大气边界层和边界层探测简介
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大气边界层探测
主要内容（10个课时）
• 大气边界层与大气边界层探测简介 • 涡动相关法原理 • 湍流量观测仪器工作原理 • 微气象观测塔的架设与维护 • 观测资料的资料控制与后处理
平流层 对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
• 大气边界层又称行星边界层，是指存在着
湍流性特征的低层大气，是大气与下 垫面直接发生相互作用的层次。湍流是
近地面风速谱
天气尺度
能量间隙
湍流尺度
谱隙
平均流
湍流
谱隙表现为把小尺度峰与天气尺度峰分开的谷
• 雷诺分解是研究湍流的一般方法。是把温 度和风等变量分解为平均和扰动两部分。
• 平均部分表示平均温度、平均风速等的影 响，扰动部分则表示叠加在平均温度、风 速上的湍流的影响。
• 虽然湍流运动复杂，随时间、空间的变化 极不规则。但是雷诺平均却有一定的规律 性。
• 最大的边界层湍涡接近边界层的厚度（100 －3000km），最小湍涡尺度只有几毫米， 由于分子粘性的耗散作用，其强度非常微 弱。小湍涡以大湍涡为能源。
科尔莫哥洛夫图案
湍流的输送/消耗 （湍流级串）：
湍流如何传递能量？
L. F. 理查森：
Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
• 气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层 • 霜、露和最高最低温度预报，实际上都是边界层预报 • 雾发生在边界层中 • 污染物大部分被阻挡在边界层中
大气边界层的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要作用
• 作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散 • 到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的 • 云中的凝结核也是通过边界层输送上去的 • 雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气 • 大约50％的大气动能被耗散在边界层中 • 海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一
边界层气象--湍流
大气边界层中湍流的成因
• 热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
• 动力原因：地面对气流的摩擦拖曳力产生 风切变，常常演变为湍流。
湍流的产生：热力作用
湍流的产生：动力作用 风切变
泰勒假说
• 实际大气观测中很难得到某个瞬间湍流的空间分布
• Taylor(1938):
…...
湍流
湍流的定义
• 湍流是流体的不规则运动，流场中各种量 随时间和空间坐标发生紊乱的变化，然而 从统计意义上说，可以得到它们的准确的 平均值。 （1959年J.欣策 ）
湍流现象
达芬奇 ：
从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969
从层流到湍流 Frisch (1995)
在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的 特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是 凝固的.这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测 量变为相应的空间上的测量.
• 适用条件: 湍强不太大
• 大气边界层内的湍流总是包括很多大小不 同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度湍涡 的相对强度定义为湍流谱。
实际瞬时风速
湍流部分
平均风速
风速记录的局部放大。u’ 表示阵风或实际瞬时风
速U相对于平均风速 U 的偏离
流的平均部分和湍流部分
➢ 将大尺度变化与湍流分开的方法: 将风速实测资料在30 分钟到1小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值 的正的或负的偏离
➢
u U U
瞬时风速 平均风速 湍流部分
➢谱隙的存在，使我们能用此种方法将流场进行分离
大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
谱隙 ➢ 图中似乎明显存在周期大约30分钟到1小时的风速变化。 两小时内平均风速从6m/s减小到5 m/s
其中间的风速微弱变化的时间或 空间尺度区称为谱隙
对于均匀平稳的湍流而言，时间平均，空 间平均及系综平均这三种平均都相等。
雷诺平均
A A a, B B b A Aa Aa Aa
a 0
AB (A a)(B b)
AB aB Ab ab AB 0 0 ab AB ab
0
陆面过程与大气之间的物质交换
通量
• 通量是指单位时间通过单位面积的流体的 某属性量的输送。
时间平均， 应用于空间某一特定点，对变量求 和或在某一时域T上积分。
N 1
A(t )
1 N
A(t, j) 或
j0
s A(t) 1
s
A(t, s)ds
s0
其中，s js 离散情况 ； s s / N
系综平均，对N个同样的试验求和：
e
A(t, s)
1 N
N 1
Aj (t, s)
j0
• 各态遍历
• 流体运动可分为平均运动和脉动运动两部 分，因此属性输送也分别由这两部分运动 引起。
热通量和水通量：风速分量乘以热量 和水汽含量 和表示通过这 个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
热通量： ( u , v , w)
水汽通量： (qu , qv , qw)
动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三 个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则 具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向
一些基本的统计方法 三类平均： 空间平均，时间平均，系统平均。
空间平均， 应用于某一瞬时，对变量求和或在 空间域 S 上积分。
A=A(t,s), t : 时间; s: 空间
t
A(s)
1 N
N 1
A(i, s)
或
i0
t
1T
A(s)
A(t, s)dt
T t0
其中， t it 离散情况
t T / N N 为数据点数
边界层大气的主要运动形态，对地表面
与大气间的能量、热量、水汽及 其它物质的输送起着重要的作用。地
球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩
散使得边界层中气象要素呈现日周期的
循环。
大气边界层的重要作用
• 整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分
是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层湍流输送 给大气
的动量输送，因而具有二阶张量性质。
u2 uv uw
vu v2 vw
主要内容（10个课时）
• 大气边界层与大气边界层探测简介 • 涡动相关法原理 • 湍流量观测仪器工作原理 • 微气象观测塔的架设与维护 • 观测资料的资料控制与后处理
平流层 对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
• 大气边界层又称行星边界层，是指存在着
湍流性特征的低层大气，是大气与下 垫面直接发生相互作用的层次。湍流是
近地面风速谱
天气尺度
能量间隙
湍流尺度
谱隙
平均流
湍流
谱隙表现为把小尺度峰与天气尺度峰分开的谷
• 雷诺分解是研究湍流的一般方法。是把温 度和风等变量分解为平均和扰动两部分。
• 平均部分表示平均温度、平均风速等的影 响，扰动部分则表示叠加在平均温度、风 速上的湍流的影响。
• 虽然湍流运动复杂，随时间、空间的变化 极不规则。但是雷诺平均却有一定的规律 性。
• 最大的边界层湍涡接近边界层的厚度（100 －3000km），最小湍涡尺度只有几毫米， 由于分子粘性的耗散作用，其强度非常微 弱。小湍涡以大湍涡为能源。
科尔莫哥洛夫图案
湍流的输送/消耗 （湍流级串）：
湍流如何传递能量？
L. F. 理查森：
Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
• 气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层 • 霜、露和最高最低温度预报，实际上都是边界层预报 • 雾发生在边界层中 • 污染物大部分被阻挡在边界层中
大气边界层的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要作用
• 作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散 • 到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的 • 云中的凝结核也是通过边界层输送上去的 • 雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气 • 大约50％的大气动能被耗散在边界层中 • 海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一
边界层气象--湍流
大气边界层中湍流的成因
• 热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
• 动力原因：地面对气流的摩擦拖曳力产生 风切变，常常演变为湍流。
湍流的产生：热力作用
湍流的产生：动力作用 风切变
泰勒假说
• 实际大气观测中很难得到某个瞬间湍流的空间分布
• Taylor(1938):
…...
湍流
湍流的定义
• 湍流是流体的不规则运动，流场中各种量 随时间和空间坐标发生紊乱的变化，然而 从统计意义上说，可以得到它们的准确的 平均值。 （1959年J.欣策 ）
湍流现象
达芬奇 ：
从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969
从层流到湍流 Frisch (1995)
在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的 特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是 凝固的.这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测 量变为相应的空间上的测量.
• 适用条件: 湍强不太大
• 大气边界层内的湍流总是包括很多大小不 同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度湍涡 的相对强度定义为湍流谱。
实际瞬时风速
湍流部分
平均风速
风速记录的局部放大。u’ 表示阵风或实际瞬时风
速U相对于平均风速 U 的偏离
流的平均部分和湍流部分
➢ 将大尺度变化与湍流分开的方法: 将风速实测资料在30 分钟到1小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值 的正的或负的偏离
➢
u U U
瞬时风速 平均风速 湍流部分
➢谱隙的存在，使我们能用此种方法将流场进行分离
大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
谱隙 ➢ 图中似乎明显存在周期大约30分钟到1小时的风速变化。 两小时内平均风速从6m/s减小到5 m/s
其中间的风速微弱变化的时间或 空间尺度区称为谱隙
对于均匀平稳的湍流而言，时间平均，空 间平均及系综平均这三种平均都相等。
雷诺平均
A A a, B B b A Aa Aa Aa
a 0
AB (A a)(B b)
AB aB Ab ab AB 0 0 ab AB ab
0
陆面过程与大气之间的物质交换
通量
• 通量是指单位时间通过单位面积的流体的 某属性量的输送。
时间平均， 应用于空间某一特定点，对变量求 和或在某一时域T上积分。
N 1
A(t )
1 N
A(t, j) 或
j0
s A(t) 1
s
A(t, s)ds
s0
其中，s js 离散情况 ； s s / N
系综平均，对N个同样的试验求和：
e
A(t, s)
1 N
N 1
Aj (t, s)
j0
• 各态遍历
• 流体运动可分为平均运动和脉动运动两部 分，因此属性输送也分别由这两部分运动 引起。
热通量和水通量：风速分量乘以热量 和水汽含量 和表示通过这 个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
热通量： ( u , v , w)
水汽通量： (qu , qv , qw)
动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三 个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则 具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向
一些基本的统计方法 三类平均： 空间平均，时间平均，系统平均。
空间平均， 应用于某一瞬时，对变量求和或在 空间域 S 上积分。
A=A(t,s), t : 时间; s: 空间
t
A(s)
1 N
N 1
A(i, s)
或
i0
t
1T
A(s)
A(t, s)dt
T t0
其中， t it 离散情况
t T / N N 为数据点数
边界层大气的主要运动形态，对地表面
与大气间的能量、热量、水汽及 其它物质的输送起着重要的作用。地
球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩
散使得边界层中气象要素呈现日周期的
循环。
大气边界层的重要作用
• 整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分
是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层湍流输送 给大气
的动量输送，因而具有二阶张量性质。
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