第1章大气边界层之1

2、大气边界层的主要特征：
（1）大气运动的湍流性 气流和风的三种形态：
快速水平输送或平流的主要原因
在输送动量和能量方面有显著作用
平均风速 波 动 湍 流
大气边界层主要运动形态——湍流
（a）平均风速（b）波动（c）湍流的理想状况 实际上，波动和湍流经常是叠加在平均风速 上的，U表示风在x方向上的分量
中尺度 （10—1000km）
云形成过程中的潜热 释放； 气流在地形、城市、 岛屿上方的流动； 气流在具有明显特性 变化的下垫面上流动， 如陆-海风。
以低层大气为例：
平均风：明显的日变化
风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
一般量级：水平风为米的量级 垂直风为毫米-厘米的量级
波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：
重力波、惯性波 湍流：大气边界层的主要运动形态，不规则性和脉动性， 湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。 大气波动和湍流叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。
u′
u′ 脉动风
脉动风
u u平均
风速（m/s）
5 4 3 2
u u u'
v v v' w w w'
u′
0 20 40 60 80 时间(秒) 100 120
草地三维风速图 8 6
风速（m/s）
4 2 0 -2 -4 15:00 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 时间（2009-4-16） Ux-1s Uy-1s Uz-1s
边界层与风速
• 自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态
层 流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍 流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则
(Oke, 1987)
边界层湍流
湍流 —— 流体中的不规则运动 不仅存在于大气边界层内，在自然界处处存在， 如：舰船的尾部、
飞机机翼气层内、
对流层上层的急流区、 太阳光球和类星体光球 …… 生态学中种群数目不规则的变化，等等都是湍流 化学实验中也发现有湍流
大气边界层(ABL) 由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、 湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种作用和地形 的影响，它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。
ABL: Atmospheric Boundary Layer PBL: Planetary Boundary Layer CBL: Convective Boundary Layer SBL: Stable Boundary Layer NBL: (Near) Neutral Boundary Layer ML: Mixed Layer FA: Free Atmosphere Turbulence Atmospheric Turbulence Atmospheric Diffusion or Atmospheric Dispersion 为分子热扩散系数，数值为2.06×10-5 m2s-1； L 为与相变有关的潜热（0º C时汽液相变取值2.50×106 ）；液固相变取 值3.34×105J· -1; 汽固相变取值2.83×106 J· -1）； kg kg Cp 为湿空气定压比热，与干空气定压比热的关系为cp=cpd (1+0.86q)； Cpd 取值1004.07 J· -1· -1。 kg K
Stull: 地球表面直接受下垫面影响的大气层。 对地表强迫响应的时间尺度约为1小时，甚至更短。厚度的 时空变化较大，高度范围从几百米到几千米。
1、大气边界层的定义（重点掌握）
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。 大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气： （1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、 热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用； （2）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(ABL)： Atmospheric boundary layer 行星边界层(PBL)： Planetary boundary layer.
平流层
对流层 ~ 10 km 边界层 1~2 km
1.1.1 大气边界层的定义
由于摩擦力的作用，两平板间气流速度： z du U u( z) U 或者 h U dz h 摩擦力（切应力）：

du dz
u (z) ?
z
h
μ：分子粘性系数 ν（=μ/ρ）：运动学粘性 系数
气流沿固体表面流动时，流体中边界层的形成与发展
大气边界层研究与天气、气候、生态环境以及人类的生命和工程 活动密切相关。 • 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被 地面吸收，然后通过边界层湍流输送给大气； • 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； • 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 …….
应 用:
- 天气、气候
天气预报（强天气过程：暴雨、沙尘暴、大风等）、
气候预测、边界层气候 ……
- 大气环境
污染预报与控制、城市规划、核事故、反恐防恐 人体健康、生态保护 ……
- 工程气象
航空航天、水陆交通、室内环境、风能利用、 大型建筑、防风林、化工设备、大型电站 ……
内容提要
第一章 大气边界层 大气边界层，风与湍流，泰勒假说， 相似性参数，边界层厚度与结构 第二章 大气边界层湍流基础 平均场与湍流场，湍流基本统计量， 大气湍流谱，湍流通量与输送，大气湍能 第三章 大气边界层支配方程 基本方程，平均量方程，湍流脉动量方程， 湍流方差的预报方程，湍流通量的预报方程 第四章 定常大气边界层 近地层相似理论，全边界层相似理论， 谱相似，半经验理论在边界层研究中的应用
流体力学边界层：
固体壁面附近受粘性影响显著的薄流层
大气边界层：
大气与下垫面（陆地、海洋） 之间形成的一个运动性质特 殊的区域。
边界层定义
Stull: “We define the boundary layer as that part of the troposphere that is directly influenced by the presence of the earth’s surface, and responds to surface forcings with timescale of about an hour or less.” “The boundary layer thickness is quite variable in time and space, ranging from hundreds of meters to a few kilometers.”
2. 湍流产生的能量来源
根据目前的研究，大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力 作功两方面。 前者是在有风向风速切变时湍流切应力对空气微团作功； 后者是指在不稳定大气中，浮力对垂直运动的空气微团作功， 从而增强湍流；反之，在稳定层结大气中，失去动能，从而减弱湍 流。
小尺度 （<10km）
水平和垂直风切变； 热力不稳定性； 地面粗糙度。
动量、热量、 水分、物质交换
大气边界层：大气与下垫面（陆地、海洋） 之间形成的一个运动性质特殊的区域。
大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下的一个薄层， 它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，它与天气、气候以及大气 环境研究有非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是 发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交 通、以及城市规划和生态环境保护等紧密相关。
1.1.2 风与气流
1. 风与气流的流动形式——平均风速、波动、湍流
10
风速（m/s）
8 6 4 2 0
快速水平输送或平流的主要原因
平均风速
4
风速（m/s）
波动
2 0 -2 -4
6
在输送动量和能量方面有显著作用
大气边界层主要运动形态——湍流
湍流
风速（m/s）
3 0 -3 -6
2. 平均与扰动：
平均风速与脉动风速 7 6
u0 u=0.99u0 u=0.99u0 u=0.99u0 边 界 层 厚 度
与壁面直接接触的流体质点受到固体边界的阻滞，速度降 为零。邻近固体界面的一薄层流体，因受内摩擦影响，产 生速度梯度，并沿流动方向不断发展，形成边界层。通常 边界层的上边界定义为：
u 0.99u0
摩擦力（粘滞）作用，速度上下不均，形成渐厚边界层 边界层里速度梯度造成相当大的摩擦力（切应力 ）
1.1.3 湍流输送
1. 湍流、湍涡、湍流谱
u u u
平均项 扰动项
湍流即叠加在平均风速上的阵风，可以看做是由不规则 涡流——湍涡组成。一般的，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就 是湍流谱。
空气在南大西洋特里斯坦-达库尼亚岛周围和上空流动，云朵形成了漩涡。 这种螺旋云型在盛行海风遭遇岛屿时出现，被称之为“冯· 卡门漩涡”或 者“涡街”。
大气边界层的主要运动形态一般是 湍流：不规则性和脉动性。
2、大气边界层的主要特征：
（2）大气边界层的日变化——陆地边界层关键特征之一
气象要素的空间分布具有明显的日变化（Diurnal Cycle)
由无线电探空测风记录绘制的近地面和地面以上约1100m 测得的温度变化曲线
3、研究边界层的意义（重要性）
湍流与我们的生活密切相关: 不 利
- 湍流使飞行器阻力急剧增加 - 晴空湍流使飞机失事 - 湍流诱发振动式桥梁倒塌 - 血液湍流导致心脏杂音 - 消防湍流不利于灭火
有 利
- 杯中湍流有利于糖的溶解 - 化工湍流有利于化学反应
- 近地层湍流有利于污染扩散
- 云中湍流有利于云滴增长 - 大尺度湍流有利于天气变化
边界层气象学
张雪松 应用气象学院 气象楼804＃ lntlzxs@163.com
边界层气象学
Boundary Layer Meteorology
课程属性 : 专业课 预修课程 : 大气物理学、流体力学
成绩评定 ：笔试（80%）+ 平时成绩（20%）
教学目的和要求:
主要是研究大气边界层中的各种动力和物理过程。
第一章
大气边界层
1.1 大气边界层基本概念
1.2 大气边界层厚度与结构
1.3 边界层气象学研究
第一章 大 气 边 界 层
1.1 大气边界层基本概念
1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 大气边界层定义（重点掌握） 风与气流（重点掌握） 湍流输送（重点掌握） 泰勒假说（掌握） 相似性参数（了解） 虚温、位温与虚位温（了解）
本课程重点介绍大气边界层物理最基本的内容，
包括大气边界层的特征，描述大气边界层的动力学方
程组，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、
定常与非定常条件下的边界层气象学等。
通过本课程学习，希望能够使学生掌握大气边界 层物理的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气 候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下 基础。
对流层：75%大气、90%水 汽；云、雨、雪等 平流层：空气稀薄、平流、 飞机；15-35km臭氧
中间层：垂直运动，顶部 温度可降至-83 ~ -113℃
热层：“热”，空气处于 高度电离状态，电报 外逸层：温度随高度少变， 气体粒子外逸
大气边界层在哪？
Atmospheric/Planetary boundary layer 位于大气与地球表面交界区，离地1~2 km
第五章 非定常大气边界层 地表强迫引起非定常变化， 对流边界层， 稳定边界层 第六章 非均一下垫面大气边界层 内边界层基础，粗糙度跃变对气流的影响， 地面热通量和温度跃变对气流的影响， 地形起伏对边界层的影响，城市边界层 第七章 大气边界层的数值模拟 （选择）
Байду номын сангаас
教材和主要参考书：
蒋维楣等：《边界层气象学基础》，南京大学出 版社，1994. 506pp Stull, R. B. ( 杨长新 译 ):《边界层气象学导论》， 气象出版社, 1991. 738pp 赵鸣 编著：《大气边界层动力学》，高等教育出 版社，2004. 350pp