1第一章大氣邊界層概述-(2)解析

1、 2012. 9.說明：說明：專業(yè)基礎(chǔ)課，計(jì)劃學(xué)時專業(yè)基礎(chǔ)課，計(jì)劃學(xué)時36，2學(xué)分學(xué)分總評成績總評成績=作業(yè)作業(yè)+考勤考勤+考試考試教材，基本內(nèi)容教材，基本內(nèi)容 1 - 4章，適當(dāng)增減章，適當(dāng)增減1. 趙鳴，苗曼倩，王彥昌，邊界層氣象學(xué)教程，氣象出版社，趙鳴，苗曼倩，王彥昌，邊界層氣象學(xué)教程，氣象出版社，19912. Sutton, O. G., 1953, Micrometeorology.中譯本，微氣象學(xué)，高教出中譯本，微氣象學(xué)，高教出版社，版社，19593. 萊赫特曼，萊赫特曼，D. ., 1973, 中譯本，大氣邊界層物理，科學(xué)出版社，中譯本，大氣邊界層物理，科學(xué)出版社，19824.

2、Haugen, D.A. edit, 1973, Workshop on Micrometeorology.中譯本，中譯本，微氣象學(xué)，科學(xué)出版社，微氣象學(xué)，科學(xué)出版社，19845. Stull, R. B., 1988, An Introduction to Boundary Layer Meteorology.中譯本，邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論，氣象出版社，中譯本，邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論，氣象出版社，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. 趙鳴，大氣邊界層動力學(xué)，高教出版社，趙鳴，大氣邊界層動力學(xué)，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.大氣科學(xué)，氣象學(xué)報(bào)，高原氣象，大氣科學(xué)，氣象學(xué)報(bào)，高原氣象，應(yīng)用應(yīng)用氣象氣象學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)，熱帶氣象學(xué)，熱帶氣象學(xué)， 基本概念；基本概念； 邊界層分層；厚度、結(jié)構(gòu)；邊界層分層；厚度、結(jié)

5、構(gòu)； 邊界層大氣及其運(yùn)動特征；邊界層大氣及其運(yùn)動特征； 研究意義、方法、發(fā)展研究意義、方法、發(fā)展 一基本概念一基本概念 (ABL: Atmospheric Boundary Layer) 離地面約離地面約1km以下的大氣層，這層大氣以下的大氣層，這層大氣受受地表面熱力和動力影響很大，不能忽略地表面熱力和動力影響很大，不能忽略。（而邊界層以外的大氣受地面影響微弱，可（而邊界層以外的大氣受地面影響微弱，可以忽略，稱為自由大氣）以忽略，稱為自由大氣） (PBL: Planet Boundary Layer)地球大氣垂直分層地球大氣垂直分層大氣邊界層大氣邊界層 (BLM: Boundary Layer

6、 Meteorology) 氣象學(xué)的一個分支，研究邊界層大氣的物理氣象學(xué)的一個分支，研究邊界層大氣的物理現(xiàn)象、物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律（運(yùn)動學(xué)、動力現(xiàn)象、物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律（運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、能量轉(zhuǎn)化等）及其應(yīng)用方法的一門學(xué)科。學(xué)、能量轉(zhuǎn)化等）及其應(yīng)用方法的一門學(xué)科。 大氣運(yùn)動尺度劃分為全球、區(qū)域、中、小大氣運(yùn)動尺度劃分為全球、區(qū)域、中、小尺度、微尺度。于是有一門主要研究微尺尺度、微尺度。于是有一門主要研究微尺度氣象學(xué)的分支，微氣象學(xué)。度氣象學(xué)的分支，微氣象學(xué)。(Micrometeorology) 研究微尺度大氣現(xiàn)象、大氣運(yùn)動基本規(guī)律。研究微尺度大氣現(xiàn)象、大氣運(yùn)動基本規(guī)律。研究邊界層必然包括研究微尺度

7、過程。因研究邊界層必然包括研究微尺度過程。因此，二者基本上是同義語。此，二者基本上是同義語。二大氣邊界層分層大氣邊界層分層 1. ：緊貼地面的一薄層，分子粘性力遠(yuǎn)大：緊貼地面的一薄層，分子粘性力遠(yuǎn)大于湍流切應(yīng)力，分子輸送過程處于支配地位。這一于湍流切應(yīng)力，分子輸送過程處于支配地位。這一層的典型厚度層的典型厚度1cm幾個幾個cm，因此對多數(shù)實(shí)際問題，因此對多數(shù)實(shí)際問題而言，可以忽略它而言，可以忽略它。 粘性副層中由分子輸送的熱通量可表示為： 為分子熱擴(kuò)散率（空氣的分子熱擴(kuò)散率為210-5m/s）。典型的熱通量值為0.2Km/s，由此計(jì)算的溫度梯度為1.0104 K/m，這相當(dāng)于穿過1mm厚層的溫

8、差為10K。zTQH 在驕陽似火的夏日，即使當(dāng)時的氣溫只有25或30，假如赤腳通過黑色柏油馬路，同地面表層一接觸就感到灼熱。灼熱的表層溫度可使最低層幾毫米的空氣產(chǎn)生很大的溫度梯度。 2. ：從粘性副層到：從粘性副層到50-100m，這，這一層大氣運(yùn)動呈現(xiàn)明顯的湍流性質(zhì)，一層大氣運(yùn)動呈現(xiàn)明顯的湍流性質(zhì)，湍流輸送占有壓湍流輸送占有壓倒優(yōu)勢作用倒優(yōu)勢作用。 由于近地層中湍流強(qiáng)烈混合的結(jié)果，各由于近地層中湍流強(qiáng)烈混合的結(jié)果，各物理屬性的物理屬性的鉛直輸送通量近似為常值鉛直輸送通量近似為常值，故又稱為常通量層，故又稱為常通量層。 大氣受地表動力和熱力影響強(qiáng)烈，氣象要素隨高度變化激烈，運(yùn)動尺度小，科氏力可

9、略，氣壓梯度力可略。3. ：從近地層以上到：從近地層以上到1-1.5km。湍流粘性力、科氏力和氣壓梯度力同等重要湍流粘性力、科氏力和氣壓梯度力同等重要，需要考，需要考慮風(fēng)隨高度的切變。慮風(fēng)隨高度的切變。 以上三層總稱為大氣邊界層(ABL)或行星邊界層(PBL)。在ABL以上，下墊面對大氣的影響可忽略不計(jì)，氣壓梯度力和科氏力達(dá)到平衡，為自由大氣。三邊界層厚度和結(jié)構(gòu)三邊界層厚度和結(jié)構(gòu)1. 海洋上，由于海水上層強(qiáng)烈混合使海面溫度日變化很小。此外，海水熱容量大，海面溫度日變化不明顯，邊界層厚度變化十分緩慢。邊界層厚度的變化主要是由天氣、中尺度垂直運(yùn)動和不同氣團(tuán)平流引起的。2.陸地上，邊界層具有輪廓分明

10、、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)陸地上，邊界層具有輪廓分明、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。參見前圖。 （1）混合層：不穩(wěn)定邊界層，且其上層是穩(wěn)定層。（2）殘留層：日落前半小時，湍流在混合層中衰減形成的空氣層，屬中性層結(jié)。（3）穩(wěn)定邊界層：夜間，與地面接觸的殘留層底部逐漸變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。其特點(diǎn)，在靜力穩(wěn)定大氣中有零散的湍流，雖然夜間近地面層風(fēng)速常常減弱或靜風(fēng)，但在200m左右高度，可能出現(xiàn)低空急流或夜間急流，達(dá)到超地轉(zhuǎn)風(fēng)速。四四. 研究意義研究意義 空氣之間各種屬性的交換，主要是通過大氣邊空氣之間各種屬性的交換，主要是通過大氣邊界層進(jìn)行的，因而邊界層氣象的研究，顯得非界層進(jìn)行的，因而邊界層氣象的研究，顯得非常重要，

11、常重要，一方面有基礎(chǔ)意義，是大范圍天氣過一方面有基礎(chǔ)意義，是大范圍天氣過程形成的背景和基礎(chǔ)。另一方面又廣泛的應(yīng)用程形成的背景和基礎(chǔ)。另一方面又廣泛的應(yīng)用價值，價值，人類活動主要在邊界層，例如環(huán)保、農(nóng)人類活動主要在邊界層，例如環(huán)保、農(nóng)田、水利、資源開發(fā)、交通、城建等與國計(jì)民田、水利、資源開發(fā)、交通、城建等與國計(jì)民生有關(guān)的重大課題都與邊界層氣象密切相關(guān)。生有關(guān)的重大課題都與邊界層氣象密切相關(guān)。五邊界層大氣特征及其運(yùn)動特征五邊界層大氣特征及其運(yùn)動特征1. 研究邊界層大氣湍流力學(xué)問題，必須充分考慮研究邊界層大氣湍流力學(xué)問題，必須充分考慮大氣的大氣的重要特征重要特征（1）大氣是運(yùn)行的半無限介質(zhì)，受地表面

12、的作用發(fā)生大氣是運(yùn)行的半無限介質(zhì)，受地表面的作用發(fā)生湍流運(yùn)動。湍流運(yùn)動。作為下邊界條件的地球表面，其熱力和動作為下邊界條件的地球表面，其熱力和動力性質(zhì)十分復(fù)雜，地表幾何形狀極不規(guī)則，吸熱率和力性質(zhì)十分復(fù)雜，地表幾何形狀極不規(guī)則，吸熱率和導(dǎo)熱率等熱力學(xué)性質(zhì)各不相同。例如，有海洋、陸地，導(dǎo)熱率等熱力學(xué)性質(zhì)各不相同。例如，有海洋、陸地，而陸地上又有草原、沙漠等等不同。因而而陸地上又有草原、沙漠等等不同。因而地表不只是地表不只是消極的阻礙大氣運(yùn)動的邊界面，而且是積極地向大氣消極的阻礙大氣運(yùn)動的邊界面，而且是積極地向大氣提供熱能和水汽的提供熱能和水汽的“源源”。（2）大氣是非均勻介質(zhì)大氣是非均勻介質(zhì)，大

13、氣密度隨時間空間，大氣密度隨時間空間而變化，特別是鉛直方向密度不均一。而變化，特別是鉛直方向密度不均一。（3）大氣湍流運(yùn)動尺度分布非常寬闊大氣湍流運(yùn)動尺度分布非常寬闊，10-2m-103m，甚至甚至106m。大氣湍流現(xiàn)象是大小懸殊不。大氣湍流現(xiàn)象是大小懸殊不同的湍渦共同作用的結(jié)果同的湍渦共同作用的結(jié)果 2由于上述特點(diǎn)，得到邊界層大氣運(yùn)動必須考慮的主由于上述特點(diǎn)，得到邊界層大氣運(yùn)動必須考慮的主要特征要特征（1）地球自轉(zhuǎn)的影響地球自轉(zhuǎn)的影響 引入科氏力引入科氏力（2）大氣密度不均勻，特別是在鉛直方向不均勻大氣密度不均勻，特別是在鉛直方向不均勻。（3）大氣運(yùn)動的水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，可視為淺大氣運(yùn)

14、動的水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，可視為淺層流體。層流體。（4）主要是湍流運(yùn)動主要是湍流運(yùn)動 運(yùn)動方程中增加湍流項(xiàng)。運(yùn)動方程中增加湍流項(xiàng)。 這些主要特點(diǎn)，也是研究邊界層大氣湍流的困難所在：這些主要特點(diǎn)，也是研究邊界層大氣湍流的困難所在：由于邊界條件的復(fù)雜性，很難求出準(zhǔn)確地分析解；由由于邊界條件的復(fù)雜性，很難求出準(zhǔn)確地分析解；由于實(shí)際大氣中湍渦的尺度很寬，限制了應(yīng)用室內(nèi)物理于實(shí)際大氣中湍渦的尺度很寬，限制了應(yīng)用室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)的可能性，必然以外場觀測為主。模擬實(shí)驗(yàn)的可能性，必然以外場觀測為主。六六原則：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，且以實(shí)驗(yàn)為主。原則：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，且以實(shí)驗(yàn)為主。1 理論方法理論方法半經(jīng)驗(yàn)理論

15、：以混合長理論和相似性理論為基礎(chǔ)半經(jīng)驗(yàn)理論：以混合長理論和相似性理論為基礎(chǔ)湍流統(tǒng)計(jì)理論：以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)湍流統(tǒng)計(jì)理論：以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)2 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法外場實(shí)驗(yàn)：野外定點(diǎn)觀測，飛機(jī)觀測，跟蹤觀測外場實(shí)驗(yàn)：野外定點(diǎn)觀測，飛機(jī)觀測，跟蹤觀測室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)：風(fēng)洞，水槽室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)：風(fēng)洞，水槽3 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)-理論方法理論方法數(shù)值模擬，數(shù)值試驗(yàn)數(shù)值模擬，數(shù)值試驗(yàn) 閉合問題的困難，閉合問題的困難，-近似，對支配方程的近似近似，對支配方程的近似 數(shù)值模擬必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，否則閉合方向不數(shù)值模擬必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，否則閉合方向不確定；模擬結(jié)果必須再次受到觀測資料的檢確定；模擬結(jié)果必須再次受到觀測資

16、料的檢驗(yàn)。驗(yàn)。觀測觀測+分析分析+數(shù)值模擬數(shù)值模擬七七 大氣邊界層系統(tǒng)的研究工作開始于大氣邊界層系統(tǒng)的研究工作開始于20世紀(jì)初，世紀(jì)初，開始時，主要研究近地面層。開始時，主要研究近地面層。 國內(nèi)研究始于國內(nèi)研究始于20世紀(jì)世紀(jì)30年代。年代。結(jié)合研究成果看，結(jié)合研究成果看，20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代有有Sutton的的微氣象學(xué)微氣象學(xué)。1960年代年代以后，著重于近地層以上的以后，著重于近地層以上的Ekman層的研究，進(jìn)層的研究，進(jìn)行了一系列規(guī)模較大的外場實(shí)驗(yàn)：行了一系列規(guī)模較大的外場實(shí)驗(yàn)： 澳，澳，Hay, 1967；美，；美，Kansas, 1968; Minnesota,1973 采用了聲雷達(dá)，超聲風(fēng)速儀，紅外遙感，飛機(jī)探測；數(shù)采用了聲雷達(dá)，超聲風(fēng)速儀，紅外遙感，飛機(jī)探測；數(shù)值模式。這些實(shí)驗(yàn)在值模式。這些實(shí)驗(yàn)在氣