1第一章大气边界层概述-(2)解析

1、 2012. 9.说明：说明：专业基础课，计划学时专业基础课，计划学时36，2学分学分总评成绩总评成绩=作业作业+考勤考勤+考试考试教材，基本内容教材，基本内容 1 - 4章，适当增减章，适当增减1. 赵鸣，苗曼倩，王彦昌，边界层气象学教程，气象出版社，赵鸣，苗曼倩，王彦昌，边界层气象学教程，气象出版社，19912. Sutton, O. G., 1953, Micrometeorology.中译本，微气象学，高教出中译本，微气象学，高教出版社，版社，19593. 莱赫特曼，莱赫特曼，D. ., 1973, 中译本，大气边界层物理，科学出版社，中译本，大气边界层物理，科学出版社，19824.

2、Haugen, D.A. edit, 1973, Workshop on Micrometeorology.中译本，中译本，微气象学，科学出版社，微气象学，科学出版社，19845. Stull, R. B., 1988, An Introduction to Boundary Layer Meteorology.中译本，边界层气象学导论，气象出版社，中译本，边界层气象学导论，气象出版社，19916. Garratt, J. R., 1992, The Atmospheric Boundary Layer, Cambridge University Press, UK7. Oke, T. R.,

3、 1987, Boundary Layer Climates, Methuen Co. Ltd, USA8. 赵鸣，大气边界层动力学，高教出版社，赵鸣，大气边界层动力学，高教出版社，20061.Boundary Layer Meteorology2.Journal of Geophysical Research -Atmospheres3.Geophysical Research Letters4.Atmospheric Chemistry and Physics, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions5.Journal of Applie

4、d Meteorology6.Journal of Atmospheric Sciences7.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society8.Journal of Meteorological Society of Japan9. Advances in Atmospheric Sciences10.Tellus11. Nature, Science12.大气科学，气象学报，高原气象，大气科学，气象学报，高原气象，应用应用气象气象学报学报，热带气象学，热带气象学， 基本概念；基本概念； 边界层分层；厚度、结构；边界层分层；厚度、结

5、构； 边界层大气及其运动特征；边界层大气及其运动特征； 研究意义、方法、发展研究意义、方法、发展 一基本概念一基本概念 (ABL: Atmospheric Boundary Layer) 离地面约离地面约1km以下的大气层，这层大气以下的大气层，这层大气受受地表面热力和动力影响很大，不能忽略地表面热力和动力影响很大，不能忽略。（而边界层以外的大气受地面影响微弱，可（而边界层以外的大气受地面影响微弱，可以忽略，称为自由大气）以忽略，称为自由大气） (PBL: Planet Boundary Layer)地球大气垂直分层地球大气垂直分层大气边界层大气边界层 (BLM: Boundary Layer

6、 Meteorology) 气象学的一个分支，研究边界层大气的物理气象学的一个分支，研究边界层大气的物理现象、物理结构、运动规律（运动学、动力现象、物理结构、运动规律（运动学、动力学、能量转化等）及其应用方法的一门学科。学、能量转化等）及其应用方法的一门学科。 大气运动尺度划分为全球、区域、中、小大气运动尺度划分为全球、区域、中、小尺度、微尺度。于是有一门主要研究微尺尺度、微尺度。于是有一门主要研究微尺度气象学的分支，微气象学。度气象学的分支，微气象学。(Micrometeorology) 研究微尺度大气现象、大气运动基本规律。研究微尺度大气现象、大气运动基本规律。研究边界层必然包括研究微尺度

7、过程。因研究边界层必然包括研究微尺度过程。因此，二者基本上是同义语。此，二者基本上是同义语。二大气边界层分层大气边界层分层 1. ：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一层的典型厚度层的典型厚度1cm几个几个cm，因此对多数实际问题，因此对多数实际问题而言，可以忽略它而言，可以忽略它。 粘性副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210-5m/s）。典型的热通量值为0.2Km/s，由此计算的温度梯度为1.0104 K/m，这相当于穿过1mm厚层的温

8、差为10K。zTQH 在骄阳似火的夏日，即使当时的气温只有25或30，假如赤脚通过黑色柏油马路，同地面表层一接触就感到灼热。灼热的表层温度可使最低层几毫米的空气产生很大的温度梯度。 2. ：从粘性副层到：从粘性副层到50-100m，这，这一层大气运动呈现明显的湍流性质，一层大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压湍流输送占有压倒优势作用倒优势作用。 由于近地层中湍流强烈混合的结果，各由于近地层中湍流强烈混合的结果，各物理属性的物理属性的铅直输送通量近似为常值铅直输送通量近似为常值，故又称为常通量层，故又称为常通量层。 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

9、略，气压梯度力可略。3. ：从近地层以上到：从近地层以上到1-1.5km。湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考，需要考虑风随高度的切变。虑风随高度的切变。 以上三层总称为大气边界层(ABL)或行星边界层(PBL)。在ABL以上，下垫面对大气的影响可忽略不计，气压梯度力和科氏力达到平衡，为自由大气。三边界层厚度和结构三边界层厚度和结构1. 海洋上，由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。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。边界层厚度的变化主要是由天气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。2.陆地上，边界层具有轮廓分明

10、、周日循环发展的结陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。构。参见前图。 （1）混合层：不稳定边界层，且其上层是稳定层。（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，在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速常常减弱或静风，但在200m左右高度，可能出现低空急流或夜间急流，达到超地转风速。四四. 研究意义研究意义 空气之间各种属性的交换，主要是通过大气边空气之间各种属性的交换，主要是通过大气边界层进行的，因而边界层气象的研究，显得非界层进行的，因而边界层气象的研究，显得非常重要，

11、常重要，一方面有基础意义，是大范围天气过一方面有基础意义，是大范围天气过程形成的背景和基础。另一方面又广泛的应用程形成的背景和基础。另一方面又广泛的应用价值，价值，人类活动主要在边界层，例如环保、农人类活动主要在边界层，例如环保、农田、水利、资源开发、交通、城建等与国计民田、水利、资源开发、交通、城建等与国计民生有关的重大课题都与边界层气象密切相关。生有关的重大课题都与边界层气象密切相关。五边界层大气特征及其运动特征五边界层大气特征及其运动特征1. 研究边界层大气湍流力学问题，必须充分考虑研究边界层大气湍流力学问题，必须充分考虑大气的大气的重要特征重要特征（1）大气是运行的半无限介质，受地表面

12、的作用发生大气是运行的半无限介质，受地表面的作用发生湍流运动。湍流运动。作为下边界条件的地球表面，其热力和动作为下边界条件的地球表面，其热力和动力性质十分复杂，地表几何形状极不规则，吸热率和力性质十分复杂，地表几何形状极不规则，吸热率和导热率等热力学性质各不相同。例如，有海洋、陆地，导热率等热力学性质各不相同。例如，有海洋、陆地，而陆地上又有草原、沙漠等等不同。因而而陆地上又有草原、沙漠等等不同。因而地表不只是地表不只是消极的阻碍大气运动的边界面，而且是积极地向大气消极的阻碍大气运动的边界面，而且是积极地向大气提供热能和水汽的提供热能和水汽的“源源”。（2）大气是非均匀介质大气是非均匀介质，大

13、气密度随时间空间，大气密度随时间空间而变化，特别是铅直方向密度不均一。而变化，特别是铅直方向密度不均一。（3）大气湍流运动尺度分布非常宽阔大气湍流运动尺度分布非常宽阔，10-2m-103m，甚至甚至106m。大气湍流现象是大小悬殊不。大气湍流现象是大小悬殊不同的湍涡共同作用的结果同的湍涡共同作用的结果 2由于上述特点，得到边界层大气运动必须考虑的主由于上述特点，得到边界层大气运动必须考虑的主要特征要特征（1）地球自转的影响地球自转的影响 引入科氏力引入科氏力（2）大气密度不均匀，特别是在铅直方向不均匀大气密度不均匀，特别是在铅直方向不均匀。（3）大气运动的水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅大气运

14、动的水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅层流体。层流体。（4）主要是湍流运动主要是湍流运动 运动方程中增加湍流项。运动方程中增加湍流项。 这些主要特点，也是研究边界层大气湍流的困难所在：这些主要特点，也是研究边界层大气湍流的困难所在：由于边界条件的复杂性，很难求出准确地分析解；由由于边界条件的复杂性，很难求出准确地分析解；由于实际大气中湍涡的尺度很宽，限制了应用室内物理于实际大气中湍涡的尺度很宽，限制了应用室内物理模拟实验的可能性，必然以外场观测为主。模拟实验的可能性，必然以外场观测为主。六六原则：理论与实验相结合，且以实验为主。原则：理论与实验相结合，且以实验为主。1 理论方法理论方法半经验理论

15、：以混合长理论和相似性理论为基础半经验理论：以混合长理论和相似性理论为基础湍流统计理论：以概率论与数理统计为基础湍流统计理论：以概率论与数理统计为基础2 实验方法实验方法外场实验：野外定点观测，飞机观测，跟踪观测外场实验：野外定点观测，飞机观测，跟踪观测室内模拟实验：风洞，水槽室内模拟实验：风洞，水槽3 实验实验-理论方法理论方法数值模拟，数值试验数值模拟，数值试验 闭合问题的困难，闭合问题的困难，-近似，对支配方程的近似近似，对支配方程的近似 数值模拟必须以实验为基础，否则闭合方向不数值模拟必须以实验为基础，否则闭合方向不确定；模拟结果必须再次受到观测资料的检确定；模拟结果必须再次受到观测资

16、料的检验。验。观测观测+分析分析+数值模拟数值模拟七七 大气边界层系统的研究工作开始于大气边界层系统的研究工作开始于20世纪初，世纪初，开始时，主要研究近地面层。开始时，主要研究近地面层。 国内研究始于国内研究始于20世纪世纪30年代。年代。结合研究成果看，结合研究成果看，20世纪世纪50年代年代有有Sutton的的微气象学微气象学。1960年代年代以后，着重于近地层以上的以后，着重于近地层以上的Ekman层的研究，进层的研究，进行了一系列规模较大的外场实验：行了一系列规模较大的外场实验： 澳，澳，Hay, 1967；美，；美，Kansas, 1968; Minnesota,1973 采用了声雷达，超声风速仪，红外遥感，飞机探测；数采用了声雷达，超声风速仪，红外遥感，飞机探测；数值模式。这些实验在值模式。这些实验在气