：大气边界层概述1

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。
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，110km? 95km 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，３小时一次施放探测边界层温度和湿度。 (3) 微气象观测 １）1,2,4,5,16m风廓线 ２）1-2m，2-4m温差 ３）净辐射连续纪录 ４）地面热通量，测量器置于地下0.5cm层土壤里 ５）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
?边界层参数化方案对近地面温度的影响
284
282
OBS
YSU
280
MYJ
278
ACM2
276
perature(K)
274 272 270
Tem 268
266
264
262
260 1.25-021.25-061.25-101.25-141.25-181.25-221.26-021.26-061.26-101.26-141.26-181.26-221.27-021.27-061.27101.27-141.27-181.27-22
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。
野外实验观测（直接获取资料，基础）
三
两大野外实验和一个数值实验
大
气
实验室物理模拟（可控制、可重复等）
边
界
层
理论研究（纯理论、经验、半经验）
研
究
方
法
数值模拟（促进、指导、支持和补充）
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
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
? Deardorff J W. An explanation of anomaloualy large Reynolds stresses withi the convective planetary boundary layer
? Deardorff J W. Three-dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer
Time
（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
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。
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
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。
? 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).
Time
（a）西固二水厂
282
280
278
276
perature(K) m
274 272 270
Te 268
OBS YSU MYJ ACM2
266
264
262 1.25-021.25-051.25-081.25-111.25-141.25-171.25-201.25-231.26-021.26-051.26-081.26-111.26-141.26-171.26-201.26-231.27-021.27-051.27-081.27-111.27-141.27-171.27-201.27-23
? 温度（2, 5, 10, 20 and 50 cm ）
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
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。
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。
兰州大学半干旱气候与环境观测 站 ——SACOL站
边界层气象要素
? 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
? 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。
边界层气象学教程
研究内容
研究意义
大气边界层
研究方法
研究进展
高度(km) 3000
é￠òY 2?
大气边界层？
500
atmospheric boundary layer
400 è 3é 2? 300
200
100
90
km￡? ￡¨
80 70
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50
￡ ¨ +￡? ￡ ¨ +￡?
?D ? 2? ?￥ ￡ ¨ -￡? ? á÷2? ?￥
0.1
MYJ R=0.514
0.0
0.05
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
OBS SO concentration(mg/m3)
2
ulation 0.3 sim 0.2 2 M C A
0.1
0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
OBS SO2 concentraton
? 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。
? 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。 ? 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)
?边界层参数化方案对空气质量模拟结果的影响
0.5
0.4
ulation 0.3
sim U
0.2
YS
0.1
YSU R=0.504
0.0
0.05
0.10 0.15 0.20 0.25
OBS SO concentration(mg/m 3)
2
0.30
ACM2
0.4
R=0.614
0.5
0.4
ulation 0.3 sim YJ 0.2 M
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 TKEprediction option that uses a new theory for stably stratified regions. New in Version 3.1.
温度/水汽廓线仪
? 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（5159GHz）组成。
土壤、植被参数监测系统
? 土壤热通量（5 cm and 80 cm ）
? 体积含水量（5, 10, 20, 40 and 80 cm ）
二、研究意义
? 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。
? 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。
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： ? 1.大气边界层中的湍流特征； ? 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； ? 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； ? 4. 近地层湍流大气微结构、湍流统计特征； ? 5. 大气边界层的数值模拟。
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
? Deardorff J W. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layer
? 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 ? 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/律3 ” ? 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
μ ? à? 2?
每升高100m， 气温降低0.65℃
40 ? á÷2?
30
20
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O3
3? ? ?ü ê?
10
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? á÷2?
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0
200
250
300
? ? ? ?è ￡ ¨K￡?
? 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。
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。
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.