大气边界层第一章
1第一章大气边界层概述
2.陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结 构。见图1.1
（1）混合层：
（2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形 成的空气层，属中性层结。
（3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底部逐 渐变为稳定边界层。其特点，在静力稳定大气中有 零散的湍流，虽然夜间近地面层风速常常减弱或静 风，但在200m左右高度，可能出现低空急流或夜间 急流，达到超地转风速。
版社，1959 3. 莱赫特曼，D. Л., 1973, 中译本，大气边界层物理，科学出版社，
1982 4. Haugen, D.A. edit, 1973, Workshop on Micrometeorology.中译本，
微气象学，科学出版社，1984
5. Stull, R. B., 1988, An Introduction to Boundary Layer Meteorology. 中译本，边界层气象学导论，气象出版社，1991
行了一系列规模较大的外场实验：
澳，Hay, 1967；美，Kansas, 1968; Minnesota,1973 采用了声雷达，超声风速仪，红外遥感，飞机探测；数 值模式。这些实验在《气象学与原子能》中有介绍。
1970年代以来，探测手段进一步发展、完善，较为系统的著 作：美国气象学会的《微气象学》; Panofsky, H. A. 等的 《大气湍流》； Stull, R. B.的《边界层气象学导论》; Garratt, J. R., The Atmospheric Boundary Layer, 等。期 刊 BLM, -Kluwer Academic Publishers.
闭合问题的困难，---近似，对支配方程的近似 数值模拟必须以实验为基础，否则闭合方向不
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
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：
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
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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。
错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
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 =。
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。
《大气边界层》PPT课件
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）
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
kinetic energy
考虑无限薄层，没有热容量
❖ FHs ：sensible heat flux（感热通量、感热） ❖ FEs ：latent heat flux （潜热通量、潜热） ❖ FGs ：the conduction of heat down into
the ground, (positive downward, away from the surface)
湿度通量
9.2.4 The Global Surface Energy Balance
9.2.4 The Global Surface Energy Balance
9.3 Vertical Structure 垂直结构
9.3.1 Temperature
绿色虚线：标准大气，黑色实线：实际大气
出现三阶量
建立二阶量方程，同 时建立三阶量和二阶 均量之间的关系，称 为二阶闭合 （Second-order closure），建立三 阶量方程，同时建立 四阶量和三阶均量之
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
第1章大气边界层之2
边界层研究主要方法
理论研究
观测试验 数值模拟
不同时刻，大气边界层平均位温廓线
FA: ML: RL: SBL: SL: SCL: 自由大气层 混合层 残留层 稳定边界层 近地层 云下层
S7
作业：请根据晴天小风天气情况下从S1－S6时刻的位温垂直廓线 变化，分析大气边界层结构的日变化？
noon
18-Aug
19-Aug
20-Aug
21-Aug
22-Aug
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.
辐射平衡
Rn ( Sin Sout ) ( Lin Lout )
Rn G H LE
将生态系统中水分的散失和 驱动蒸散作用的能量收支联 系起来，使能量和水循环得 以贯穿在一起 。
能量分配
涡度相关法直接测定生态系统尺度能 量和物质交换通量，但存在低估等技 术缺陷。
H C p W ' T '
大气稳定度与烟羽
高 度
温度
污染物浓度
a. 环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或 地形起伏区。
b. 圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风 多云。
c. 扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向有一定 侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。 d. 漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽充分扩 散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。
边界层重要知识点归纳
第第一一章章
❖ 大气边界层的定义：大气的最低部分受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与 下垫面相互作用的层次。大气边界层的厚度差异很大，平均厚度为地面以上约 1km 的范围，以湍流运动为主要特征。还可细分为近地层（大气边界层下部约 1/10 的厚 度内）和 Ekman 层。
a 0 ❖ 动雷。诺雷平诺均平：均定：义平均值后，可以将B湍a流运动0表示为A：B湍流运a动b=平A均B运动+脉动运
❖ 大气湍流的能量谱：当湍流达到充分发展的状态时，其能谱可以分为三个区：含能 区、惯性区与耗散区。含能区——在该区内，普函数取决于风速、粗糙度和边界层厚 度等特征量。惯性区——典型长度尺度（波长）比离地表面距离小。该区内湍能只是 从较大的涡传递给较小的涡，能量既不增加也不损耗，只是起到由低频向高频的惯性 传递作用。该区内湍流可以近似地看做是局地各向同性。耗散区——随着涡旋尺度的 减小，由于受粘滞性的影响越来越强，能量损失不断增大。该区内湍能逐渐被耗散。
【(1).粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。(2).近地层 （常通量层）：大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可 略。(3).Ekman 层（上部摩擦层）：在这一层里，湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要 考虑风随高度的切变。】
❖ 大气边界层厚度：边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。海洋 上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。 陆地上，边界层具有轮廓分 明、周日循环发展的结构。
❖ 大气边界层结构：（1）混合层： （2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中 衰减形成的空气层，属中性层结。 （3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底 部逐渐变为稳定边界层。其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面 层风速常常减弱或静风，但高空 200m 左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超 地转风。
边界层气象学课件：CH01_1绪论及湍流基础
课程目的与教学基本要求
边界层气象学是研究大气边界层的科学。它 以观测事实、实验室模拟、数值模拟等为出 发点，通过半经验理论、相似理论及统计理 论等，对边界层大气的湍流运动特性、能量 收支、物质输送和交换等方面的规律进行研 究。它是大气科学、环境科学等领域的重要 基础课程。 基本要求的三个档次，即掌握、熟悉、了解
边界层气象学
Boundary Layer Meteorology
参考书目
1、盛裴轩 等，大气物理学（其中的第三篇 大气边界 层物理），北京大学出版社，2003.
2、[美] Rolland B. Stull著，徐静琦，杨殿荣译， 边界层气象学导论，青岛海洋大学出版社，1991.
3、T R Oke, Boundary Layer Climates,1987
图8.1 热线风速计在大气中测量的风速记录 1992 年 8 月 13 日 在 戈壁 （ 甘 肃 ） ， 使 用 超声 风 速 仪 、 白 金 丝 温度 仪 和 Layman-湿度表观测得到的资料，以及由这些记录计算得到的瞬时风向。
其他复杂现象： 股票指数、地震记录 DNA序列、心脑电图
海岸线、气候序列 。。。
不规则性、多尺度性 注：你知道分形几何吗？
你知道混沌吗？
法国数学家曼德布劳特(B. B. Mandelbrot) 经历了不平凡的潜心研究，于1975年出版了 他的关于分形几何的专著《分形、机遇和维 数》，标志着分形理论的诞生
Fractal Geometry：破碎、不规则几何学
整数维 分数维 自相似
3、雷诺圆管实验（粘性不可压缩流体）
雷诺于1883年进行圆管实验：圆管 内的粘性流体在不同速度U、不同 直径D、不同粘性ν的（运动学粘 性系数）流体进行大量实验，发现 流体运动形态决定于参数 UD/ν ,1908年索末菲定义为：
动力气象-第八章(大气边界层1)解析
省略。
2) 风向几乎不随高度变化，但风速随之增加。 3) 物理量通量的垂直输送几乎不随高度改变（常值通
量层）。 4) 物理量垂直梯度>>物理量的水平梯度。 5) 湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈
准定常。
重点： 边界层中风随高度的变化规律， Ekman 抽吸和旋转减弱
§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。
步骤：
几个常用的关系式：
二、平均运动方程
1．平均连续方程：
此为脉动连：
利用连续方程：
=0
zx
du dz
zx
zx
z
z
x
y
(
zx
zx
z
z)
zx
zx
z
z
x
y
Fx
1
zx
z
1
(
z
u ) z
2u z 2
✓物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产 生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并 力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置 。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为 应力。应力：单位面积上内力的大小；
研究边界层目的
1. 边界层本身的特性：
边界层复习资料
第一章大气边界层基本的概念1、大气边界层定义，特征2、大气边界层的垂直分层结构，通常可分为粘性副层、近地面层、混合层3、边界层发展的日变化，陆上高压区大气边界层通常由三部分组成，对流混合层，残余层，稳定边界层4、大气边界层按稳定度分类：稳定边界层，不稳定边界层及中性边界层5、风与气流的流动形式：平均风速、波动、湍流6、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、湍流7、莫宁-奥布霍夫（Monin－Obukhov）相似理论以及π理论是边界层湍流研究的理论基础，8、大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力作功两方面。
9、名词解释：泰勒假说第二章湍流基础1、湍流的基本特征：随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：风切变产生的湍流、对流湍流、波产生湍流2、湍流的定量描述(重点掌握)：平均量和平均法则、雷诺分解、统计量、湍流尺度大气湍流中，雷诺平均通常有三种平均方式，分别是时间平均，空间平均，系统平均。
第三章大气边界层控制方程（要知道出发方程都是什么，推导方法，拿出来一个方程能够识别出是什么方程，各项对应的物理意义是什么，这章会有个推导题，题目见课件）1、基本控制方程（状态方程、一个质量守恒方程（连续方程）、三个动量守恒方程（Navier-Stokes方程）、一个热力学能量方程）水汽及污染物的守恒方程形式与热量守恒形式一致通过Boussinesq 近似得到简化方程，克罗内克符号，交变张量，2、平均量方程出发方程：Boussinesq 近似方程组采用雷诺平均的方法，将任意一个物理量表示成平均量和脉动量之和，代入方程组，然后再取平均————大气边界层平均量控制方程，重要：在动量、热量和水汽平均方程组均出现了湍流通量散度项，表现出湍流通量对平均场动量、热量和水汽含量增减的贡献。
P.S 定常、水平均匀，忽略下沉，取平均风速为x轴方向几种假设的含义3、湍流脉动量方程将出发方程展开为平均量和脉动量相加的形式,与平均量方程相减，即可得到湍流脉动量控制方程。
第1章大气边界层之1
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”。
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
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
边界层理论第一章
第一章概论第一节边界层理论的创立和发展一、初始阶段（1904年~二十世纪三十年代中期）：布拉休斯（普朗特的学生）于1908年采用相似解的方法将偏微分的边界层方程组变换为常微分方程，完成了平板边界层问题的求解，得出了流体沿平板壁面的摩擦阻力的计算公式。
计算结果与实验数据基本吻合，给解决实际流动问题提供理论分析的基础，且可用于解释用理想流体概念所不能说明的物理现象，如流动脱体（边界层分离）现象等。
流动脱体现象：流体流经障碍物、截面突然扩大或缩小、弯头等局部阻力骤变处时，流体的流动状况会由层流转化为湍流（紊流）。
而流体在作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，流经绕流体时会互相碰撞产生旋涡等现象。
流体流过平板或在直径相同的管道中流动时，流动边界层紧贴壁面。
流经曲面，如球体、圆柱体或其它几何形状物体的表面时，无论是层流还是湍流，在一定条件下都会产生边界层与固体表面脱离的现象，并且在脱离处产生旋涡。
二、第二阶段（二十世纪三十年代中期~六十年代中期）：高速边界层、层流稳定性以及湍流边界层，将边界层概念从速度边界层推广到温度边界层，使边界层理论发展成为对流换热理论分析的基础。
出现边界层方程的解法：相似解法、积分方程解法、级数解法、匹配渐进展开法（现统称“奇异摄动法”）和差分数值计算法。
随着飞行器飞行速度增加，必须考虑空气的可压缩性，从而研究了可压缩流体（即高速流体）边界层的阻力计算和传热计算。
由于边界层内层流和湍流的阻力和传热规律不同，除了研究层流边界层，还必须研究层流稳定性和湍流边界层。
湍流边界层研究：雷诺应力的半经验公式，湍流边界层的分层和速度分布的分析与实验研究，湍流边界层的摩擦阻力和传热的计算。
三、第三阶段（六十年代中期至今）：处于深入攻坚阶段，当代流体力学的两大问题——湍流与分离流的研究。
分离流：由于边界层相对于逆压力梯度行进足够远时，边界层相对于物体的速度几乎下降到零而产生流动分离的一种现象。
第二节粘性流体的性质一、理想流体与粘性流体理想流体：指不计及粘性的流体。
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平流层
对流层 ~ 10 km 边界层 1~2 km
大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约1~2公里 厚度，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。它的研究 与天气预报、气候预测以及大气物理研究有非常密切的关系。 由于人类的生命活动几乎都是发生在这一层次内，所以大气边 界层的研究又与工农业生产、环境保护等紧密相关。近年来， 由于大量与大气运动有关的实际问题日益受到重视，国内外许 多非气象领域的科学工作者，尤其是力学工作者，也对大气边 界层研究产生了兴趣。与此相关的有工程气象学、工业空气动 力学、环境流体力学等新的交叉学科。人们在解决航空安全保 障、高层建筑物设计、风能利用以及空气污染防治等问题的过 程中，都需要对大气边界层的结构特征有深入的了解。
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 大气边界层与边界层研究 第二章 大气边界层湍流基础 第三章 大气边界层控制方程
湍流也是大气科学研究最为重要的基本问题之 一。
三 研究方法
•
大气边界层的研究内容多着重于中性层结的假设下 • 理论研究 进行流体动力学分析；着重于热对流问题讨论及对完 全方程进行数值求解三个方面。研究方法通常是采用 • 观测实验 理论和实验相结合，并以实验为主，理论上有以混合 • 物理模拟 长理论和相似理论（量纲分析）为基础的半经验理论 及以概率论数理统计为基础的湍流统计理论。在应用 • 数值模拟 中又以半经验理论为主。实验方法则是以野外观测及 室内模型实验同时进行。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。
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
大涡用动能哺育小涡，
小涡照此把儿女养活。
(Oke, 1987)
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 有 利 - 杯中湍流有利于糖的溶解 - 化工湍流有利于化学反应 - 有利于污染扩散
- 血液湍流导致心脏杂音
- 消防湍流不利于灭火
- 云中湍流有利于云滴增长
湍流至今没有严格的科学定义。但目前已知
教学目的和要求:
主要是研究发生在大气边界中的各种动力和物
理过程。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
第四章 定常大气边界层 第五章 非定常大气边界层（选讲）
教材和主要参考书：
《边界层气象学基础》，蒋维楣，南京大学出版社，1994 《边界层气象学教程》，赵鸣，1989 Stull, R. B. ( 杨长新 译 ):
《边界层气象学导论》， 气象出版社,
1991.
738pp
An Introduction to Boundary Layer Meterology , Kluwer Academic Publishers, 1988, 666pp
能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。
• 湍流是如何发生的？
层流失稳（剪切和热对流）
雷
诺 ：在实验室模拟湍流
雷诺数 Re=ρvl/η
雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点
平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性 力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状
• 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
• 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
• 作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散
最高探测高度 最低探测高度 测量范围 精 度 测量平均时间 1000m 100m -30～40℃ 0.1℃ 3～30min
垂直空间分辨率 10m
无线电声雷达 (RASS) 意大利Irone公司
法国 REMTECH 公司最先进的低 层大气风速、温 度廓线测量仪
湿度脉动仪
汽艇 可移动小塔
超声风速仪
可全天候长期稳 定的测量 :
经典湍流统计理论认为湍流脉动是一种完全不规则的无 内部结构的运动。近30年来，人们从实验中发现事实并非如 此。剪切湍流中发现有拟序结构（coherent structure）存在
（孤立子、相干涡、条状结构、斜坡结构等），这是近代湍
流研究的重大发现。它表明湍流并非完全不规则的运动，而 在表面上看来不规则的运动中具有可检测的有序运动。 间歇性 ( intermittency) 的发现也是近代湍流研究的重 大发现之一，有内间歇和外间歇之分。前者系指充分发展的
遥感仪器技术指标
最高探测高度 最低探测高度 垂直空间分辨率 测量范围 1000m 60m 20～200m 水平风分量： 0～30m/s 垂直风分量： ±15m/s 水平风：0.2m/s 垂直风：<5cm/s 2～60min
精 相控阵声雷达 （PA2） 法国Remtech公司
度
测量平均时间
遥感仪器及技术指标
卫星遥感观测结果
等高阶湍流统计量
湍 流 通 量 仪 (FLUXMETER,REMTECH公司)
水槽试验
度
最大风速：33.8m/s
高
时
间
危险天气条件下的边界层结构（北京）
遥感探测青藏高原边界层结构
2～3成流冰 开阔海域
3～4成冰 浮冰海域
6～7成冰 浮冰海域
当年冰 大浮冰
多年冰 大浮冰
中性边 界层
北极地区的边界层结构
第一章 大气边界层与边界层气象 学研究
第一节 大气边界层及其特性
一 大气边界层 • ABL：Atmospheric Boundary Layer • Plandtl（1904） • 气流流动于平板上方，平板表面的摩擦 力和由垂直速度切变生成的流体内摩擦 力阻滞近固体边界处的气流流动，这样 流体低能部分的积累，造成边界层的增 长。这样一个流速减少，并低于自由气 流速度的区域称之为边界层。
大气边界层物理学
王咏薇 大气物理学院 气象楼811# wyw@
大气边界层物理学
Atmospheric Boundary Layer Physics
课程属性 : 学科基础课 学时/学分 : 34 / 2 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%）
它有如下 11 个主要特点：
1、不规则性和随机性
3、大雷诺数性质 5、耗散性 7、流动属性 9、间歇性
2、扩散性
4、涡旋运动 6、连续性 8、记忆特性 10、猝发与拟序结构
11、混沌特性
湍流理论四个基本概念：随机性、涡粘性、级串、标度律
湍流级串：
湍流如何传递能量？
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
境保护等紧密相关。
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。
U
h
z
U(z)= U· h/z
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
最高探测高度 风：2000～5000m 温：1000～2000m 最低探测高度 100m 垂直空间分辨率 60m 测量范围 风速：0～40m/s 温度：-30～50℃ 精 度 风向：<10° 风速：<1m/s 温度：<1℃ 风向：<10° 测量平均时间 3～60min
风温廓线仪 （LAP-3000） 美国Radian公司
态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。在不同的流动状
态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平 均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘
性流体的流动特性。
湍流运动仍然是一种宏观的流体运动，每 个立体单元包含有大量的流体分子，其运动特 征是分子运动在宏观尺度上的平均结果。因此 一般假设湍流运动满足 N-S 方程。但由于这是 一个缺乏严格证明的假设，也有不少学者对此 提出过怀疑。提出了不少非 N-S 方程出发的研 究途径和理论（例如湍流的分子动力学理论）。
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。