大气边界层探测简介精品
大气探测Word版
第一章1.什么是大气探测？可以划分为哪几部分?2.简述大气探测的目的是什么?3.地面气象观测场的要求有哪些？4.简述大气探测有哪几种方法?5.大气探测仪器的性能包括哪几个?6.如何保证大气探测资料的代表性和可比性?7.气象探测环境?*大气探测．．．．，是指利用科技手段对大气层和近地层的各种物理过程、化学过程、生物过程等进行系统的观察和测量。
是对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行系统的、连续的观察和测定。
大气探测资料精确性直接影响到气象预报、气候预测和气候变化研究等的准确性。
大气探测可划分为地面气象观测，高空探测，特种探测，遥感探测*．大气探测的科技手段．．．．．．．．．：机械方法：风向标等。
光学方法：经纬仪光谱仪等。
热学方法：蒸发器等。
电磁方法：雷达卫星信息传输等* 大气探测的空间范围，．．．．．．．．．．从海平面往上到几百公里甚至一千多公里范围不断扩大！* 大气边界层，．．．．．．大气与地面之间充分湍流化的气层，厚度约为1km，大气要素变化剧烈并随时间和地表条件变化，是地面气象观测和大气边界层探测的主要大气层，该层对局地天气、气候产生重要影响。
近地面层（常通量层，表面层），直接与地表接触、受地面强烈影响，地面气象观测在此高度内。
*影响大气边界层探测的物理过程，．．．．．．．．．．．．．．．辐射传输过程：短波辐射，长波辐射。
热力传输过程：显热，潜热。
动力作用：平流，垂直运动，局地环流。
湍流运动：无规则，分类（机械、热力），特征，尺度谱，串级传递能量过程，湍流输送过程。
*．大气探测学研究目的．．．．．．．．．，．1.大气探测是从事大气科学教学、科研的基础。
为天气、气候诊断分析、预报及环境保护部门、国家及全球气象资料网络系统等提供大气观测资料。
2.随着科学技术的发展，大气探测的要素量和空间范围越来越大。
大气探测分为近地面层大气探测、高空大气层探测和专业性大气探测。
3.. 是推动大气科学进步的重要力量大气科学重大理论的提出和完善得益于大气探测（虽然数值模拟在其中也发挥着重要作用）。
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。
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
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，
大气边界层高度测量方法研究及比较分析
大气边界层高度测量方法研究及比较分析在大气科学研究中，大气边界层高度的测量是至关重要的。
边界层高度是指大气中温度、湿度、风速等物理特性发生显著变化的区域，对于气象预报、空气污染监测、气候变化研究等都具有重要意义。
本文将研究和比较几种常用的大气边界层高度测量方法。
一、大气边界层高度的重要性大气边界层是指气象学上特指地球大气直接受大气地面相互作用影响的底部大气层。
边界层高度的变化与大气中的温度、湿度、气压和风速等物理参数的垂直分布密切相关。
准确测量大气边界层高度有助于了解大气层的垂直结构和变化，进而提高天气预报的准确度。
二、常用的大气边界层高度测量方法1. 气象雷达法气象雷达法是通过雷达测量附近的云层、积雨云或大气湿度变化来确定边界层高度。
该方法具有测量范围广、实时性强的优点，适用于大面积的边界层高度探测。
2. 气象探空法气象探空法是通过使用气象探空仪，将探空仪悬挂在气球上并释放到大气中，记录高度和大气参数的变化。
这种方法能够提供边界层高度的垂直剖面，并且在可用性和准确性方面具有优势。
3. 激光测量法激光测量法是通过激光束向大气中发射，通过测量激光的散射和反射来确定大气边界层高度。
该方法具有非接触式测量和高精度测量的优点，但受到天气和环境条件的限制。
4. 遥感卫星法遥感卫星法通过使用卫星传感器来观测大气的物理特性，如温度、湿度和云量等，从而确定边界层高度。
这种方法具有全球范围内的监测能力，但分辨率较低，无法提供较高精度的边界层高度数据。
三、不同方法的比较分析以上介绍了几种常用的大气边界层高度测量方法，它们各自具有优缺点。
选择合适的方法取决于应用的具体需求。
例如，气象雷达法适用于大范围的边界层高度探测，而遥感卫星法则更适合全球范围的监测。
此外，测量方法的实用性和准确性也需要考虑。
气象探空法具有较高的精度和垂直分辨率，但需要人力物力投入较大。
激光测量法在非接触式测量和高精度测量方面具有优势，但受到天气和环境条件的限制。
2.大气边界层观测基础
•大气边界层探测分类：
1.直接探测：边界层探测中的常用观测平台包括观测塔、系 留气球、等容气球、无线电探空仪、观测飞机等。
2.间接探测：边界层探测的间接探测方法代表性的有微波雷 达、声雷达、激光雷达和无线电声学探测系统等。
车载移动地面气象观测系统
风廓线雷达 云高仪
微波辐射计
声雷达
边界层综合观测
第二章 大气边界层观测概述
大气边界层探测特点：
大气边界层探测侧重于认识大气边界层的结构、湍流 性和地气之间的相互作用。
大气边界层探测问题的核心是大气湍流问题，关键是下垫面的影响，突出 特征是边界层结构的日变化，重点是物理过程和演变机制。
大气边界层受到多种复杂过程的影响，大气边界层探测仪器和方法必须适 应大气边界层的固有特点。 大气边界通常是以湍流运动为特征，这种运动具有非常小的长度尺度和时 间尺度，重要的标量如温度、湿度、痕量气体等都被湍流运动混合，因而 也具有小尺度脉动。在大气边界层观测中我们更关心的是这些小尺度运动 和湍流脉动的特性。 因此要求观测仪器有很高的精度和灵敏度!!!
气象塔及数据控制室
系留汽艇和雷达观测场地 湍流场观测仪器
平均场观测仪器
低层大气风温廓线仪（LAP300）
Bubble（Basel Urban Boundary Layer Experiment，2001年8月&2002年7月） 计划。主要目的是研究高度非均匀、高度复杂的城市下垫面的湍流通量的垂 直分布特征，包括城市冠层之上和冠层内部的观测研究
加拿大real 针叶林
青藏高原地区 内蒙古半干旱 区草原
白洋淀试验
主要目的是研究非均 匀下垫面（存在陆地 和大面积的水域）的 边界层结构和湍流通 量特征（存在湖陆风 环流），针对非均匀 下垫面的湍流通量参 数化，设计出可靠的 方案
大气边界层概述
夜间边界层温度垂直分布的演变
2001年1月27日-28日逆温生消的演变过程
300
250
高 200 度 150
1999/10/5 08:00，北京 露点和大气温度垂直分布
不稳定
稳定（逆温）
不稳定边界层风、温廓线
稳定边界层风、温廓线
夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不 同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温， 严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演 变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是
生态边界层示意图
一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一 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，下垫面的作 用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地，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 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减 小到地面值的很小一部分，例如1%。但有时 也以逆温层顶 作为大气边界层上界。
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。
大气边界层探测技术初步分析
料， 常规 的高 空探 测 资 料一 般 难 以满 足 。常 用 的
边 界层探 测方法 主要有 以下 几类 。 ２ １ 系留气球 探测 ．
（ ）位置 固定 ， 得 气 象塔 对 边 界 层 研究 的 ２ 使 目的难 以兼 顾 。气 象塔 用于研 究大气 边 界层 的基
系 留气 球作 为低空 探测Fra bibliotek 备 能 比较 直观地获
作 者 简 介 ： 超 超 （９ ６ ） 男 ， 熊 １ ８ 一 ， 大学 ， 程 师 ． 究 方 向 ： 事 大气 探 测 理 论 与 技 术 ． 工 研 军
・
７ ・ ８
气 象 水 文 海 洋 仪 器 时 的风 向 ， 用其 中的 一 套读 数 。为 了使各 个 高 选
度、 湿度 、 风速 等 ） 均量 和脉动 量测量 ； 平 湍流通 量
密 度 比较 重 要 。
大气 边界层 的探测 手 段 极 其 丰富 ， 规 的 高 常
空探测 资料一 般 都 包 括边 界 层 的 资料 。此 外 ， 应
用 Ｇ Ｓ探 测 和 飞 机 探 测 也 是 有 效 的探 测 手 段 。 Ｐ
边 界层 的研究 ， 常需 要 高 密度 高 精 度 的探 测 资 经
边 界 层 按 其 热 动 力 学 及 相 应 的湍 流 特 征 可 分 为 不 稳 定 、 定 和 近 中 性 ３类 ， 界 层 高 度 随 地 表 特 稳 边
。
近年 来 ， 内外 重 大 气 象 实 验 大 都 把大 气 边 国
界 层 研 究 作 为 核 心 的 科 学 内 容 之 一 。如 ：
界层探 测范 围和 内容还 在 不断扩展 。
测仪 器 ， 备 计 算 机 系 统 ， 配 以实 现 观 测 程 序 和 记 录、 资料储 存 和处 理 的 自动化 。 气象塔 有 以下几个 缺点 ： （ ）气象 塔 造 价 比较 昂 贵 ， 以在 边 界 层 水 １ 难