第9章 大气边界层
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③ 边界层通过湍流作用来响应地面强迫力的变化；
• （1） 运动学通量和湍流通量
– 定义：通量是指单位时间内通过单位面积所传输的量。质量、热 量、动量和污染物的通量
通量
质量 热量 湿度
动量 污染物
符号
M~
Q~H
R~
F~
~
单位 ？
kga m2s
J m2s
kgw m2s
kga (ms1 m2s
第九章 大气边界层
本章主要内容
01 边界层定义 02 风和气流 03 湍流输送 04 边界层厚度与结构 05 微气象学 06 边界层意义 07边界条件和表面强迫力 08 海陆风环流
大气边界层
• 地球表面是大气圈一个边界。 在这个边界上输运过程改变 着100米到3000米厚的最低 层大气，形成所谓边界层。
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
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。
边界层定义
• 地面因辐射而增温和冷却，从而通过传输强迫边界层发生变化。湍流是其中 重要运输过程，有时候也用湍流来定义边界层。
边界层厚度与结构
Subsidence（下沉）
（上升）
updrafts
Divergence(辐散) 高压（H）
Convergence（辐合） 低压（L）
低压区边界层 高度如何确定？
边界层厚度与结构
• BL（Boundary Layer）边界层 • CL（Cloud Layer）云层 • FA（Free Atmosphere）自由大气 • IBL（Internal Boundary Layer）内边界层 • ML（Mixed Layer）混合层 • RL（Residual Layer）剩余层 • SBL（Stable Boundary Layer）稳定边界层 • SCL（Subcloud Layer）云下层 • SL（Surface Layer）表面层：占边界层10%的底部区域
)
kg污 m2s
或
kg污 m2s
gm s
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
质量 热量 湿度
动量 污染物
符号
M M~
a
~
QH
QH aC pa
R R~
F
F~
a
a
~
a
单位
m s
Baidu Nhomakorabea
K
m s
kgw k ga
m
s
m m s s
kg污 m
• 相应时间尺度约为1小时或者更小。这并不意味着这段时间内边界层达到平衡， 只是表示至少已经开始。
• 边界层中研究中包括晴天积云和层积云2种。晴天积云与边界层中热泡关系密 切；层积云在边界层上部，温度较低使水汽凝结。
• 雷暴能够将边界层空气抽吸入云层或铺设冷的下层空气罩而使边界层在几分 钟内发生变化。
边界层的发展具有明显的日变化特点（高压区、小风、无云条件）
边界层厚度与结构
• 在陆地表面的高压区，边界层具有明确的结构，其发展具 有日循环特点。其结构主要包括三部分：
① 混合层 （ML）：混合层(ML)中的湍流通常由对流驱动的， 对流的成因包括温暖地面的热传递，以及云层顶的辐射冷 却。
k
ga
s
风速表示质量和动量通量；温度和风速表示表示热量；
比湿（q）和风速表示水汽通量。
•
设热量通量
~ QH
365W,求•热m量2 运动学通量QH
•
解： QH
Q~H
C P
365 1.211005
0.30K • m / s
4 边界层厚度与结构
（1）混合层 （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）。（？）
• 这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。
① 边界层湍流由来自地面的强迫力产生。例如：晴天时，地面受太阳 辐射加热，使得温暖的热泡上升，这些热泡即大涡旋；
② 边界层（ABL）的厚度相当于最大涡旋的尺度，即直径100-3000米 ；最小的涡旋量级只有几毫米（mm），考虑分子粘性的耗散效应， 所以很弱。
• 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。
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。
湍流：湍流是边界层区别于大气其余部分的特征 之一。在近地面湍流发生的频率相当高；对流云中 有湍流；在急流附近强风剪切造成晴空湍流。大气 湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰 动。
3 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。
• （1） 运动学通量和湍流通量
– 定义：通量是指单位时间内通过单位面积所传输的量。质量、热 量、动量和污染物的通量
通量
质量 热量 湿度
动量 污染物
符号
M~
Q~H
R~
F~
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单位 ？
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kga (ms1 m2s
第九章 大气边界层
本章主要内容
01 边界层定义 02 风和气流 03 湍流输送 04 边界层厚度与结构 05 微气象学 06 边界层意义 07边界条件和表面强迫力 08 海陆风环流
大气边界层
• 地球表面是大气圈一个边界。 在这个边界上输运过程改变 着100米到3000米厚的最低 层大气，形成所谓边界层。
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
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。
边界层定义
• 地面因辐射而增温和冷却，从而通过传输强迫边界层发生变化。湍流是其中 重要运输过程，有时候也用湍流来定义边界层。
边界层厚度与结构
Subsidence（下沉）
（上升）
updrafts
Divergence(辐散) 高压（H）
Convergence（辐合） 低压（L）
低压区边界层 高度如何确定？
边界层厚度与结构
• BL（Boundary Layer）边界层 • CL（Cloud Layer）云层 • FA（Free Atmosphere）自由大气 • IBL（Internal Boundary Layer）内边界层 • ML（Mixed Layer）混合层 • RL（Residual Layer）剩余层 • SBL（Stable Boundary Layer）稳定边界层 • SCL（Subcloud Layer）云下层 • SL（Surface Layer）表面层：占边界层10%的底部区域
)
kg污 m2s
或
kg污 m2s
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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
质量 热量 湿度
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Baidu Nhomakorabea
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kg污 m
• 相应时间尺度约为1小时或者更小。这并不意味着这段时间内边界层达到平衡， 只是表示至少已经开始。
• 边界层中研究中包括晴天积云和层积云2种。晴天积云与边界层中热泡关系密 切；层积云在边界层上部，温度较低使水汽凝结。
• 雷暴能够将边界层空气抽吸入云层或铺设冷的下层空气罩而使边界层在几分 钟内发生变化。
边界层的发展具有明显的日变化特点（高压区、小风、无云条件）
边界层厚度与结构
• 在陆地表面的高压区，边界层具有明确的结构，其发展具 有日循环特点。其结构主要包括三部分：
① 混合层 （ML）：混合层(ML)中的湍流通常由对流驱动的， 对流的成因包括温暖地面的热传递，以及云层顶的辐射冷 却。
k
ga
s
风速表示质量和动量通量；温度和风速表示表示热量；
比湿（q）和风速表示水汽通量。
•
设热量通量
~ QH
365W,求•热m量2 运动学通量QH
•
解： QH
Q~H
C P
365 1.211005
0.30K • m / s
4 边界层厚度与结构
（1）混合层 （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）。（？）
• 这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。
① 边界层湍流由来自地面的强迫力产生。例如：晴天时，地面受太阳 辐射加热，使得温暖的热泡上升，这些热泡即大涡旋；
② 边界层（ABL）的厚度相当于最大涡旋的尺度，即直径100-3000米 ；最小的涡旋量级只有几毫米（mm），考虑分子粘性的耗散效应， 所以很弱。
• 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。
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。
湍流：湍流是边界层区别于大气其余部分的特征 之一。在近地面湍流发生的频率相当高；对流云中 有湍流；在急流附近强风剪切造成晴空湍流。大气 湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰 动。
3 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。