三层： 近地面层、上部摩擦层、自由大气
大气边界层上近部地摩面擦层层 — —湍流粘性力重要 自由大气 — — — — — —湍流粘性力可略
低压系统：边界层中穿越等压线指向低压
——辐合上升——1）边界层气旋加强补偿 湍流粘性耗散。2）自由大气产生辐散使得 气旋减弱。
思考：
已知低层具有如下的风压场配置，请 画出可能相对应的高层风压场配置。
第三节 大气的湍流运动与平均运动方程
一、湍流的概念
湍流：无规则涡旋运动 ——随机运动
大气边界层内风场的变化特征研究
大气边界层内风场的变化特征研究大气边界层是地球大气系统中的重要组成部分，对气候、环境和生态系统的稳定性都起着重要的调节作用。
在大气边界层内，风场的变化特征一直备受关注。
本文将从观测和模拟两个方向探讨大气边界层内风场的变化特征。
一、观测研究观测是研究大气边界层内风场变化特征的重要手段。
通常采用气象观测站、气象雷达等设备进行实时观测，获取风速、风向等信息。
观测数据可以用来分析风场的频率、强度和风向分布等特征。
研究表明，大气边界层内风场的变化具有明显的时间和空间尺度特征。
在时间尺度上，风场的变化可以呈现出小时尺度的风暴风、日尺度的气旋和季节尺度的风向变化等。
在空间尺度上，风场的变化受到地形、地表覆盖和地理位置等因素的影响。
例如，山脉和海洋等地貌特征会对风场的分布产生显著的影响。
二、模拟研究除了观测，模拟也是研究大气边界层内风场变化特征的重要方法。
通过建立数值模型，可以模拟出不同条件下的风场变化情况。
模拟研究可以揭示大气边界层内风场变化的机制和规律。
例如，大气边界层内风场变化的主要驱动力是地表温度差异引起的热力效应，不同地表特征和地形可以引起风场的非均匀性。
模拟结果可以帮助我们理解风场变化的原因，并预测未来可能的变化趋势。
三、影响因素分析大气边界层内风场的变化受到多种因素的综合影响。
除了地表特征和地形等因素外，大气底部的辐射、湍流和大气湿度等因素也会对风场的变化产生重要影响。
例如，地表辐射会引起地表的加热和降温现象，从而导致冷空气和暖空气的生成和运动，进而影响风场的分布和强度。
此外，湍流也是影响风场变化的重要因素，它可以在边界层内传递能量和动量，从而引起风场的变化。
四、对气候变化的启示大气边界层内风场的变化特征对气候变化的研究具有重要意义。
随着全球气候的变暖，大气边界层内风场也在发生变化。
研究发现，气候变暖会导致大气边界层风速的减小，风向的变化也较为明显。
这对于气候模型的模拟和预测具有重要的指导意义，可以提高对未来气候变化的准确性和可预测性。
大气边界层中的风能资源评估
大气边界层中的风能资源评估风能作为一种可再生能源，在可持续发展和应对气候变化的背景下，越来越受到关注。
评估大气边界层中的风能资源是决定风能开发潜力和确定风电场布局的重要一环。
本文将就大气边界层中的风能资源评估进行介绍。
一、风能资源评估的背景与重要性大气边界层中的风能是指位于地球表面附近，受到地球自转和地形等因素影响的风。
根据国际能源署（IEA）的数据，大气边界层中的风能资源对全球能源供应有巨大潜力，而目前只开发了其中的一小部分。
评估大气边界层中的风能资源可以为风电场的规划和布局提供科学依据。
准确评估风能资源的可利用程度有助于降低风电场建设和运营的成本，提高风电发电效率，促进风能产业的健康发展。
二、大气边界层中的风能资源评估方法1. 现场调查与测量现场调查与测量是评估大气边界层中的风能资源的基础。
通过设置测风塔、测风杆等设备，在不同高度和地点进行风速、风向等参数的监测与记录，获取实际可靠的风能资源数据。
2. 数值模拟与预测数值模拟与预测是评估大气边界层中的风能资源的常用方法之一。
通过建立气象模型，分析地理条件、地形、地表覆盖等因素对风能分布的影响，并预测特定地点的风能资源分布情况。
3. 遥感技术应用遥感技术应用是评估大气边界层中的风能资源的新兴方法。
通过卫星遥感、激光雷达等技术，获取广阔区域的风速、风向等数据，辅助风能资源评估，提供全面的风能信息。
三、大气边界层中的风能资源评估指标1. 有效风能密度有效风能密度是评估大气边界层中风能资源潜力的重要指标。
它表示单位面积（通常为平方米）内风能的平均分布情况，是选择风电场建设地点的依据之一。
2. 利用系数利用系数是评估大气边界层中风能资源利用程度的指标。
它表示实际利用的风能与总可利用风能之比，用于判断风电场的发电效率和可行性。
3. 风能贡献率风能贡献率是评估大气边界层中风能资源贡献程度的指标。
它表示风能在总能源供应中所占的比例，用于评估风能的可持续利用程度和环境影响。
大气边界层风场特性研究
大气边界层风场特性研究引言：大气边界层是大气圈中的一个重要部分，它紧贴地球表面，常常受地形、太阳辐射和地表特征等因素的影响。
通过研究大气边界层风场特性，可以深入了解大气运动规律，为天气预测、大气污染防治、风电场布局等提供科学依据。
一、大气边界层风场形成机制大气边界层的风场形成是由多种复杂的因素相互作用所决定的。
包括地球自转、地球表面几何形态、太阳辐射等。
例如，由于地表特征的不均匀性，产生了陆地和海洋的差异，进而形成了陆地上空和海洋上空的温度梯度，导致了大气运动的形成。
在白天，由于阳光的辐射，陆地受热更多，温度升高，而海洋受热较少，温度较低。
这种温差形成了气流上升，空气会自陆地移向海洋，这就是所谓的陆风。
同时，海洋上升的冷空气会填补陆地上升的暖空气，形成所谓的海风。
而在夜晚，由于陆地散热更快，温度下降，海洋保持一定的温度。
这时，温度梯度的方向相反，气流会从海洋移向陆地，形成所谓的海风。
这些陆风和海风的周期性变化，形成了一天中风的变化规律。
二、大气边界层风场特性观测方法为了研究大气边界层风场特性，科学家们采用了多种观测方法。
其中，常用的方法有气象气球观测、风廓线雷达观测和地面测风塔观测等。
气象气球是一种携带气象观测仪器的气球，通过释放气球并跟踪其运动轨迹，可以了解大气的温度、湿度、压力等信息，从而推断出大气层中各层次的风向和风速。
风廓线雷达是一种利用雷达原理测量大气中的风向和风速的仪器。
它通过发射射频信号并接收反射回来的信号，通过分析信号的频域和时域特征，可以得到大气中各高度层的风场特征。
地面测风塔是一种安装在地面上的仪器，用于观测和记录不同高度层的风向和风速。
这些测风塔一般设置在地形复杂的地区，以获得更准确的数据。
三、大气边界层风场的应用大气边界层风场的研究及其特性的认知可以应用于多个领域。
下面将简要介绍其中几个领域的应用。
1. 天气预测大气边界层风场特性的研究可以提供天气预测的重要参数。
了解风速和风向的变化规律，可以更好地预测降水、气温变化等天气现象的发生。
大气边界层风特性
第二部分大气边界层风特性一、基本概念1．太阳对地球大气辐射加热不均匀产生压力梯度，使得空气相对于地表的运动而产生风。
太阳辐射在赤道处最强，在两极处最弱，伴以地球的辐射，产生温度差，进一步导致大气压力差。
这一压差是不稳定的。
在压力梯度作用下，空气加速流动，形成风。
2．在地球的温带地区，较强风的发生主要指大型气候和经常发生的非热带风暴，这种天气系统的大小一般为1500公里，发生频率大约为4天~一周。
在大西洋沿岸，中国沿海地区、日本东南沿海地区和其他太平洋地区，经常发生热带气旋（“热带风暴”、“台风”或“飓风”的总称），特别在台风级风暴发生时，这些地区会经历非常强烈的风暴。
这一天气系统的大小一般为300~500公里。
热带气旋内的风速，以近中心最大。
国际上以近中心最大风速作为分类标准：7级风（13.9~17.1m/s）以下时，叫“热带低压”；8~11级风速（17.2~32.6m/s）时叫“热带风暴”；12级及以上风速叫“台风”（东亚）或“飓风”（西印度群岛和大西洋一带）。
对整个地球来说，这种风暴发生的频率大约100次/年。
台风气候的统计更困难：发生概率小；范围小；风经常将风速仪吹坏，等等。
（西北利亚的布冷风——Buran）3．上海地区的风气候一般和两种大气现象有关。
即非台风气候和台风气候。
4. 大气边界层风的基本构成（图示）梯度风、梯度风高度平均风+脉动风（x，y，z三个方向）二、平均风特性1. 平均风a ． 平均风速随统计时距的长短而变化时距要有一定的长度，以保证风速的非平稳性以充分衰减以及结构能出现稳定响应；时距不能太长，以保证平均的结果能反映阵风性质。
Davenport 建议10~15分钟为最合适的时距。
目前，多数国家采用10分钟为平均风速的时距。
（美国最近改为3秒平均）b ．平均风速随高度而变化● 由于地表障碍物的作用而造成。
● 在离地表一定高度以上，平均风速沿高度没有变化。
这一高度称为梯度风高度，梯度风高度以上的风速称为梯度风速。
第七章 大气边界层内风特性
7.3 平均风速随高度变化
风速廓线指数a 值与地表面粗糙度有关： 对近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取a = 0.12； 对田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中 小城镇和大城市郊区，取a = 0.16； 对有密集建筑群的城市市区，取a = 0.20； 对有密集建筑群且建筑物较高的城市市区，取a = 0.30。
平均风速的概率密度曲线p（x）（风频f与平均风速的关系） 不同平均风速累积的小时数占全年总时数的百分比。 累积分布函数P(x) ，可用来描述平均风速的累积分布 描述的是一年中大于某个风速的小时数
7.4 平均风速随时间变化
威布尔分布
式中c 和k可以通过引入Gamma函数 ，由平均风速 标准差 来进行计算，即
7.1 风的形成
7.2 大气边界层
风吹过地面时，由于地面上各种粗糙元（草地、庄稼、树林、建筑物等）的作用，会对风的 运动产生摩擦阻力， 使风的能量减少并导致风速减小。 减小的程度随离地面高度增加而降低， 直至达到某一高度时，其影响就可以忽略。这一层受到地球表面摩擦阻力影响的大气层称为 “大气边界层”
7.4 平均风速随时间变化
平均风速月变化 有些地区，在一个月中，有时也会发生周期为1天至几 天的平均风速变化。其原因是热带气旋和热带波动的影响 所造成的
在一个月中平均风速变化有几个不同的时间周期，但 每10天左右有一次强风是很显著
7.4 平均风速随时间变化
平均风速季度变化
平均风速随季度变化的大小取决于纬度和地貌特征，通 常在北半球中高纬度大陆地区，由于冬季有利于高压生 成，夏季有利于低压生成，因此,冬季平均风速要大一些， 夏季平均风速要小一些。 我国大部分地区，最大风速多在春季的三、四月，而 最小风速则多在夏季的七、八月。
大气边界层风的特性
时 间 特 性
平均风日变化 平均风月变化 平均风随季度变化
平均风时间特性
平均风速日变化
平均风时间特性
平均风速月变化
平均风速季度变化
平均风时间特性
通常在北半球中高纬度大陆地区，由 于冬季有利于高压生成，夏季有利于低压 生成。因此，冬季平均风速要大一些，夏 季平均风速要小一些。 我国大部分地区，最大风速多在春季 的三、四月，而最小风速则多在夏季的七、 八月份。
平均风向
风玫瑰图
脉动风特性
表征风的脉动分量的参数有（紊流 度）、（紊流积分尺度）、（脉动速度的 功率谱与互谱）等等
脉动风特性
紊流度
紊流度剖面
脉动风特性
紊流积分尺度
脉动风特性
脉动风速谱
脉动风速谱（风谱）： 描述的是紊流运动能量随频率的分 布情况，或者说不同尺寸旋涡的运动对 风速脉动的贡献程度。
平均风空间特性
平均风剖面（廓线）—离地高度特性
边界层内的风速随高度增加而增大， 风剖面的表示可采用对数律函数或指数律 函数表示。
平均风空间特性
一、对数律
1 * z v z v ln k z0
v z v* k , k 0.40 z0 z , z z zd
1、大气边界层 2、边界层自然风 3、平均风特性 4、脉动风特性
大气边界层
1000~1500
大气边界层 大气边界层的厚度通常从几百米到几公里。
0.15
450
550自然风Fra bibliotek自然风实测记录
自然风
瞬时风速 = +
平均风速
脉动风速
基本风速：
开阔平坦地面 离地10米高 100年重现期10分钟。
哈工大结构风工程课后习题答案
结构风工程课后思考题参考答案二、大气边界层风特性1 对地表粗糙度的两种描述方式：指数律和对数律（将公式写上）。
2 非标准地貌下的风速换算原则（P14）和方法（P15公式）。
3 脉动风的生成：近地风在流动过程中由于受到地表因素的干扰，产生大小不同的涡旋，这些涡旋的迭加作用在宏观上表现为速度的随机脉动。
在接近地面时，由于受到地表阻力的影响，导致风速减慢并逐步发展为混乱无规则的湍流。
脉动风的能量及耗散机制：而湍流运动可以看做是能量由低频脉动向高频脉动过渡，并最终被流体粘性所耗散的过程。
在低频区漩涡尺度较大，向中频区（惯性子区）、高频区（耗散区）漩涡尺度逐渐减小，小尺度涡吸收由惯性子区传递过来的能量，能量最终被流体粘性所耗散。
4 Davenport谱的特点：先写出公式通过不同水平脉动风速谱的比较：（1）D谱不随高度变化，而其他谱（如Kaimal谱、Solari谱、Karman谱）则考虑了近地湍流随高度变化的特点；（D谱不随高度变化，在高频区符合-5/3律，没有考虑近地湍流随高度变化的特点；）（2）D谱的谱值比其它谱值偏大，会高估结构的动力反应，计算结果偏于保守。
（3）S u(0)=0,意味着L u=0，与实际不符。
5 湍流度随高度及地面粗糙程度的变化规律：随地面粗糙度的增大而增大，随高度的增加而减小。
积分尺度随高度及地面粗糙程度的变化规律：大量观测结果表明，大气边界层中的湍流积分尺度是地面粗糙度的减函数，而且随着高度的增加而增加。
功率谱随高度及地面粗糙程度的变化规律：随着高度增大和粗糙度的减小，能量在频率上的分布趋于集中，谱形显得高瘦；随着高度减小和粗糙度的增大，能量在频率上的分布趋于分散，谱形显得扁平。
相干函数随高度及地面粗糙程度的变化规律：随地面粗糙度的增大而减小，随高度的增加而增大。
6 阵风因子与峰值因子的区别：阵风因子G=U’/U,是最大风速与平均风速的比值；峰值因子g=u max/σu是最大脉动风速与脉动风速均方根的比值。
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7.1 风的形成
7.2 大气边界层
7.3 平均风速随高度变化
7.4 平均风速随时间变化
7.1 风的形成
• 由于地球自转太阳热辐射不均所引起的空氣循环流动。太
阳将地表的空气加温，空气受热膨胀变轻上升,热空气上升 冷空气橫向进入，再次因为加溫而上升，从而造成空气的 流动，于是风诞生了。
7.4 平均风速随时间变化
平均风速月变化 有些地区，在一个月中，有时也会发生周期为1天至几 天的平均风速变化。其原因是热带气旋和热带波动的影响 所造成的
在一个月中平均风速变化有几个不同的时间周期，但 每10天左右有一次强风是很显著
7.4 平均风速随时间变化
平均风速季度变化
平均风速随季度变化的大小取决于纬度和地貌特征，通 常在北半球中高纬度大陆地区，由于冬季有利于高压生 成，夏季有利于低压生成，因此,冬季平均风速要大一些， 夏季平均风速要小一些。 我国大部分地区，最大风速多在春季的三、四月，而 最小风速则多在夏季的七、八月。
结构gou
底层和下部摩擦层总称为地表层或地面边界层，三个区域 总称为摩擦层或大气边界层，再往上就进入了地面摩擦不起作 用的“自由大气层” ，再往上就进入了地面摩擦不起作用的“ 自由大气层”
7.3 平均风速随高度变化
风剪切或风速廓线，风速廓线可采用对数律分布或指数 律分布
对数律分布
在离地高度100m内的表面层中，可以忽略剪切应力的变化， 这时，风速廓线可采用普朗特（Prandtl）对数律分布来表 示，
7.1 风的形成
7.2 大气边界层
风吹过地面时，由于地面上各种粗糙元（草地、庄稼、树林、建筑物等）的作用，会对风的 运动产生摩擦阻力， 使风的能量减少并导致风速减小。 减小的程度随离地面高度增加而降低， 直至达到某一高度时，其影响就可以忽略。这一层受到地球表面摩擦阻力影响的大气层称为 “大气边界层”
式中 ——离地高度z处的平均风速； ——摩擦速度； ——卡门（Karman）常数，一般近似取0.4； z0 ——地表面粗糙长度。
7.3 平均风速随高度变化
不同地表面状态下的粗糙度
地形 海平面 沙漠 平坦雪地 粗糙冰地 未耕种区域 （m） ~0.0002 0.0002-0.0005 0.0001-0.0007 0.001-0.012 0.001-0.004 地形 长草区 低农作物区域 高农作物区域 树木 城镇 （m） 0.02-0.06 0.04-0.09 0.12-0.18 0.8-1.6 0.7-1.5
平均风速的概率密度曲线p（x）（风频f与平均风速的关系） 不同平均风速累积的小时数占全年总时数的百分比。 累积分布函数P(x) ，可用来描述平均风速的累积分布 描述的是一年中大于某个风速的小时数
7.4 平均风速随时间变化
威布尔分布
式中c 和k可以通过引入Gamma函数 ，由平均风速 标准差 来进行计算，即
7.4 平均风速随时间变化
在大气边界层中，平均风速随时间发生变化，不同的 地区变化不同，但有一定的规律性
平均风速日变化
在大气边界层中，平均风速有明显的日变化规律
在低层，最大值出现在午后，最小值出现在夜间或清晨 在高层则相反，最大值出现在清晨或夜间，最小值出现在 午后。 每个地区日平均风速随时间的变化虽有一定的规律，但是 各个地区的变化规律不尽相同，很难找出普适性的规律
7.3 平均风速随高度变化
风速廓线指数a 值与地表面粗糙度有关： 对近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取a = 0.12； 对田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中 小城镇和大城市郊区，取a = 0.16； 对有密集建筑群的城市市区，取a = 0.20； 对有密集建筑群且建筑物较高的城市市区，取a = 0.30。
与其
瑞利分布
是威布尔分布在k = 2时的一个特例
7.4 平均风速随时间变化
7.4 平均风速随时间变化
• 风向变化
在极坐标底图上点绘出的某一地区在某一时段内各风向出现的 频率或各风向的平均风速的统计图。前者为“风向玫瑰图”，后者为 “风速玫瑰图”。因图形似玫瑰花朵，故名。在风向玫瑰图中，频率 最大的方位，表示该风向出现次数最多。 最常见的风玫瑰图是一个 圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长 度与这个方向的风的频度成正比。静风的频度放在中间。有些风玫瑰 图上还指示出了各风向的风速范围。
短草区
0.008-0.03
7.3 平均风速随高度变化
指数律分布 用指数律分布计算风速廓线时比较简便，因此，目前多 数国家采用经验的指数律分布来描述近地层中平均风速随高 度的变化，我国的建筑规范也采用指数律分布
式中
——离地高度z处的平均风速； ——离地参考高度zs处的平均风速； a ——风速廓线指数。