第一章 大气边界层与边界层气象学研究.

1、第一章第一章 大气边界层与边界层大气边界层与边界层气象学研究气象学研究第一节第一节 大气边界层及其特性大气边界层及其特性1.1 1.1 大气边界层（大气边界层（重点掌握重点掌握） 10 km12 km自由大气自由大气平流层平流层边界层边界层流体力学的边界层理论流体力学的边界层理论 当流体以当流体以高雷诺数高雷诺数绕物体流动时，在流体与物面完全分离以前，绕物体流动时，在流体与物面完全分离以前，粘性和湍流的输运作用仅限于物体表面的薄剪切层内粘性和湍流的输运作用仅限于物体表面的薄剪切层内-边界层内，边界层内，而边界层以外，速度和温度梯度很小，粘性和湍流可以忽略。而边界层以外，速度和温度梯度很小，粘性

2、和湍流可以忽略。 边界层内：粘性流场（边界层内：粘性流场（NavierNavier-Stokes)-Stokes)； 边界层外：无粘性边界层外：无粘性( (欧拉方程欧拉方程).). 流体力学的边界层厚度流体力学的边界层厚度 ：即流体速度达到：即流体速度达到99%99%自由流体速度自由流体速度u u0 0的位置：的位置： 在这一边界层，存在动量亏损、能量亏损。在这一边界层，存在动量亏损、能量亏损。 流体力学边界层的范围很宽，如飞机机翼等不规则形状。流体力学边界层的范围很宽，如飞机机翼等不规则形状。用流体力学方法对大气边界层定义，可行吗？用流体力学方法对大气边界层定义，可行吗？1 1、实际大气存在

3、地转偏向力，风速、风向随高度有剪切作用，、实际大气存在地转偏向力，风速、风向随高度有剪切作用， 二维问题二维问题 变为变为 三维问题。三维问题。2 2、温度层结的影响（大气稳定度）、温度层结的影响（大气稳定度） 流体力学边界层可以将动力边界层和热力边界层分别讨论，而大气边界层动流体力学边界层可以将动力边界层和热力边界层分别讨论，而大气边界层动力与热力作用共同存在，引入大气稳定度的概念。力与热力作用共同存在，引入大气稳定度的概念。3 3、下垫面不均一，因地形变化，边界层在流场方向做调整。、下垫面不均一，因地形变化，边界层在流场方向做调整。4 4、边界层顶云的影响、边界层顶云的影响 与边界层发展密

4、切相关的云有积云、层积云、层云等，天空有云时，辐射传与边界层发展密切相关的云有积云、层积云、层云等，天空有云时，辐射传输受影响。输受影响。5 5、天气系统的影响（目前较难研究）、天气系统的影响（目前较难研究）6 6、边界层内湍流尺度分布、边界层内湍流尺度分布 最大边界层厚度可达数公里，小到耗散尺度（几个毫米的量级）最大边界层厚度可达数公里，小到耗散尺度（几个毫米的量级）大气科学中小尺度分类大气科学中小尺度分类 200km 台风台风 Meso 尺度尺度20km 200km 低空急流低空急流 Meso 尺度尺度 2km 20km 重力波、地形重力波、地形 Meso 尺度尺度200m 2km 对流对

5、流 Micro 尺度尺度 20m 200m 对流单体对流单体 Micro 尺度尺度 2m 20m 烟气扩散烟气扩散 Micro 尺度尺度 2m 湍流湍流 Micro 尺度尺度 如何定义边界层的上界，是一个很困难的问题。如何定义边界层的上界，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。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，垫面的作用随高度的增加只是缓缓减弱。一般

6、地，类似于流体动力学中边界层厚度的定义，定义大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气边界层的上界为在这个界面上 ，由地面作用导，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，例如很小一部分，例如1%1%。但有时也以逆温层顶作为。但有时也以逆温层顶作为大气边界层上界。大气边界层上界。有时有时ABL高度难以判断高度难以判断大气边界层特征：大气边界层特征： 地球表面向上并与地面有直接作用的气层；地球表面向上并与地面有直接作用的气层； 是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水气交换是地球表面与自由大气

7、间进行物质、能量、热量和水气交换必经的气层；必经的气层； 具有明显的日变化规律；具有明显的日变化规律； 与季节、天气背景、高度等密切相关。如：按热动力学，有与季节、天气背景、高度等密切相关。如：按热动力学，有不稳定、中性、稳定层结之分。不稳定、中性、稳定层结之分。 涉及面广：空气污染、环境、气候变化等涉及面广：空气污染、环境、气候变化等日变化：日变化： 不稳定大气边界层，主尺度在空间上与边界层厚度相当，传输不稳定大气边界层，主尺度在空间上与边界层厚度相当，传输快；快； 稳定边界层，主尺度小于边界层厚度，可能出现湍流间歇性，稳定边界层，主尺度小于边界层厚度，可能出现湍流间歇性，传输慢。传输慢。平

8、均风速平均风速波动波动湍流湍流1.2 1.2 风与气流风与气流 平均与扰动：平均与扰动：uuuvvvwww平均风平均风波波+湍流湍流平均风平均风：明显的日变化：明显的日变化 风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度 一般量级：水平风为米的量级一般量级：水平风为米的量级 垂直风为毫米垂直风为毫米- -米的量级米的量级波动：波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见： 重力波、惯性波重力波、惯性波湍流：湍流：大气边界层的主要运动形态大气边界层的主要运动形态，剪切和不稳定特性等，剪切和不稳定特性等， 湍流对

9、大气边界层的发展和演变有关键作用。湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。1.3 1.3 湍流输送湍流输送定义：定义： 湍流是叠加在平均风上的阵风，湍流是叠加在平均风上的阵风，是一种是一种随机的不规则运动随机的不规则运动。湍流响应。湍流响应地面作用及其变化，是地面作用及其变化，是动量、热量、动量、热量、水汽和物质从地面反馈进入大气水汽和物质从地面反馈进入大气并以并以时空混合的主要大气过程。湍流以时空混合的主要大气过程。湍流以各各种尺度相互叠加种尺度相互叠加的湍涡形式存在。的湍涡形式存在。湍流

10、产生的能量来源湍流产生的能量来源小尺度小尺度（1000km）水平和垂直风切变水平和垂直风切变热力不稳定性热力不稳定性地面粗糙度地面粗糙度云形成过程中的潜热云形成过程中的潜热释放释放气流在地形、城市、气流在地形、城市、岛屿上方的流动岛屿上方的流动气流在具有明显特性气流在具有明显特性变化的下垫面上流动，变化的下垫面上流动，如陆如陆-海风海风由于太阳辐射加热造由于太阳辐射加热造成的纬向变化造成的成的纬向变化造成的区域气流的水平不稳区域气流的水平不稳定性定性 按照能量学的观点，大气湍流的按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：存在和维持有三大类型： 机械的或地面粗糙度的影响机械的或地面粗糙度

11、的影响 热力不稳定性热力不稳定性 地表加热或冷却地表加热或冷却 水平和垂直风切变波产生湍流水平和垂直风切变波产生湍流 密度界面上的开尔文亥姆霍兹波密度界面上的开尔文亥姆霍兹波1.4 1.4 泰勒假说（波动冻结假说）泰勒假说（波动冻结假说）对湍流的观测，两种途径：对湍流的观测，两种途径：1）固定时间，选取多个空间位置）固定时间，选取多个空间位置 困难困难2）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔 较易较易1.4 泰勒假说泰勒假说时间变化的风速时间变化的风速空间变化的风速空间变化的风速出发点：出发点：定点长期观测较易、瞬时大范围观测较难。定点长期观测较易、瞬时大

12、范围观测较难。Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的。的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的。这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量。的空间上的测量。1.4 泰勒假说泰勒假说5 10100mxyz湍涡湍涡直径直径100m的湍涡，温差的湍涡，温差505. 0dxT/m5 1010m/sxyz湍涡湍涡10秒后被秒后被10m/s风速吹至下风方风速吹至下风方5 . 0tT/sdT

13、TUtx 一维空间温度的泰勒假说一维空间温度的泰勒假说1.4 泰勒假说泰勒假说对任一对任一变量变量 ，当，当 时，湍流凝固时，湍流凝固而全导数而全导数dUVWdttxyz0dtd泰勒假说的一般形式：泰勒假说的一般形式：zWyVxUt前提条件：各向同性、平稳湍流前提条件：各向同性、平稳湍流 湍涡变化极小，即湍强满足湍涡变化极小，即湍强满足5 . 0)(uIux1.5 1.5 相似性参数相似性参数 物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得到正确结果而且与实际大气系统可比较，到正确结果而且与实际大气系统可比较，则需要满足相似性条件则需要满足相似性条件 几何相似几何相似

14、 运动学相似运动学相似 动力学相似动力学相似 热力学相似热力学相似 边界条件相似边界条件相似 座落于南京大学浦口校区的座落于南京大学浦口校区的NJUNJU大气环境风洞试验段内景照片大气环境风洞试验段内景照片 边界层研究的主要方法边界层研究的主要方法南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比250:1250:1）1.5 相似性参数相似性参数 雷诺数（雷诺数（Re）相似）相似 罗斯贝数（罗斯贝数（Ro）相似）相似 弗罗德数（弗罗德数（Fr）相似（或理查逊数）相似（或理查逊数Ri相似）相似） 普朗特数（普朗特数（Pr）相似）相似 施密特数（施密特

15、数（Sc）相似）相似 气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：1.5 相似性参数相似性参数1. 雷诺数（雷诺数（Re）相似性）相似性ULRe惯性力惯性力粘滞力粘滞力U：流速：流速L：特征线性尺度：特征线性尺度v：运动学粘滞系数：运动学粘滞系数高风速高风速空气充分混合，湍流发展空气充分混合，湍流发展粘滞力粘滞力抑制不规则运动，抑制湍流抑制不规则运动，抑制湍流Re小（小（1）时，惯性力主导，气流呈湍流）时，惯性力主导，气流呈湍流1.5 相似性参数相似性参数2. 罗

16、斯贝数（罗斯贝数（Ro）相似性）相似性fLURo 惯性力惯性力柯氏力柯氏力f ：柯氏参数：柯氏参数 （地转偏向力）（地转偏向力）Ro大大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响可不计。可不计。Ro趋向无穷大趋向无穷大Ro自行满足自行满足Ro1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略1.5 相似性参数相似性参数3. 弗罗德数（弗罗德数（Fr）相似性）相似性gLUFr2惯性力惯性力重力重力g ：重力加速度：重力加速度Fr大（大（1），重力影响小），重力影响小Fr小（小（1或或 T密度：水蒸汽密度：水蒸汽 干空气干空气绝

17、对温度绝对温度T虚温虚温TvQh森林森林-10月月14日日Qe12m/s12m/s）或阴天条件：中性边界层）或阴天条件：中性边界层不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线FA: FA: 自由大气层自由大气层ML: ML: 混合层混合层RL: RL: 残留层残留层SBL: SBL: 稳定边界层稳定边界层SL: SL: 近地层近地层CL: CL: 云层云层SCL: SCL: 云下层云下层S7 分析大气边界层结构变化特征，具分析大气边界层结构变化特征，具体问题具体分析。体问题具体分析。 考虑考虑天气条件天气条件，下垫面下垫面，地形地形以以及及季节、层结稳定度条件季节、层结

18、稳定度条件等的变化对等的变化对大气边界层的影响。大气边界层的影响。2.2 2.2 爱克曼螺线和爱克曼层爱克曼螺线和爱克曼层( (了解了解) ) 在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常，在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常，且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随高度变化的解，即为经典的高度变化的解，即为经典的EkmanEkman风廓线解。风廓线解。 可定性给出边界层运动的一些性质，可定性给出边界层运动的一些性质，但并非很合适的解。但并非很合适的解。 稳定度，用稳定度，用M-O长度长度L作为依据作为依据 L ： 负值负值 无穷大无穷大 正值正值 对流（不稳定）、中性

19、、稳定对流（不稳定）、中性、稳定2.3 2.3 大气稳定度与大气稳定度与ABLABL结构（结构（逐渐掌握逐渐掌握） 不稳定边界层结构及其流场图象不稳定边界层结构及其流场图象。（引自。（引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990) 稳定边界层结构及其流场图象稳定边界层结构及其流场图象。（引自。（引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990)盖帽逆温盖帽逆温上部稳定层结上部稳定层结中的波动及下中的波动及下部大对流湍涡部大对流湍涡湍流层较浅湍流层较浅层内存在显著平均层内存在显著平均梯度梯度, ,风速极值分布风速极值分布湍涡尺度小湍涡尺度小, ,伴随叠伴随叠加重力

20、波加重力波 大气稳定度与烟羽大气稳定度与烟羽温度温度高度高度污染物浓度污染物浓度a.a.环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或地形起伏区。地形起伏区。b.b.圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风多云。多云。c.c. 扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向有一定扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向有一定侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。d.d. 漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽充分扩漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽充分扩散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。e.e. 屋脊形（上升型）：上中屋脊形（上升型）：上中( (或不稳或不稳) )、下稳；上部烟羽沿主风向、下稳；上部烟羽沿主风向呈屋脊形扩散，下部边缘清