第1章大气边界层之1
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
优选大气边界层之
Ta（℃）
低层大气温度的垂直分布
（1） 大气的绝热过程与泊松方程
大气的升降运动总是伴有不同形式的能量交换。如果大气中某 一空气块作垂直运动时与周围空气不发生热量交换，则将这样的 状态变化过程称为大气的绝热过程。
由热力学第一定律和理想气体状态方程，可以推导出描述大气热 力过程的微分方程.
泊松方程:
T/T0=(P/P0)R/Cp=(P/P0)0.286
大气边界层的分类与特征
不稳定边界层（对流边界层Convective boundary layer CBL， 混合层Mixed layer ML）
稳定边界层（Stable boundary layer, Nocturnal boundary layer） 中性边界层（Neutral boundary layer）
Rn G H LE
在白天和暖季，Rn＞0，地面由辐射获得热量， 并通过分子传导和湍流交换传给土壤和空气， 气温与土温分别向上和向下递减。
在夜间和中高纬度冷季，Rn＜0，地面由辐射 损失热量，气温与土温分别向上和向下递增。
能量通量的日变化
H(W m-2)
100
400
朝向系统为＋，背离系统为－
50
（3）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）：在这一层里，湍流粘性 力、科氏力和气压梯度力同等重要，风随高度变化明显，需要考虑风随 高度的切变。
• 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)
不同类型陆地边界层的基本特征
Occurred at** Turbulence intensity
CBL Daytime
第一章 大气边界层与边界层气象学研究
T ：实测的温度
e、P ：当时的水汽压、大气压
Tv > T
密度：水蒸汽 < 干空气 浮力：未饱和湿空气 > 干空气
绝对温度T
<
虚温Tv
3. 虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有云 的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中悬 浮的云滴会引起虚位温的降低。对于饱和空气而言 （存在云的情况下），定义虚位温θv为：
森林-10月14日 Qe<Qh
6:00 12:00 18:00 0:00
Qs：太阳辐射 Qh：显热通量 Qe：潜热通量 Qg：土壤热通量
3 低层大气温度
气温垂直分布三种情形： ① 气温随高度递减 ② 气温随高度基本不变 ③ 气温随高度逆增
温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、 风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。
Ro U fL
惯性力 f ：柯氏参数 （地转偏向力）
柯氏力
Ro大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响 可不计。Ro趋向无穷大Ro自行满足
Ro≤1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略
1.5 相似性参数
3. 弗罗德数（Fr）相似性
Fr U
2
惯性力 g ：重力加速度
gL
重力
Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或<<1），重力影响大，不可忽略
u
u
) 0.5
1.5 相似性参数
• 物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得 到正确结果而且与实际大气系统可比较， 则需要满足相似性条件 • 几何相似 • 运动学相似 • 动力学相似 • 热力学相似 • 边界条件相似
成都信息工程学院动力气象作业任务答案解析
第一章大气边界层2.假定在近地层中，雷诺应力Tzx为常数，混合长错误!未找到引用源。
,并且在下边界z=0处，错误!未找到引用源。
，试求风随高度的分布。
解：∵错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
…………①对①式积分错误!未找到引用源。
3.已知由于湍流摩擦引起的边界层顶部的垂直速度为错误!未找到引用源。
（1）试推出正压大气中，由于湍流摩擦引起的二级环流对天气尺度涡旋的旋转减弱时间错误!未找到引用源。
的公式。
（2）若湍流系数k=8m2/s，f=10-4s-1，涡旋顶部w=0的高度为10km，试计算错误!未找到引用源。
为多少？解：（1）正压大气的涡度方程简化形式：错误!未找到引用源。
设错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
…………①当z=H时错误!未找到引用源。
对①积分∵f为常数∴错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
（2）∵k=8m2/s f=10-4s-1H=10km∴错误!未找到引用源。
6.在某地测定平均风速随高度的分布，得到如下结果，假定风速分布对数规律，试计算z0，u及T0（去卡曼常数为0.40）。
高度（m）7 2 0.30 0.04平均风速（m/s） 3.92 3.30 2.40 1.41解：引入对数坐标系令错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
得出右表：则通过错误!未找到引用源。
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带入前两组值错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
（m）错误!未找到引用源。
（m/s）错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
15.在定常、均匀的气流中，铅直方向处于静力平衡的空气质点受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和水平摩擦力的作用，假定后者与风速矢方向相反、大小成比例，试求风压场之间的关系，并作图说明。
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第一部分 气象学地球的大气成分；大气分层和结构；大气静力学；辐射过程；大气的热力学；大气边界层第一章 地球的大气成分一、了解大气的基本组成干洁空气水汽和大气气溶胶二、理解大气水汽的重要性 在地球大气的气体成分中，水汽是最重要、最活跃的，相变造成雨云雷电，潜热方式传递热量的载体，而且在地球的生态系统中起着重要作用。
三、了解气溶胶粒子在大气过程中的作用水汽相变的凝结核，吸收和散射太阳辐射，影响大气能见度，影响大气化学过程第二章 大气分层和结构一、了解大气的分层由于地球自转以及不同高度大气对太阳辐射吸收程度的差异，使得大气在水平方向比较均匀，而在垂直方向呈明显的层状分布，故可以按大气的热力性质、电离状况、大气组成等特征分成若干层次。
1按中性成分的热力结构，把大气分成对流层、平流层、中间层、热层，外逸层；2按大气的化学成分，把大气分为均质层和非均质层；二、掌握对流层的基本特征对流层的主要特点是：1大气温度随高度降低；2大气的垂直混合作用强；3气象要素水平分布不均匀。
三、理解温度、气压、湿度、风、云、降水、水平能见度等主要气象要素的概念 温度：温度是表示物体冷热程度的物理量，温度反映物体内部分子平均动能。
气压：一个位置的气压是该处单位面积上所承受的其上空的大气柱的重量湿度：大气中水汽含量多少的物理量。
风 ：空气的水平运动称为风。
云 ：水汽凝结物悬浮在自由大气中即形成云。
降水：从云中降落到地面的水汽凝结物（固态的或液态的）统称降水，常见的有雨、雪、冰雹等。
水平能见度：气象学上把人的正常视力所能看到的水平方向上目标物的最大距离叫做水平能见度。
四、掌握大气温度、湿度的表示方法大气湿度：通常采用以下特征量来定量表示空气湿度大小。
1、饱和水汽压（e ）：010atb t E E +=⨯ （1.2.1）式中：0E 为0℃时的饱和水汽压，其值为6.11hPa ；t 为蒸发面温度；a 、b 为两个经验参数，平水面：7.45a =，237.3b =；平冰面：9.5a =，265.0b =。
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
第1章 大气边界层
z
=
z0
时仍满足对数分布规律：
∂V ∂z
z = z0
=
V* kz0
又∵
∂V ∂z
β = z = z0
V* z01−ε
∴ β = kz0ε
l
=
kz
⎛ ⎜ ⎝
z z0
⎞−ε ⎟ ⎠
（1.13） （1.14）
6
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
(u
+
iv)
=
−if
ug + ivg
（1.22）
为求解方便，取
x
轴平行等压线，则
∂p ∂x
=
0, vg
=
0 （即此时地转风只有东西向分量），有
kz
∂2V * ∂z 2
−
ifV
*
=
−ifug
（1.23）
或
kz
d 2V * dz 2
− ifV *
=
−ifug
（1.23）’
方程的性质：一元二次非齐次常微分方程
) >> ∂ (
) ∂(
,
)。
∂z
∂x ∂y
5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。
4 Ekman 层的主要特点
2
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。
左玉辉-环境学
清洁能源的典型案例
2、西气东输
清洁能源的典型案例
3、西电东送
它有南、中、北三大通道。一是将乌江、澜沧江、 红河水的水电资源，以及黔、滇两省坑口火电厂的电 能开发出来送往广东；二是将长江三峡和金沙江干支 流水电送往华东地区；三是将黄河上游水电和山西、 内蒙古坑口火电送往京、津、唐地区。 它是从根本上实现全国能源资源优化配置的关键
SO3、H2SO4、MSO4 、NO2、MNO3 、醛类、酮类、酸类。
二、几种典型的大气污染
（一）煤烟型污染 主要污染源是燃煤。主要污染物是SO2、CO和 微粒物质，它们遇上低温、高湿的阴天，且 风速很小并伴有逆温存在的情况时，一次污染 物扩散受阻，易在低空聚积，生成还原型烟雾。
（二）交通型污染
4、氮氧化物
5、光化学氧化剂
（二）大气污染对植物的危害
损害植物酶的功能组织；影响植物新陈代
谢的功能；破坏原生质的完整性和细胞膜。
此外，还会损害根系生长及其功能；减弱 输送作用与导致生物产量减少。
（三）大气污染对材料的危害
大气污染可使建筑物、桥梁、文物
古迹和暴露在空气中的金属制品及
皮革、纺织等物品发生性质的变化， 造成直接和间接的经济损失。
30分钟互通、60分钟抵达的“15、30、60”目标。
公交优先：大力发展轨道交通，优化调整地面交通，
适度发展小汽车，限制摩托车，逐步替换助动车。
绿色交通的典型案例
2、电动汽车
电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力 系统的汽车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和 燃料电池汽车三种类型。经过多年的探索与努力，我 国电动汽车电池、电机、电控三大关键技术相继取得 突破。业内专家普遍认为，我国电动汽车技术群体性 突破的时期已经到来，电动汽车将迅速大规模进入市
第一章 大气边界层与边界层气象学研究
流体力ห้องสมุดไป่ตู้定义
Prandtl（1904）首次引入空气动力学
大气运动尺度分析角度定义
Orlanski(1975)尺度定义
大尺度 中尺度 小尺度
α大尺度
β大尺度
α中尺度
β中尺度
γ中尺度
α小尺度
β小尺度
γ小尺度
macro- α
macro- β
meso- α
meso- β
meso- γ
micro- α
micro- β
S7
PBL结构变化特征：
• 见书上P31－34：⑴⑵⑶⑷⑸⑹
总之：分析大气边界层结构变化 特征，具体问题具体分析。 考虑天气条件，下垫面，地形以 及季节、层结稳定度条件等的变化对 大气边界层的影响。
2-2 爱克曼螺线和爱克曼层(了解)
在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常， 且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随 高度变化的解，即为经典的Ekman风廓线解。
雷诺应力定义
u' 2 u' v' u' w' 2 ' - v'u' v' v' w' 2 w' u ' w' v' w'
三 温度、位温、虚位温…（自学） 四 Boussinesq近似（自学） 五 准静力平衡（自学）
重点（理解，掌握）
• • • • • • 大气边界层 边界层中的风与气流 湍流 泰勒假说 湍流通量 雷诺应力
• 近几十年来，由于计算机速度的不断提高， 大气边界层的数值模拟研究方法成为一种常用的 研究手段。
由地面粗糙度或摩擦作用产生的小尺度湍流以及地面增热造成的热
大气边界层名词解释
大气边界层名词解释
大气边界层是指地球表面与大气中的空气交互作用的区域，它是大气层中最接近地球表面的一层。
大气边界层的高度通常在地表上方数百米到数千米之间，具体高度取决于地理条件和气象因素。
在大气边界层内，地表的热量和湿度通过辐射、传导、对流等方式与大气中的空气进行交换。
这种交换过程对于气象、气候和环境等方面都具有重要影响。
大气边界层可以分为几个子层，包括地面边界层、对流层和边界层顶。
地面边界层是最接近地表的一层，受到地形、地表特征和太阳辐射等因素的影响，其性质和特征会随着时间和地点的变化而变化。
对流层是地面边界层上方的一层，其中存在着强烈的对流运动，这些对流运动对大气的混合和能量传递起着重要作用。
边界层顶是大气边界层与上层大气相接触的界面，其高度因地区和季节而异。
大气边界层的研究对于气象学、气候学、环境科学和空气质量管理等领域都具有重要意义。
通过深入了解大气边界层的结构和特
征，可以更好地理解和预测天气现象、空气污染扩散、气候变化等问题，为人类社会的发展和生活提供科学依据。
第一章-风能资源测量与评估
第一章风能资源概述第一节风能基础知识一、风的形成风的形成是空气流动的结果，空气流动形成的动能称为风能。
空气的流动是由于不同区域空气的密度或者气压不同引起。
大气压差是风产生的直接原因。
改变空气密度主要方法（1）加热或冷却（2）外力作用二、影响地球表面空气流动的主要因素1、太阳辐射赤道和低纬度地区太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度大，地面和大气接受热量多、温度高；高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量少，温度低。
高纬度和低纬度之间的温度差异，形成南北之间的气压梯度，使空气做水平运动，风沿垂直于等压线的方向从高压向低压吹。
2、地球自转由于地球表面及空气间摩擦力的作用，地球自转过程中将带动地球表面的空气沿地球自转的方向流动。
地球自转使空气发生偏向的力称为地转偏向力-科里奥利力。
科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。
由于地转偏向力和高低纬度间压差所引起的压力的合力成为主导地球表层空气流动的作用力。
3、地球表面陆地和海洋等地形分布的影响（1）山坳和海峡改变气流运动的方向，使风速增大（2）丘陵、山地因表面摩擦大而使风速减小（3）山脉的阻挡作用导致局部风速的增加4、局部热效应的影响三风的种类1、大气环流（三圈环流）——全球性的风大气环流是在全球范围内空气沿一封闭轨迹的运动，是决定全球风能分布最基础、最重要的因素。
了解当地的盛行风向对微观选址具有重要的意义，我们可以避开盛行风向上的障碍物，当然，当地的地形条件对风向的分布也具有决定作用。
2、季风环流季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。
主要是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。
我国是一个典型的季风气候国家。
无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。
一般来讲在我国，季风的表现是：在冬季，风从陆地吹向海洋；在夏季，风从海洋吹向陆地3、局地环流1、海（湖）陆风2、山谷风3、峡谷（峡管）风峡谷效应使风速增大，不论是高大的山脉或是中小尺度的山脉只要存在峡谷或缢口河谷都有峡管效应，因为在谷地中流场压缩，其风速将比两侧加强，即产生峡管效应。
大气边界层结构及其与气象现象的关系
大气边界层结构及其与气象现象的关系大气边界层是指从地面开始到大气中高度约为20公里的一层空间，它是地球上各种气象现象的重要发生地。
大气边界层的结构和特性对于理解和预测天气变化以及气候演变起着重要的作用。
本文将从大气边界层的结构入手，分析其与常见气象现象的关系。
一、大气边界层的结构大气边界层的结构呈现多层分布，从地面向上分别为地面层、对流层、平流层和中性层。
各层的特性和气候现象与其结构密切相关。
1. 地面层地面层是大气边界层的最底层，厚度约为100-200米。
它直接受到地表的热状况、地形和植被等因素的影响。
在地表层中，气温和湿度的变化剧烈，大气动力学力量较强，垂直混合强烈。
地面层常常产生雾、霾等天气现象。
2. 对流层对流层是大气边界层的第二层，大约高度在10公里以内。
它是气象现象最活跃的层次，气象要素随高度的变化相对较小。
由于太阳辐射和地表的热状况不均匀，对流层中产生了大量的对流运动，形成云、降水等现象。
风向、风速的变化明显。
3. 平流层平流层是对流层之上的一层，高度约在10-20公里之间。
平流层稳定，温度随高度变化不大，并且风向和风速相对稳定。
这一层通常没有云层的形成，降水少。
4. 中性层中性层是大气边界层的最顶层，高度在20公里之上。
大气中的各种气象现象几乎不再发生，很少产生明显的变化。
二、大气边界层与气象现象的关系大气边界层的结构和特性直接影响着气象现象的发展和演变。
以下是大气边界层与几种常见气象现象的关系：1. 降雨大气边界层的对流层是降水的主要形成层次。
当对流层中的气温不规则分布，湿度较大时，容易形成对流云，进而产生降雨。
2. 大风大风通常与较大的垂直风切变有关，而垂直风切变也是大气边界层结构的重要特征之一。
当大气边界层中垂直风切变较大时，容易形成强风。
3. 雾、霾地面层是雾和霾的主要发生层次。
在地面层，气温、湿度以及大气动力学力量的影响导致了雾、霾等现象的产生。
4. 逆温层逆温层是大气边界层的一个现象，指的是大气温度随高度逐渐升高的层次。
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.
大气边界层的主要特征
大气边界层的主要特征
大气边界层是指地球表面与大气直接接触的那一层空气，它的高度大约在地面上1000米左右。
大气边界层的主要特征包括：
1. 温度变化明显：大气边界层中空气的温度变化非常明显，特别是在地面附近。
通常情况下，地面温度较高，空气往上升温度逐渐下降，直到达到一个稳定的温度层。
2. 风速变化：大气边界层中的风速也会随着高度的不同而变化。
在地面附近，由于地面的摩擦力，风速较小；而在高空中，由于没有摩擦力的影响，风速较大。
3. 水汽含量变化：大气边界层中的水汽含量也会因高度的不同而变化。
在地面附近，水汽含量较高，而在高空中，水汽含量逐渐降低。
4. 空气稳定性：大气边界层中的空气稳定性与温度变化密切相关。
在温度逐渐下降的过程中，空气也逐渐变得不稳定。
当空气不稳定时，会导致对流发生，从而形成了云、雨等天气现象。
总之，大气边界层的主要特征是温度、风速、水汽含量和空气稳定性的变化。
这些特征对地面上的气候、天气等都有着重要的影响。
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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.”
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。
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 ）
边界层气象学
张雪松 应用气象学院 气象楼804＃ lntlzxs@
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。
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
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
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
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 …….
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.
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
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
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
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
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。