大气行星边界层讲解
所谓行星边界层（Planetary
2.若大氣較不穩定或是呈中性，邊界層就會較高，可達3㎞。
一般來說，平均邊界層高度約1㎞。
3.大氣在夏天因比在冬天較不穩定，所以邊界層較高；同樣地，白天時大氣比晚上時不穩定，因此也有較厚的邊界層。
物理意義：PBL 處的垂直速度約正比於ξg ，所以 ()ξg e D w ∝。
如圖5-8，邊界層和其上的自由大氣是藉由這樣的一個次環流所聯繫著：地面的低壓因摩擦力造成PBL 內的輻合，產生一向上的運動，因此在高層為一輻散場。
1. 由渦度方程可知，因為高層輻散 ↓⇒+⇒f ξ高空低壓減弱2. 由運動方程可知，因為高空的輻散受到科氏力影響而有順時鐘運動的傾向，因此會減低原渦旋逆時針旋轉的旋度，此即為spin down 的作用。
實例：一盛水的杯子在旋轉時，因有往外的離心力，故必須有向內的氣壓梯度力來平衡，所以水位一定會向中央凹下，呈一拋物面。
但杯底的摩擦力會使近杯底處的水流速度漸小，意味著下層的離心力小於上層之，所以在下層離心力無法平衡氣壓梯度力而產生一輻合，於此，次環流生成，為低層輻合，高層輻散。
此作用和大氣的次環流生成過程有點類似，但有兩處不同：1. 在大氣中為氣壓梯度力和科氏力的平衡，而科氏力是有方向性的；2. 大氣中摩擦力主要是eddy viscosity ，而上例的摩擦力是來自分子摩擦力。
相形之下，如果在沒有對流存在時（積雲對流可以將對流層內的動量和熱量作有效率且十分快速的傳送），邊界層所引發的spin-down process破壞旋轉系統的渦度要比diffusive effect來得有效率得多。
圖5-9為正壓大氣下，由邊界層內的摩擦力所造成的次環流分佈情形。
2.Stably-stratified Baroclinic Atmosphere一般來說，大氣是呈stably-stratified，氣塊之垂直發展受到大氣分層的效應所抑制（負浮力之故），據此，如圖5-10，次環流的垂直發展範圍有一限度。
因此，Ekman layer頂部的渦度spin-down最多，但高層較不會受到影響。
大气边界层和边界层探测简介
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
大气探测与大气物理第二章 大气边界层与大气运动
大气环流的形成的主要因素
(一)太阳辐射的作用 (二)地球自转作用 (三)地表性质的作用 (四)地面的摩擦作用
空气开始运动后，地转偏向力立即产生，并 迫使运动的气流向右偏离(北半球)，南反之。
地转风的方向平行于等压线，高压在其右侧 (北半球)。根据运动方程可推出，地转风的运动 方程式为： 0 1 P 2V sin
X 0 1 P 2U sin
Y
(二)梯度风
当空气质点作曲线运动时，除了受气压 梯度力和地转偏向力的作用外，还受惯性 离心力的作用，当这三个力达到平衡时的 风，就称为梯度风。
地转偏向力是一个非常重要的力。
(三)惯性离心力
惯性离心力是物体在作曲线运动时所产生的由运动轨迹的曲率中 心沿曲率半径向外作用的力。这个力是物体为保持惯性方向运动而产 生的，因而叫惯性离心力。惯性离心力和向心力方向相反，同运动的 方向相垂直，自曲率中心指向外缘，其大小同物体转动的角速度ω的 平方和曲率半径r的乘积成正比。对单位质量物体而言，惯性离心力C 为
Vac= rsin
(rsin )2 r P n
(三)自由大气中风随高度的变化
大量的高空探测资料说明，不同高度上的风 向、风速是不一致的。风随高度有明显的变化
自由大气中风随高度的变化同气温的水平分 布密切相关。气温水平梯度的存在，引起了气压 梯度力随高度的变化，进而影响风随高度发生相 应的变化。这种由于水平温度分布不均，所形成 的风随高度的改变量，称热成风。
大气边界层
大气边界层气流过地面时，地面上各种粗糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后便可忽略。
此高度称为大气边界层厚度，它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化，大致为300～1000米。
直接受到地表作用力影响的大气对流层，有时也称为行星边界层。
这些作用力包括摩擦，加热，蒸发，蒸散和地形影响等。
大气边界层的厚度随时间空间变化而有明显差异，可由数百公尺至一，二公里。
大气边界层之上成为自由大气。
白天地表受到太阳照射加热，温度升高；晚上则因为地表长波辐射冷却作用而降温，使得接近地表的气温呈现日变化，这种日变化是陆地上大气边界层的主要特征。
由于海水的比热大，以及海洋上层海水强烈的混合作用，使得海水表面温度日变化不明显，所以海上大气边界层的日变化也不明显。
气温日变化的振幅大小随着高度的增加而很快减小，自由大气的日变化则很小。
乱流旺盛也是大气边界层的重要特性。
无论在陆上或海上，在高压区域因为气流沉降，边界层厚度通常比在低压区小。
在陆上高压区域，大气边界层的日夜演化，结构常比较清晰，主要包括混合层，剩余层和稳定边界层。
日出后地表受热，热空气上升，冷空气下降，对流逐渐加强，各种性质近乎均匀的混合，古称之为混合层，也称为对流边界层。
在混合层内为不稳定的大气，其乱流主要有对流作用主导。
日出后混合层很快发展，到了下午一，二点左右，混合层高度达到最高。
日落后，地表受热停止，使得混合层内的乱流强度减弱，原来为不稳定的大气，逐渐转为中性的大气；此为白天混合层的残余，故称之为剩余层。
日落后，地表以长波辐射冷却，逐渐降温，在地表形成逆温，发展成为夜间地面逆温层，这一层大气非常稳定，故称之为稳定边界层，层内的乱流强度很微弱。
在稳定边界层之上即为剩余层。
夜间地面的风通常是微风或静风，但在稳定边界层顶常会出现很强的风速，这种现象称为夜间低层喷流。
无论在混合层或稳定边界层，从地表到约十分之一边界层厚度附近的热通量，水气通量和应力随高度的变化不大，这一层被称为地面层，或等通量层。
动力气象学 (8.1)--大气边界层
• 边界条件：
上边界，在离开地面足够高的地方（边界层顶）湍流粘性 力足够小，那里的风变为地转风
当z 时，u ug , v vg
下边界，当z=0时，u=0,v=0
• 为了数学处理方便，还可以进一步简化，取x轴与等压线 平行，有 vg=0
• 引进复数算法求解方程
令 u iv，D (u ug ) i(v vg ) ua iva
（2）风向有规则地随高度右旋；
（3）受地面热力作用影响大，低层大气温度分布呈现出很 大的垂直梯度；
重要性：
（1）人类活动区 （2）43%入射太阳能在此被吸收、而后返回大气 （3）几乎所有水汽在此被接受，并通过水汽提供大气
内能的50% （4）由于摩擦力的存在，几乎消耗整个大气动能的一
半左右 行星边界层既是整个大气的主要能量源，也是大气的动 量汇，它在地球表面和自由大气之间的热量、水汽和动量的 交换中起着重要作用，对天气系统的发展演变有很大影响。
§1.1 常值通量层中的风速垂直分布（对数律和综合幂次律）
• 中性大气中的对数律：
自由大气
u u * ,
z z
边界条件 z z0时，u 0
推出 u u * ln z
z0
Ekman层 (100m-1km)
边 界
层
近地层(2-100m)
贴地层(0-2m)
• 层结大气中的综合幂次律
一、Ekman抽吸
利用不可压连续方程：
u v w 0 w (u v )
x y z
z x y
hT w
hT u v
0
z
dz
0
(
x
第一章：大气边界层概述1
YSU simulation
0.3
0.4
MYJ simulation
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 OBS 3 SO2 concentration(mg/m )
ACM2 R=0.614
0.2
0.3
0.1
0.2
0.0
0.1
0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
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
大气边界层？
atmospheric boundary layer
³³³
500 400 ³ ³ ³ 300 200 100 90 ³³³³
¨ ³ ³ +³ ¨ ³ ³ +³
³ ³ ³ km³ ¨ ³
80 70 60 50 40 30 20 ³³³ ÷ ³ +³ ¨ ³ ³³³³ ÷ ³³³ ³ -³ ¨ ³
280
282
Time
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 （b）兰州站（52889）
OBS YSU MYJ ACM2
1.2 51.2 02 51.2 05 51.2 08 51.2 11 51.2 14 51.2 17 51.2 20 51.2 23 61.2 02 61.2 05 61.2 08 61.2 11 61.2 14 61.2 17 61.2 20 61.2 23 71.2 02 71.2 05 71.2 08 71.2 11 71.2 14 71.2 17 71.2 20 7-2 3
行星大气层的层次结构
行星大气层的层次结构行星是宇宙中自然存在的天体，它们有着多种不同的特征和组成部分。
其中，行星大气层是行星的外部气体包围层，它在行星表面和外层空间之间形成了一个重要的界面。
行星大气层的层次结构是指大气层按照高度、密度或组成进行划分和分类的方式。
本文将介绍行星大气层的层次结构，包括地球大气层、火星大气层和木星大气层。
地球大气层是我们最为熟悉的大气层之一。
它由五个主要层次构成：对流层、平流层、臭氧层、中间层和外层空间。
对流层是地球大气层最底部的一层，它从地球表面延伸到约10至15公里的高度。
对流层的上边界被称为对流层顶，其中包含了大气中的绝大部分水蒸气和气候现象的发生。
平流层是对流层之上的一层，高度约为15至50公里，其特点是大气温度逐渐递减。
臭氧层位于约20至50公里的高度，其中富集了大气中的臭氧分子，作为对太阳紫外线的吸收屏障。
中间层的上边界通常在约85公里处，此后的大气逐渐转变成外层空间。
火星是太阳系中的一颗行星，它的大气层也有自己特殊的层次结构。
火星的大气层包含了三个主要层次：底层大气层、中层大气层和顶层大气层。
底层大气层位于火星表面的低空区域，厚度约为10公里，它富含二氧化碳和稀薄的氧气。
中层大气层延伸到约60至80公里的高度，其中包含了一些尚未完全理解的气体成分。
顶层大气层则延伸到更高的高度，然后逐渐过渡到火星外层空间。
木星是太阳系中最大的行星，它的大气层也是非常复杂的。
木星的大气层可以划分为数个主要层次：底层云层、夹层大气层、顶层云层和外层大气层。
底层云层是木星大气层最底部的一层，主要由氨气和甲烷组成，呈现出斑点状的云层结构。
夹层大气层是介于底层云层和顶层云层之间的一层，其中包含了各种复杂的大气现象和循环系统。
顶层云层是木星大气层的最上层，由氨冰和硫磺颗粒组成，呈现出明显的带状结构。
外层大气层则逐渐过渡到木星外部的空间环境。
综上所述，行星大气层的层次结构在不同行星上有着不同的特征和组成。
第9章 大气边界层
高度(m)
2000 1000
0
云层
混合层(ML)
表面层（SL）
夹卷层
自由大气（FA）
盖顶逆温
剩余层（RL）
夹 卷 层混合层
稳定（夜间）边界层
(ML)
表面层（SL） 表面层（SL）
中午noon
日落sunset
午夜midnight 日出sunrise 中午noon
陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原 先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。
• 对流层大气其余部分统称为 自由大气。
1 边界层定义
对流层是从地面往上直达11 千米平均高度，但通常只有 最低2000米才直接被下垫面 改变； 定义：大气边界层指的是地 面往上到1000-2000米高度的 这一大气层。
边界层定义
由于它与地球表面直接接触，所以地球表 面的强迫力如摩擦力、蒸发和蒸腾、热传 递、污染物排放以及地形引起的流的变化 等可以对它产生直接的影响，其响应时间 尺度为1小时或者更小。
2 风和气流
• 气流或者风可以分为三大类：平均风、湍流、波。
u u u u • 各种物理量如水汽、热量、动量和污染物等输送
在水平方向上主要靠风来实现；而垂直方向上主 要靠湍流；
平均风 波 湍流
风和气流
平均风：可以产生很快的水平输送或平流；摩擦 力使平均风在近地面处达到最小值；量级：水平风 为2到10米（m）每秒垂直风为几毫米（mm）到几厘 米（cm）（小） 波：一般在夜间边界层观测到波；波对动量和能 量输运起重要作用；来源于平均风剪切（切边）、 平均风经过障碍物时产生等等
)
kg污 m2s
或
kg污 m2s重新定义成运动学形式，
动力气象-第八章(大气边界层1)解析
§1 大气边界层及其特征
大气边界层的定义
与地表直接接触，厚度约为1~1.5km、 具有湍流特性的大气层(PBL，Planetary Boundary Layer)。
大气分层及其特性
由于受地表（固壁粗糙不平）影响——湍流边 界层。 ——地表对大气的影响随高度增加而较弱； ——湍流的强度随高度增加而较弱； ——湍流粘性力随高度增加而减小； ——湍流粘性力的重要性随高度不同而不同。
对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空 气便下降来补充（下图），这种升降运动，称为 对流。通过对流，上下层空气互相混合，热量也 就随之得到交换，使低层的热量传递到较高的层 次。这是对流层中热量交换的重要方式。
湍流：空气的不规则运动称为湍流，又称乱流 （下图）。湍流是在空气层相互之间发生摩擦或 空气流过粗糙不平的地面时产生的。有湍流时， 相邻空气团之间发生混合，热量也就得到了交换。 湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。
(3)湍涡在运动过程中，在混合长距离内不 与周围混合而失去其原有的特性；
——在混合长距离内，物理属性守恒。
设有一湍涡所携带的物理量属性为A，它 在运动过程中不断与周围的介质进行混合， 最后完全失去其原有的特性。作如下的假 定：假设其在运行某一距离之后才与四周 的介质混合失去其原有的性质，但在此之 前，其仍然保持原有特性。这个能够保持 原来物理特性不变的长度称之为混合长。 如下图。
与分子运动类似——无规律、不确定性。 确定或者描述个别分之的运动是不可能也 是没有意义的。 只有统计量才有规律。如：大数平均量。
地面上自动温度仪记录的温度
温度的日变化曲线
每隔t 作一次平均
可见：
边界层的概念和特点
边界层的概念和特点边界层是指在地球物理学中，大气界面和地面之间的一层气体。
在气象学上，边界层是指从地面到一定高度范围内，风速、温度、湿度等各种大气参数发生显著变化的区域。
边界层的高度通常为未来数小时预报所需要的范围内。
1. 逐渐递减的风速：在边界层内，风速逐渐递减。
开始时，风速最大并且逐渐降低。
具体的风速变化取决于地面和大气层的性质和情况。
2. 温度和湿度梯度：边界层内的温度和湿度呈现出明显的梯度变化。
一般来说，地面处温度最高，高层温度逐渐降低。
除此之外，空气湿度在边界层内也会发生变化。
具体变化也是因地而异的。
3. 乱流增大：边界层内的乱流比较显著。
在这里空气流动不是平稳的，而是发生着强烈的乱流。
气体不能在水平方向上自由扩散，而是在各种水平方向逐渐混合。
4. 光学特性不同：由于边界层内存在着大量悬浮的尘埃和气体，它具有不同于上层大气的光学特性。
这使得大气边界层对光的透过率发生了变化。
边界层在气象、环境科学、气候变化等领域具有重要意义。
较为典型的是它与交通工具有关的影响。
由于边界层内的风速变化大，乱流强，而车辆在受到这种影响的同时会发生摩擦热，从而可以推测车辆的燃油效率、稳定性和舒适性。
在电力行业，边界层的变化也会影响线路的温度和表面附着物的变化，从而影响电力传输的效率和稳定性。
同样，边界层的湿度和风速也会对农业和林业造成影响。
总之，边界层是一个非常重要和复杂的概念。
对于气象学家、大气化学家、环境工程师、天气预报员、交通工程专家等专业人士来说，了解边界层的基本原理、特点和影响就显得尤为重要。
大气边界层概述
各种条件下的大气边界层专项观测实验
青藏高原
南沙
北极
淮河
内蒙
高精度梯度测量系统
近地面综合梯度观测
观测非均匀边界层
• 超声阵列测量（ HATS计划）
• 观测飞机 • 带平衡陀螺仪的汽艇 • 闪烁仪等
• 遥感观测
热量通量观测
辐射观测
青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量
北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验
测量平均时间 2～60min
遥感仪器及技术指标
无线电声雷达 (RASS)
意大利Irone公司
最高探测高度 1000m
最低探测高度 100m
垂直空间分辨率 10m
测量范围
-30～40℃
精度
0.1℃
测量平均时间 3～30min
法国 REMTECH 公司最先进的低 层大气风速、温 度廓线测量仪
国际上最先进的边界层雷达（LAP5000）
大气边界层概述
王成刚 大气物理系
与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、 “机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行 星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表 上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此 产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不 过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平 尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。 在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的 水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方 向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大 小在随高度变化的同时，风向也随之变化。
大气边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气 边界层的Reynolds数是相当大的，流体几乎总是处于湍 流状态，而且湍流度很大，可达20%左右。水平均匀地 面上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其 中近地面50~100m范围内的一层称为“近地层”或“常 通量层”(该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性 次层，但通常不予考虑)，其中湍流动量通量可以认为是 常值，平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用
动力气象 大气边界层解析
和vg 不变）；
➁密度 和湍流系数K 为常数，则有埃克曼
层（大气运动）方程组：
Ekman螺线：
上部摩擦层中，在湍流粘性力、科 氏力和压力梯度力平衡之下，各高度上的 风速矢端迹在水平面上的投影。
埃克曼螺线的讨论
求出复速度的模W （大小）：
cW
u2 v2 ug
z
1 2e hE
W z
1 hE
i
ug
e
(1i
)
z hE
W z
z i( z )
略去平均量的平均符号—，上式变为：
0
1
p x
fv
1
z
Tzx
0
1
p fu 1
y
z
Tzy
Tzx
Kz
u z
K
u z
Tzy
Kz
v z
K
v z
0
1
p x
fv
1
z
K
u z
0
1
p y
fu
1
z
K
v z
再假定：
1
p x
fvg ;
1
p y
fug
➀ 水平气压梯度力不随高度改变（各层的ug
方向（见表）
湍流粘性应力大小随高度的变化
湍流粘性应力风向 随高度的变化
埃克曼螺线解的问题：
➀ 下边界取在地面（z=0）时，u=v=0是不合适的，这 样就将湍流交换K=const的假定扩展到近地面层了， 而近地面层的湍流交换系数随高度时线性或幂指数 的关系；
➁ 上边界取在z，也不合适的，这样就相当于把边 界层延伸到整个大气层了；
cos
z
2 z
动力气象-第八章(大气边界层2)解析
埃克曼标高（hE）， 具有高度因次，它 又是推导埃克曼螺线所特有的参数，也是
边界层厚度的特征量。
梯度风高度ZH（hB）为埃克曼标高的 倍
hE～312m
当zH= hE =hB时，
45o
3、湍流粘性力随高度的变化 (1i) z
W u iv (ug ivg )e hE (ug ivg )
边界层最重要的特性是： 湍流性——物理量输送 据观测近地面层中 Tzx Tzx “近地面层”中，该层很薄，物理量的通量
几乎不随高度变化。 由于近地面层中物理量的通量几乎不随高度
变化，所以又称近地面层称为常值通量层。
常通量层中，物理量的垂直输送不随高度 变化。则湍流动量输送（雷诺应力）
Tz = Tz0 =常矢量 其中z0称为地面粗糙度，定义为风速为零 的高度，风洞实验确定其值为覆盖下界面 粗糙物平均高度的1/30。
有代表性的地面粗糙度
图中的w表示垂直运动，F表示浮力
中性层结中，湍流仅决定与下垫面动力作用。离 下垫面越近，l 就越小。Prandtl假设l是z的线性
函数l=z。 是卡曼常数（0.35~0.42，一般取
0.4）。
l z
斜率为ctg u ;
z轴上的截距为y0 ln z0
➂ 假定地面风速为零，从而得到风与等压线交角为45。 然而当z=0时，u=v=0，那么风向是无法确定的，45 的交角是理论的，实际上，地面风不为零，海洋上 该角为15，陆地上一般为30。
埃克曼为等角螺线
(1i) z
(1i) z
W u iv uge hE ug ug (e hE 1)
引入复地转偏差：W
W z
1 hE
i
ug
e
(1i
ch.8 大气行星边界层解析
属性A的脉动示意图
z
A(z) A(z l) z
A(z l)
(z l)
x
根据混合长理论，令z 高度上属性 A的
瞬时值和脉动值分别为
A Az A Az l A Az l Az
参数化：通过大尺度的物理量来表征次网格或 小尺度作用总体效应。
———— 引自《大气科学辞典》
湍流动量输送的参数化
不考虑个别湍涡的结构对平均运动的影响， 而是采用半经验半理论的方法用平均量直接表 示出湍流动量输送对平均运动的总体效应。
混合长理论的基本假设
1. 湍涡在运动的起始高度上具有该高度上的平均 物理属性。
平均速度与脉动速度
u u u
u
u 1
t
t t
t
2 t
udt
2
u0 t
t0
t
平均运算规则
A 0 A A AB A B AB AB A B A B AB A A s s
推导平均动量方程的一般思路方法
1.利用连续方程将运动方程化为通量形式。
Txx uu,Tyx vu,Tzx wu Txy uv,Tyy vv,Tzy wv Txz uw,Tyz vw,Tzz ww
平均动量方程的特点和物理意义
平均动量方程描写的是平均运动的变化规律。 平均动量方程中增加了与湍流有关的脉动二次项，其物 理意义为湍流混合作用引起的动量输送，即湍流摩擦效应对 平均运动的影响。 为了使平均运动方程组闭合，必须采用参数化方法给出 脉动二次项的计算方案
第八章 大气行星边界层
第9章 大气边界层概述
？
这些通量可以通过除以湿空气密度而重新定义成运动学形式，
运动学通量 符号 ~ M M 单位
质量 热量 湿度 动量 污染物
a ~ QH QH a C pa
R ~ R
F
a ~ F
~ a
a
m s m K s kg w m kg a s m m s s kg 污 m kg a s
（2）剩余层
（3）稳定边界层
4 边界层厚度与结构
• 1 在海洋上方，边界层厚度的时空变化相对陆地要慢。这是由于海洋 上部很强的混合，海面温度日变化极小。因此一个缓慢变化的海面温 度意味着一个缓慢变化的强迫力对边界层底的作用；
• 2 海洋上面的边界层厚度大多数变化是由海面的天气尺度和中尺度过 程的垂直运动以及不同气团的平流造成的。 • 3 无论在陆地还是海洋上，边界层的共同特征是高压区比低压区薄 （P171）。（？）
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边界层定义
对流层是从地面往上直达11 千米平均高度，但通常只有
最低2000米才直接被下垫面
改变； 定义：大气边界层指的是地
面往上到1000-2000米高度的
这一大气层。
边界层定义
由于它与地球表面直接接触，所以地球表 面的强迫力如摩擦力、蒸发和蒸腾、热传 递、污染物排放以及地形引起的流的变化 等可以对它产生直接的影响，其响应时间 尺度为1小时或者更小。 边界层虽然很薄，但是人类和其它生物活 动主要区域，所以一直是大气科学研究重 点课题。 下图给出对流层下部温度变化一个例子。 近地面气温日变化比较明显，而自由大气 则没有什么日变化。
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湍流输送
定义： • 湍流是叠加在平均风速上的阵性流现象，远可以认为是由作不规则旋 转运动的涡旋所组成。 • 通常情况，湍流由许多大小不同的涡相互叠加而成。 • 这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。
边界层概念及特点
边界层概念及特点边界层是地球大气层中的一个重要区域，位于地面和大气中的对流层之间。
这个区域的特点是空气的运动非常复杂，甚至可以说是混乱不堪。
因此，边界层的研究一直是大气科学研究的重要领域之一。
在此，我们将重点介绍边界层的概念及其特点。
一、概念边界层也称境界层，是指地面和大气层之间的一个非常薄的区域，距离地面高度约为20-2000米。
在这个区域中，气流的方向和速度都会发生剧烈的变化，形成了一系列的涡旋和湍流动。
这些涡旋和湍流动会影响大气层中的气象现象，例如气温、风向、风速等。
二、特点1.湍流流动边界层中的气流非常不稳定，容易形成湍流。
湍流在空气中形成了不规则的涡旋运动，导致了空气的动能和温度的混合，从而使得温度和其他气象参数分布变得非常复杂。
因此，边界层中的天气现象也就难以预测。
2.垂直差异边界层中的气象参数随着高度的增加而发生明显的变化。
通常可以将边界层分为三个部分：表层、中间层和上层。
表层高度为0-10米，通常受到地表温度的影响，会形成相对暖的气流。
中间层高度为10-1000米，受到太阳辐射的影响较大，温度分布呈现出一定的周期性变化。
上层高度为1000-2000米，稳定的气流运动主要由大气层中的高空风流所驱动。
3.表面效应由于地表的特殊性质，边界层中的气象参数会受到地表效应的影响。
例如，当地表温度很高时，气流运动会形成相对暖的气流，从而导致大气透明度变差。
这种影响不仅涉及到日常的天气变化，还会对气候变化和大气层污染等方面产生影响。
4.气体混合当空气在不同的速度和方向下运动时，它们会相互混合。
这种混合使得边界层中的气体分子运动难以预测。
这种混合是由于边界层中涡旋的形成和气流的不规则运动所致。
5.散卡效应散卡效应是边界层中另一个非常重要的效应。
它指的是当空气流动速度增大时，越来越多的空气分子被抛到了边界层的外层，也就是远离地面的上层大气层中。
因此，地面与空气中的物质和能量交换也减少了。
这种效应常常被称为“瓶颈效应”，对边界层的研究和预测具有很大的困难性。
大气边界层
列出三阶量方程，则 出现四阶量， 建立二阶量和平均量之间 的关系，称为一阶闭合 （first-order closure）， 梯度输送理论（ gradienttransfer theory ），K理论 （ K-theory ），K闭合， 混合长理论（ mixinglength theory ）
不同高度处温度的时间序列
瞬时值 平均值
（ instantaneous valuev)
扰动值 方差 variance
速度方差基本不随时间变化，湍流 是平稳的。速度方差在空间上是均 匀的，即 湍流是各 向同性的（isotropic）。
协方差
9.1.3 Turbulence kinetic energy and turbulence intensity 湍能和湍流强度
9.1.4 Turbulent transport and fluxes 湍流输送和通量
热通量（heat flux）
热通量大于零，热量向上输送。 热通量小于零，热量向下输送。
9.1.5 Turbulence closure 湍流闭合
建立关于平均量的大气运动和热力学方程组， 称为雷诺平均方程（Reynolds averaging）
潜热通量
B：波恩比（Bowen ratio)，感热和潜热之比。 B经常根据试验获得 the Bowen ratio ranges from about 0.1 over tropical oceans, through 0.2 over irrigated crops, 0.5 over grassland, 5.0 over semi-arid regions, and 10 over deserts.