第9章 大气边界层
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夜间风复杂。接近地面处，风速变得很小甚至静止；离地200米量级的高度上夜间急流可达 10-30米每秒，再往上减小到地转值。 波动在SBL中经常发生。 稳定边界层SBL也能在白天发生，条件是下垫面比空气冷就行。
5 微气象学（边界层气象学）
• 与气象学中有关运动的其他尺度相比，湍流（空间尺度 小于3公里， 时间尺度大约小于1小时）的尺度最小---微尺度。微气象学便研究这 样小尺度现象。
和扰动部分；例如温度，平均部分表示平均温度影响，而扰动部分可以代表波的影响或叠
加在平均风速之上的湍流作用。 3、湍流。湍流是叠加在平均风速上阵性流现象，是由不规则旋转运动涡旋组成。这些
不同尺度涡旋相对强度就是湍流谱。
4、边界层基本组成结构。在陆地表面高压区，边界层发展
有日循环特点，由混合层、剩余层和稳定边界层3部分组成； 当混合层有云时，再细分为云层和云下层。 混合层中湍流发展旺盛，主要依赖于地面的太阳加热，从太 阳升起后半小时直到傍晚；在日落前半小时，混合层中湍流衰
（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）。（？）
• （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 符号 单位
质量 热量 湿度 动量 污染物
~ M
~ QH
~ R
~ F
~
kg a m2 s J 2 m s kg w m2 s kg a (ms 1 ) 2 ms kg污 或 kg污 m m2 s s m2 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。
~ Q W m 2,求热量运动学通量QH • 设热量通量 H 365 ~ • 解： QH QH C P
365 1.21 1005 0.30K m / s
4 边界层厚度与结构
（1）混合层
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
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。
-QG
evaporation
+QG
condensation
陆地ห้องสมุดไป่ตู้天和夜间的能量平衡
8 海陆风环流
在沿海地带，白天风从海上吹向陆地，称 为海风；夜间，风从陆地吹向海洋，称为陆 风。 在大水体，例如湖泊，也可以发生这样现象， 称之为湖陆风。 无论是海风环流还是陆风环流，空气都是 白天
由较暖一侧上升，在较冷一侧下沉，形成一
钟内发生变化。
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
平均风 波 湍流
• 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；
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
风
垂直输运 厚度
表面层中近似为对数风速廓线，通常 为次地转的，并与等压线相交
湍流占优势 变化于100米到3公里之间，陆上有日 变化
几乎是地转的
平均风和积云尺度占优势 变化小，在8-18公里之间， 时间变化慢
进一步体会边界层重要性：
每天预报实际上是边界层预报； 污染物积聚在边界层中； 雾发生在边界层中； 气团实际上是地球不同部分大气边界层；
边界层厚度与结构
Subsidence（下沉） updrafts Divergence(辐散) 高压（H） （上升）
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
减，这样的气层叫做剩余层；在夜间剩余层底部通过与地面接
触而变成稳定边界层，通过底部不断变性稳定边界层而逐渐加 厚，在稳定边界层中带有弱而散在的湍流。
谢谢观赏
T Q H =- 0 Z
ν₀是分子热扩散系数（对于空气，量级为2*10⁻⁵m²/S）P178
（2） 表面热平衡
下垫面能量平衡分配（向上为正）： －Q*S = QH + QE
净辐射 显热
- QG ＋ △QS
冠层内储存热量
潜热 分子热通量
－Q*S
白天
QH
QE
夜间
－ QS -QH -QE
Thin boundary
（1）混合层（ML）
• 混合层主要生成机制是对流，所以在晴天，ML的 发展依 赖于地面的太阳加热。（？） • 混合层顶部的稳定层作用？---顶盖，限制对流---卷挟带 • 整个混合层的风都是次地转风，风速分布？（风速向下递 减，在近地面处趋近于零） • 水汽混合比随高度增加而减小，为什么？ • 大部分污染物是靠近地球表面
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。 • 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。 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。
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。 • 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。 ③ 边界层通过湍流作用来响应地面强迫力的变化；
2000 云层 夹卷层 自由大气（FA） 盖顶逆温
(m) 高度
1000 混合层(ML)
剩余层（RL）
夹 卷 层混合层
0
表面层（SL）
(ML) 稳定（夜间）边界层 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。
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。 ② 剩余层 （RL）：在日落前半小时，热泡不再形成，在早先 充分混合层中的湍流衰减，这样的气层即剩余层(RL)。 ③ 稳定边界层 （SBL）：随着夜晚的来临，剩余边界层（RL） 的底部通过与地面接触而转变为稳定边界层。
农作物生长在边界层中；
云核被边界层过程从表面混入大气 雷暴和台风发展与潮湿边界层空气有关； 大气动能大约50%耗散在边界层中； 暖锋和冷锋将不同温度边界层分开；
7 边界条件和表面强迫力
• （1） 有效表面湍流通量
– 有效湍流通量等于分子通量和湍流通量之和； – 在表面上，湍流通量为0，故有效表面湍流通量的量值等于分子通 量； – 在最低几厘米以上，分子湍流通量忽略不记，主要考虑湍流通量； 分子过程在其中占优势的空气薄层称为微层。
？
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 符号 ~ M M 单位
质量 热量 湿度 动量 污染物
a ~ QH QH a C pa
R ~ R
F
a ~ F
~ a
a
m s m K s kg w m kg a s m m s s kg 污 m kg a s
3、在夜间，夜间稳定层（SBL）通过 剩余层（RL）变性而逐渐加厚
（3）稳定边界层（SBL、NBL）
稳定边界层：
特征：静力稳定的空气中带有弱而散在的湍流；
与白天的混合层（ML）具有清晰顶部不同，SBL的顶大多不明显；
SBL中的污染物在垂直方向扩散极小，而在水平方向上则快的多，即称为扇形扩散；
个直接热力环流，这种环流也称为正环流。
本章小结
1、大气边界层。大气边界层指的是从地面往上到1000-2000米高度的这一大气层。
2、大气边界层基本理论和研究方法。气流或者风可分为3大类：平均风、湍流和波。每
一种都可存在于边界层中，水汽、热量、动量等输送在水平方向上主要是靠风来实现的， 在垂直方向主要是湍流。无论是研究湍流还是研究波，共同方法是将变量分解成平均部分
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。
• 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
（2）剩余层（RL）
1、剩余层（RL）：它的初始平均状态 变量和浓度变量与当前湍流衰减着的混 合层中的一样。时间尺度：日落前半小 时到日出后不久; 2、剩余层（RL）：是中性层结，即其 中的湍流在所有方向强度相等。结果， 排入RL中的烟羽以相等的速率在垂直 方向和水平方向弥散，形成锥形羽，见 图8.7（P174）
• 如果要确定的描述和预报每一个单独的涡旋实际上是不可 能的。微气象学家发展了三种基本的方法：P175
– 随机方法 – 相似理论 – 现象学分类法
微气象学
6 边界层的意义
特征 湍流 摩擦 弥散 边界层 几乎整个厚度上都不断发生 地球表面很强的阻力，大量能量耗散 垂直和水平方向迅速的湍流混合 自由大气 在对流云中，以及在广而薄 的气层中有散在的CAT 小的粘性耗散 小的分子扩散，常有迅速的 水平方向的平均风输运
5 微气象学（边界层气象学）
• 与气象学中有关运动的其他尺度相比，湍流（空间尺度 小于3公里， 时间尺度大约小于1小时）的尺度最小---微尺度。微气象学便研究这 样小尺度现象。
和扰动部分；例如温度，平均部分表示平均温度影响，而扰动部分可以代表波的影响或叠
加在平均风速之上的湍流作用。 3、湍流。湍流是叠加在平均风速上阵性流现象，是由不规则旋转运动涡旋组成。这些
不同尺度涡旋相对强度就是湍流谱。
4、边界层基本组成结构。在陆地表面高压区，边界层发展
有日循环特点，由混合层、剩余层和稳定边界层3部分组成； 当混合层有云时，再细分为云层和云下层。 混合层中湍流发展旺盛，主要依赖于地面的太阳加热，从太 阳升起后半小时直到傍晚；在日落前半小时，混合层中湍流衰
（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）。（？）
• （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 符号 单位
质量 热量 湿度 动量 污染物
~ M
~ QH
~ R
~ F
~
kg a m2 s J 2 m s kg w m2 s kg a (ms 1 ) 2 ms kg污 或 kg污 m m2 s s m2 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。
~ Q W m 2,求热量运动学通量QH • 设热量通量 H 365 ~ • 解： QH QH C P
365 1.21 1005 0.30K m / s
4 边界层厚度与结构
（1）混合层
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
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。
-QG
evaporation
+QG
condensation
陆地ห้องสมุดไป่ตู้天和夜间的能量平衡
8 海陆风环流
在沿海地带，白天风从海上吹向陆地，称 为海风；夜间，风从陆地吹向海洋，称为陆 风。 在大水体，例如湖泊，也可以发生这样现象， 称之为湖陆风。 无论是海风环流还是陆风环流，空气都是 白天
由较暖一侧上升，在较冷一侧下沉，形成一
钟内发生变化。
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
平均风 波 湍流
• 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；
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
风
垂直输运 厚度
表面层中近似为对数风速廓线，通常 为次地转的，并与等压线相交
湍流占优势 变化于100米到3公里之间，陆上有日 变化
几乎是地转的
平均风和积云尺度占优势 变化小，在8-18公里之间， 时间变化慢
进一步体会边界层重要性：
每天预报实际上是边界层预报； 污染物积聚在边界层中； 雾发生在边界层中； 气团实际上是地球不同部分大气边界层；
边界层厚度与结构
Subsidence（下沉） updrafts Divergence(辐散) 高压（H） （上升）
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
减，这样的气层叫做剩余层；在夜间剩余层底部通过与地面接
触而变成稳定边界层，通过底部不断变性稳定边界层而逐渐加 厚，在稳定边界层中带有弱而散在的湍流。
谢谢观赏
T Q H =- 0 Z
ν₀是分子热扩散系数（对于空气，量级为2*10⁻⁵m²/S）P178
（2） 表面热平衡
下垫面能量平衡分配（向上为正）： －Q*S = QH + QE
净辐射 显热
- QG ＋ △QS
冠层内储存热量
潜热 分子热通量
－Q*S
白天
QH
QE
夜间
－ QS -QH -QE
Thin boundary
（1）混合层（ML）
• 混合层主要生成机制是对流，所以在晴天，ML的 发展依 赖于地面的太阳加热。（？） • 混合层顶部的稳定层作用？---顶盖，限制对流---卷挟带 • 整个混合层的风都是次地转风，风速分布？（风速向下递 减，在近地面处趋近于零） • 水汽混合比随高度增加而减小，为什么？ • 大部分污染物是靠近地球表面
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。 • 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。 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。
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。 • 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。 ③ 边界层通过湍流作用来响应地面强迫力的变化；
2000 云层 夹卷层 自由大气（FA） 盖顶逆温
(m) 高度
1000 混合层(ML)
剩余层（RL）
夹 卷 层混合层
0
表面层（SL）
(ML) 稳定（夜间）边界层 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。
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。 ② 剩余层 （RL）：在日落前半小时，热泡不再形成，在早先 充分混合层中的湍流衰减，这样的气层即剩余层(RL)。 ③ 稳定边界层 （SBL）：随着夜晚的来临，剩余边界层（RL） 的底部通过与地面接触而转变为稳定边界层。
农作物生长在边界层中；
云核被边界层过程从表面混入大气 雷暴和台风发展与潮湿边界层空气有关； 大气动能大约50%耗散在边界层中； 暖锋和冷锋将不同温度边界层分开；
7 边界条件和表面强迫力
• （1） 有效表面湍流通量
– 有效湍流通量等于分子通量和湍流通量之和； – 在表面上，湍流通量为0，故有效表面湍流通量的量值等于分子通 量； – 在最低几厘米以上，分子湍流通量忽略不记，主要考虑湍流通量； 分子过程在其中占优势的空气薄层称为微层。
？
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 符号 ~ M M 单位
质量 热量 湿度 动量 污染物
a ~ QH QH a C pa
R ~ R
F
a ~ F
~ a
a
m s m K s kg w m kg a s m m s s kg 污 m kg a s
3、在夜间，夜间稳定层（SBL）通过 剩余层（RL）变性而逐渐加厚
（3）稳定边界层（SBL、NBL）
稳定边界层：
特征：静力稳定的空气中带有弱而散在的湍流；
与白天的混合层（ML）具有清晰顶部不同，SBL的顶大多不明显；
SBL中的污染物在垂直方向扩散极小，而在水平方向上则快的多，即称为扇形扩散；
个直接热力环流，这种环流也称为正环流。
本章小结
1、大气边界层。大气边界层指的是从地面往上到1000-2000米高度的这一大气层。
2、大气边界层基本理论和研究方法。气流或者风可分为3大类：平均风、湍流和波。每
一种都可存在于边界层中，水汽、热量、动量等输送在水平方向上主要是靠风来实现的， 在垂直方向主要是湍流。无论是研究湍流还是研究波，共同方法是将变量分解成平均部分
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。
• 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
（2）剩余层（RL）
1、剩余层（RL）：它的初始平均状态 变量和浓度变量与当前湍流衰减着的混 合层中的一样。时间尺度：日落前半小 时到日出后不久; 2、剩余层（RL）：是中性层结，即其 中的湍流在所有方向强度相等。结果， 排入RL中的烟羽以相等的速率在垂直 方向和水平方向弥散，形成锥形羽，见 图8.7（P174）
• 如果要确定的描述和预报每一个单独的涡旋实际上是不可 能的。微气象学家发展了三种基本的方法：P175
– 随机方法 – 相似理论 – 现象学分类法
微气象学
6 边界层的意义
特征 湍流 摩擦 弥散 边界层 几乎整个厚度上都不断发生 地球表面很强的阻力，大量能量耗散 垂直和水平方向迅速的湍流混合 自由大气 在对流云中，以及在广而薄 的气层中有散在的CAT 小的粘性耗散 小的分子扩散，常有迅速的 水平方向的平均风输运