大气边界层概述

1、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与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层平板边界层”、 “机翼绕流边界层机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为等类似，大气边界层也常常被称为“行行 星边界层星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表，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，比大气运动的水平过这

2、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。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。小在随高度变化的同时，风向也随之变化。 大气边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气大气

3、边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气 边界层的边界层的reynolds数是相当大的，流体几乎总是处于湍数是相当大的，流体几乎总是处于湍 流状态，而且湍流度很大，可达流状态，而且湍流度很大，可达20%左右。水平均匀地左右。水平均匀地 面上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其面上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其 中近地面中近地面50100m范围内的一层称为范围内的一层称为“近地层近地层”或或“常通常通 量层量层”(该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性次该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性次 层，但通常不予考虑层，但通常不予考虑)，其中湍流动量通量可以认为是常，其中湍

4、流动量通量可以认为是常 值，平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用平值，平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用平 板边界层模拟大气近地层的基础。板边界层模拟大气近地层的基础。 大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致 的强烈的日变化。具体地说，白天和夜间的大气边界层结构的强烈的日变化。具体地说，白天和夜间的大气边界层结构 有显著的不同。白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界有显著的不同。白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界 层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳定层层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳定层

5、结状态，这时的边界层称为结状态，这时的边界层称为对流边界层对流边界层，其厚度可达几百米，其厚度可达几百米 甚至几千米；而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通甚至几千米；而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通 量是向下的，量是向下的， 空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为 稳定边界层或夜间边界层稳定边界层或夜间边界层，厚度较低，只有二三百米左右。，厚度较低，只有二三百米左右。 下图是对流边界层和夜间边界层内的实测风速、温度分布，下图是对流边界层和夜间边界层内的实测风速、温度分布， 可见其结构是很不一样的。可见其结构是很不一样的。 不稳定 稳定 1999

6、/10/5 08:00，北京北京 露点和大气温度垂直分布露点和大气温度垂直分布 （逆温） 不稳定边界层风、温廓线不稳定边界层风、温廓线 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，同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温，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严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演。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，是变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是 大气边界层物理研究的一

7、个重要课题。大气边界层物理研究的一个重要课题。 过去人们对夜间逆温层已进行了大量的实验观测，基过去人们对夜间逆温层已进行了大量的实验观测，基 本特征是：在晴朗的夜间和均匀平坦的地面上，边界层逆本特征是：在晴朗的夜间和均匀平坦的地面上，边界层逆 温从日落后开始发展，随着时间的推移，逆温层厚度从零温从日落后开始发展，随着时间的推移，逆温层厚度从零 开始不断增长开始不断增长 ，但这种增长在后半夜逐渐开始减弱，直，但这种增长在后半夜逐渐开始减弱，直 到第二天日出后停止，达到最大值。到第二天日出后停止，达到最大值。 大气边界层结构可归纳在下面的模型图中大气边界层结构可归纳在下面的模型图中 表面 表面表面

8、 中午日落午夜中午日出 稳定(夜间)边界 层 卷 挟 带 残余 卷挟 云层 自由大气 盖顶逆温 大涡对流 混合层 混合 图 8.2.1 陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原 先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。 高度(m) 2000 1000 0 不同时刻，大气边界层平均位温廓线 夜间边界层温度垂直分布的演变 0 0 5050 100100 150150 200200 250250 300300 -9-9-8-8-7-7-6-6-5-5-4-4-3-3-2-2-1-1 温温 度度（） 高高 度度 20012001年年1 1月月2727日日-28-28日逆温

9、生消的演变过程日逆温生消的演变过程 2828日日0303时时 2828日日1010时时 2727日日1818时时 （北京325米气象塔测量） 白天白天 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 05101520253035 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 逆温消失的时逆温消失的时 段，污染物易段，污染物易 于扩散。于扩散。 051015202530 日出前日出前 日落后日落后 逆温层的存在使污染物逆温层的存在使污染物 难以扩散，形成堆积。难以扩散，形成堆积。 城城 市市 边边 界界 层层 示示 意意 图图 滞留的空气、大

10、量的粉尘以及在建筑物密集地区 上空的气流，导致在整个城市上空形成粉尘、烟雾的 穹顶和热岛。 生生 态态 边边 界界 层层 示示 意意 图图 一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一一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。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，类似于流体动力用随高

11、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 界面上界面上 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减，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，例如小到地面值的很小一部分，例如1%1%。但有时也以逆温层顶。但有时也以逆温层顶 作为大气边界层上界。作为大气边界层上界。 总之，大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓总之，大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓 冲地带，是由湍流能源冲地带，是由湍流能源 和能汇控制的区域。边界层一方和能汇控制的区域。边界层一方 面要对

12、大尺度气压场面要对大尺度气压场( (天气形势天气形势) )作出响应，另一方面又要作出响应，另一方面又要 对下垫面的物理状况作出响应。因此，发生在边界层内的对下垫面的物理状况作出响应。因此，发生在边界层内的 运动是非常复杂的。目前，人们已经对大气边界层的基本运动是非常复杂的。目前，人们已经对大气边界层的基本 特征有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精确更特征有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精确更 全面的实验研究和更深入的理论探讨。全面的实验研究和更深入的理论探讨。 青藏高原青藏高原 各种条件下的大气边界层专项观测实验各种条件下的大气边界层专项观测实验 南沙南沙 北极北极淮河淮河 内

13、蒙 高精度梯度测量系统高精度梯度测量系统近地面综合梯度观测近地面综合梯度观测 观测非均匀边界层观测非均匀边界层 超声阵列测量（超声阵列测量（ hats计划）计划） 观测飞机观测飞机 带平衡陀螺仪的汽艇带平衡陀螺仪的汽艇 闪烁仪等闪烁仪等 遥感观测遥感观测 热量通量观测热量通量观测 辐射观测辐射观测 青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量 北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验 海上大气边界层梯度观测海上大气边界层梯度观测 中国科学院北京325米气象塔 风 洞 遥感仪器及技术指标遥感仪器及技术指标 风温廓线仪

14、风温廓线仪 （lap-3000lap-3000） 美国美国radianradian公司公司 最高探测高度最高探测高度 最低探测高度最低探测高度 垂直空间分辨率垂直空间分辨率 测量范围测量范围 精精 度度 测量平均时间测量平均时间 风：风：200020005000m5000m 温：温：100010002000m2000m 100m100m 60m 60m 风速：风速：0 040m/s40m/s 温度：温度：-30-305050 风向：风向：1010 风速：风速：1m/s1m/s 温度：温度：11 风向：风向：1010 3 360min60min 遥感仪器技术指标遥感仪器技术指标 相控阵声雷达相控

15、阵声雷达 （pa2pa2） 法国法国remtechremtech公司公司 最高探测高度最高探测高度 最低探测高度最低探测高度 垂直空间分辨率垂直空间分辨率 测量范围测量范围 精精 度度 测量平均时间测量平均时间 1000m1000m 60m60m 2020200m200m 水平风分量：水平风分量： 0 030m/s30m/s 垂 直 风 分 量 ：垂 直 风 分 量 ： 15m/s15m/s 水平风：水平风：0.2m/s0.2m/s 垂直风：垂直风：5cm/s5cm/s 2 260min60min 遥感仪器及技术指标遥感仪器及技术指标 无线电声雷达无线电声雷达 (rass)(rass) 意大利

16、意大利ironeirone公司公司 最高探测高度最高探测高度 最低探测高度最低探测高度 垂直空间分辨率垂直空间分辨率 测量范围测量范围 精精 度度 测量平均时间测量平均时间 1000m1000m 100m100m 10m10m -30-304040 0.10.1 3 330min30min 法国法国 remtech 公司最先进的低公司最先进的低 层大气风速、温层大气风速、温 度廓线测量仪度廓线测量仪 国际上最先进的边界层雷达（国际上最先进的边界层雷达（lap5000） 汽艇 可移动小塔 湿度脉动仪 超声风速仪 第一代第一代 fa-11fa-11型型 第二代第二代 uat-1uat-1型型 红外水汽脉动仪红外水汽脉动仪 湍湍 流流 通通 量量 仪仪 (fluxmeter,remtech公司) 可全天候长期稳可全天候长期稳 定的测量定的测量 : 等高阶湍流统计量等高阶湍流统计量 水水 槽槽 试试 验验 危险天气条件下的边界层结构（北京）危险天气条件下的边界层结构