第一章：大气边界层概述1

边界层气象学教程研究内容研究方法研究意义研究进展大气边界层高度 (km)每升高 100m，气温降低 0.65 O3大气边界层？atmospheric boundary layer 定义定义 1. 大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度为地面以上 1km范围，以湍流运动为主要特征。定义 2. 靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层。从地表向上，其厚度随地面粗糙度和风速的增大或大气不稳定度的增强而增加，变化的范围在三四百米到一两千米之间。因该层内空气运动明显受地面摩擦作用的影响，又称 摩擦层 。就整个地球大气而言，该层只不过是紧贴地球表面的很薄的一层大气。一般而言，行星和行星大气之间，都存在因和行星表面摩擦而引起的这种边界层，故又称行星边界层 。 表征现象：观察从烟囱冒出的烟气，其行迹紊乱，烟云边缘不断向下风向扩展。 一、研究内容大气边界层研究的主要内容包括：l 1.大气边界层中的湍流特征；l 2.边界层中各物理量（如动量、热量、水汽等）的湍流输送；气溶胶、二氧化硫、二氧化碳等的湍流扩散；l 3.大气边界层内风、温度、湿度等气象要素的铅直分布及随时间的变化规律 相似理论；l 4. 近地层湍流大气微结构、湍流统计特征；l 5. 大气边界层的数值模拟。二、研究意义 l 大气边界层是地球 大气之间物质和能量交换的桥梁。地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。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。l 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。 l 污染扩散 是在大气边界层中进行的。Physics and Dynamics Options_Planetary Boundary layer (bl_pbl_physics)a. Yonsei University scheme: Non-local-K scheme with explicit entrainment layer and parabolic K profile in unstable mixed layer (bl_pbl_physics = 1).b. Mellor-Yamada-Janjic scheme: Eta operational scheme. One-dimensional prognostic turbulent kinetic energy scheme with local vertical mixing (2).c. Quasi-Normal Scale Elimination PBL (4). A TKE-prediction option that uses a new theory for stably stratified regions. New in Version 3.1.d. Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL (5). Predicts sub-grid TKE terms. New in Version 3.1.e. LES PBL: A large-eddy-simulation (LES) boundary layer is available in Version 3. （ a）西固二水厂 （ b）兰州站（ 52889）图 1 三种边界层方案 (YSU、 MYJ和 ACM2)模拟的与观测的（ a）西固二水厂和（ b）兰州站的地面温度（ 2m）日变化对比 边界层参数化方案对近地面温度的影响图 2 三种边界层参数化方案模拟 02:00兰州地区平均的 地面温度场和风场温度场 ：热岛效应；西部盆地辐合形成的冷中心； MYJ方案 “最暖 ”风场 :南北两山下沉气流形成山风环流；南山高度较高，下沉气流强于北山。边界层参数化方案对空气质量模拟结果的影响三大气边界层研究方法数值模拟（促进、指导、支持和补充）野外实验观测（直接获取资料，基础）理论研究（纯理论、经验、半经验）实验室物理模拟（可控制、可重复等）两大野外实验和一个数值实验气象塔上安装仪器（快速响应的仪器和直接测量边界层通量的仪器）；在遥感仪器中，声雷达和调频连续波雷达都是探测边界层的有力工具。1. Wangara PBL试验实验条件 ：澳大利亚 Hay地区大范围平坦草地、有道路、河流、农田， 110km95km试验计划的组成 ：(1) 气球基线测风和常规地面气象观测(2) 无线电探空观测，小时一次施放探测边界层温度和湿度。(3) 微气象观测 ） 1,2,4,5,16m风廓线） 1-2m， 2-4m温差）净辐射连续纪录）地面热通量，测量器置于地下 0.5cm层土壤里）日间， 10高处直接测量热通量成果 ：研究近地面层，均匀下垫面上的通量梯度关系澳大利亚的 Wanggara实验和美国的 Minnesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。2. Minnesota实验试验条件 ： Minnesota西北部的 Red river的河谷地，平坦且人烟稀少，地面长有普通庄稼和草地， 32m观测塔（ 1， 2， 4， 8， 16， 32）成果：（ 1）提供了近地层以上的边界层结构资料；（ 2）混合层高度确定；（ 3） u， v， w谱的特征；（ 4）动量通量和热量通量的直接测量结果与通量的间接估算结果一致。3. Deardorff的大涡模拟实验用大涡模拟技术研究了大气边界层，并且在对流和中性两种情况下对 Wanggara观测资料进行了实时模拟 。（ 1）温度、风速随高度的变化（ 2）感热通量、水汽通量随高度变化（ 3）边界层高度的日变化l Deardorff J W. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layer l Deardorff J W. An explanation of anomaloualy large Reynolds stresses withi the convective planetary boundary layerl Deardorff J W. Three-dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer 兰州大学半干旱气候与环境观测站 SACOL站边界层气象要素l 边界层气象要素的测量包括： 1， 2， 4， 8， 12， 16， 32m的风速、气温和相对湿度； 8m的风向；地表红外温度；大气压；降水量。 涡动通量观测系统l 三维超声速风速温度计和红外线气体分析仪测量地表的动量、感热、潜热和 CO2通量。这对于研究陆面 -大气间湍流通量的输送、理解黄土高原半干旱区的水循环和能量交换过程具有重要作用。 温度 /水汽廓线仪l 微波辐射仪连续测量从地面到高空 10km范围的空气温度和水汽廓线及分辨率较低的液态水廓线和云底温度。它由 5个水汽通道（ 22-30GHz）和 7个温度通道（ 51-59GHz）组成。土壤、植被参数监测系统l 土壤热通量（ 5 cm and 80 cm ）l 体积含水量（ 5, 10, 20, 40 and 80 cm ）l 温度（ 2, 5, 10, 20 and 50 cm ）1954年 Monin Obukhov相似性理论，建立了近地层湍流统计量和 平均量之间的联系。四、边界层气象学发展史1905年 Ekman从地球流体力学度提出了Ekman螺线 ，并形成了 PBL的概念1971年 Wyngaard提出了局地自由对流近似，补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。 20世纪 70年代，随着大气探测技术（飞机、雷达）和研究方法（遥感、数值模拟）的发展，大气边界层的研究从近地面向整个边界层发展1982年， Dyer利用1976年澳大利亚国际湍流对比试验 ITCE完善 M-O理论1961年， B1ackadar引入混合长假定，用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。l 1、 ABL物理结构的认识1971 Clark用澳大利亚著名试验资料给出了实测稳定大气边界层气象要素的典型空间分布特征1976 Kaimal根据美国 Minnesota试验资料给出了 ABL气象要素的垂直分布l 2、湍流理论1915 Taylor首次提出地球大气的湍流现象1935 Taylor提出湍流各向同性理论 -统计理论基础1941 苏联 Kolmogorov量纲分析原理应用于湍流 -“2/3律 ”l 3、闭合理论1932 Prantdtl根据混合长理论提出一阶闭合方案1951 Rotta 2阶1975 Yamada等 1.5阶1978 Andre 3 阶l 4、相似理论1954 M-O相似理论 -近地层1961 Kazanskill,Rossby相似 ,建立了近地层与边界层之间的关系1970 Deardorff 提出了混合层相似原理1971 Wyngaard将相似理论推广到对流边界层1984 Neuwstadt 提出局地相似理论 -稳定边界层从 20世纪 70年代开始，随着大气探测技术和研究方法的发展，特别是雷达技术，飞机机载观测，系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现，大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。l 制约因素：受到观测系统和探测技术的制约，也受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响，并随着它们的发展而发展。 l 面临的主要问题 （ 1）非均匀和复杂下垫面边界层 （ 下垫面性质非均匀分布、地形起伏和山脉的作用、 城市大气边界层 ) （ 2） 特殊地区边界层特征 （ 干旱荒漠区的大气边界层特征 、 青藏高原寒区边界层特征 ）（ 3） 沙尘暴等特殊天气边界层特征 （ 4） 湍流如何在模式中更合理的参数化 五、大气边界层的研究进展平均量快速涨落测量遥感测量地表近地层整个边界层单一专题多目标、区域化多学科综合全方位、多项目第一章 大气边界层概述 1 大气边界层2 湍流第二章 基本方程1 基本统计方法 2 控制方程3 通量和方差预报方程4 闭合技术第三章 相似理论1 相似理论的基础2 湍流动能和稳定度3 中性近地层气象要素的垂直分布廓线4 非中性近地层气象要素的垂直分布廓线5 近地层气象参数化第四章 近地层大气湍流微结构1 湍流统计量2 近地层大气湍流脉动标准差和湍流强度特征3 湍谱的表示方法4 大气湍谱的研究5 地形对谱特性的影响第五章 定常条件下的边界层气象学 1 全边界层相似理论及应用2 阻力规律和热交换规律边界层风分布的简单分析 Ekman理论4 半经验理论在边界层中的应用5 对流边界层6 大气边界层高度和湍流交换系数第一节：大气边界层大气边界层的定义、分层、结构、特点。 第二节：湍流湍流的定义、产生机制、研究方法及 Taylor假说1.定义2. 大气边界层的基本特点l 运动的湍流性机械湍流热力湍流l 受下垫面影响：沙漠、土壤、植被、城市、水域l 日变化：边界层结构及气象要素的空间分布ZB 1000mZS 0.1ZBZ0 1cm3. 大气边界层的分层1.粘性副层（微观层）分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。在这一层中，由分子输送的热通量可表示为：为分子热扩散率（空气的分子热扩散率为 210-5m2/s）。典型的热通量值为 0.2Km/s，由此计算的温度梯度为 1.0104K/m，这相当于穿过1毫米厚的微观层的温差为 10度。2.近地层（常通量层）： 大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略。由于近地层很薄和湍流扩散强烈混合的结果，该层中动量、热量和水汽的铅直输送通量不随高度变化，同样原因，近地层中风向也不随高度变化。3.Ekman层（上部摩擦层）： 湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变l 4. 大气边界层的结构 海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很少。此外，海水热容量大，海面温度日变化不明显，边界层厚度变化十分缓慢。边界层厚度的变化重要是由天气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。 陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。 （ 1） 混合层 ：（ 2） 残留层 ：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结。（ 3） 稳定边界层 ：夜间，与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速