大气边界层概述
台风形成的大气边界层过程
台风形成的大气边界层过程引言台风是一种强烈的热带气旋，对于许多沿海地区来说都是一种常见的自然灾害。
了解台风形成的过程对于预测和防范台风具有重要意义。
台风形成的过程包括大气边界层的一系列复杂变化。
本文将探讨台风形成过程中大气边界层的关键环节。
大气边界层的概述大气边界层是指地球表面与自由大气之间的区域，它对于气候模式和天气系统的形成至关重要。
大气边界层的特征包括温度、湿度、气压和风速的变化。
在台风形成过程中，大气边界层的变化起着重要作用。
大气边界层的结构大气边界层通常可以分为三个层次：地面层、混合层和准静止层。
1.地面层：指离地表约1.5公里以下的区域，受到地表影响最为显著。
地面层的温度和湿度变化较大。
2.混合层：位于地面层之上，高度约为1.5公里至4公里。
混合层内的气体混合程度较高，温度和湿度的变化相对较小。
3.准静止层：位于混合层之上，高度约为4公里至15公里。
准静止层内的气体流动较为缓慢，温度和湿度的变化相对较小。
台风形成的过程台风形成的过程需要满足一系列气象条件和动力过程。
1. 气象条件台风形成的气象条件包括足够高的海水温度、弱的垂直风切变和足够的湿度。
这些条件有助于产生热带扰动，为台风的形成提供了基础。
2. 热带扰动热带扰动是台风形成的前兆。
当气象条件合适时，海洋表面上的热量会导致空气的上升，形成一个低压区域。
这个低压区域会吸引周围空气进一步上升，并逐渐形成一个热带扰动。
3. 热带扰动的增强热带扰动在与海洋表面的相互作用中逐渐增强。
海水蒸发导致热量释放到大气中，进一步加强了热带扰动。
此时，热带扰动会逐渐形成一个闭合的环流，也称为热带低压。
4. 台风的形成当热带低压进一步发展并且达到一定标准时，它会被升级为台风。
台风的形成与大气边界层的变化密切相关。
大气边界层的水汽能量提供了台风形成所需的燃料。
4.1 气流的对称性台风形成过程中，大气边界层内的气流逐渐变得对称。
气流的旋转围绕着台风的中心，并且逐渐向上升高。
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。
边界层的概念和特点
边界层的概念和特点边界层是指在地球物理学中，大气界面和地面之间的一层气体。
在气象学上，边界层是指从地面到一定高度范围内，风速、温度、湿度等各种大气参数发生显著变化的区域。
边界层的高度通常为未来数小时预报所需要的范围内。
1. 逐渐递减的风速：在边界层内，风速逐渐递减。
开始时，风速最大并且逐渐降低。
具体的风速变化取决于地面和大气层的性质和情况。
2. 温度和湿度梯度：边界层内的温度和湿度呈现出明显的梯度变化。
一般来说，地面处温度最高，高层温度逐渐降低。
除此之外，空气湿度在边界层内也会发生变化。
具体变化也是因地而异的。
3. 乱流增大：边界层内的乱流比较显著。
在这里空气流动不是平稳的，而是发生着强烈的乱流。
气体不能在水平方向上自由扩散，而是在各种水平方向逐渐混合。
4. 光学特性不同：由于边界层内存在着大量悬浮的尘埃和气体，它具有不同于上层大气的光学特性。
这使得大气边界层对光的透过率发生了变化。
边界层在气象、环境科学、气候变化等领域具有重要意义。
较为典型的是它与交通工具有关的影响。
由于边界层内的风速变化大，乱流强，而车辆在受到这种影响的同时会发生摩擦热，从而可以推测车辆的燃油效率、稳定性和舒适性。
在电力行业，边界层的变化也会影响线路的温度和表面附着物的变化，从而影响电力传输的效率和稳定性。
同样，边界层的湿度和风速也会对农业和林业造成影响。
总之，边界层是一个非常重要和复杂的概念。
对于气象学家、大气化学家、环境工程师、天气预报员、交通工程专家等专业人士来说，了解边界层的基本原理、特点和影响就显得尤为重要。
大气边界层与空气质量的关系
大气边界层与空气质量的关系在我们的日常生活中，空气质量的好坏直接影响着我们的健康和生活品质。
而大气边界层是影响空气质量的重要因素之一。
本文将探讨大气边界层与空气质量之间的关系。
一、什么是大气边界层大气边界层是指大气中从地面到大约10-15公里高度的一层空间。
这一层空间呈现出明显不同于上层大气的特征，具有许多重要的气象和大气化学过程。
大气边界层的高度和特性可以受到地理环境、气象条件以及人类活动的影响。
二、大气边界层对空气质量的影响大气边界层对空气质量有着直接和间接的影响。
首先，大气边界层充当了一个地球表面与上层大气之间的过渡层，上层大气中的污染物很难通过大气边界层的高度阻挡到地面，从而保护了地面的空气质量。
其次，大气边界层限制了污染物的扩散，使其在较小的范围内传播，降低了对地面空气质量的影响。
另外，大气边界层还能缓解地面温度的变化，形成微风，并将有害气体向上输送和稀释。
三、大气边界层的变化和空气质量大气边界层的高度和特性具有一定的变化性，这也对空气质量产生了影响。
当大气边界层较低时，污染物容易积聚在地面附近，导致空气质量恶化。
在这种情况下，由于污染物很难通过大气边界层扩散到上层大气中，地面的空气质量受到了较大的影响。
相反，当大气边界层较高时，污染物更容易被稀释和传播，地面空气质量相对较好。
四、人类活动对大气边界层的影响除了自然因素外，人类活动也对大气边界层和空气质量产生了重要的影响。
例如，大规模的城市化过程引起了大气边界层的变化，城市中高楼大厦和交通运输等人为活动导致了污染物的排放增加，进一步恶化了空气质量。
此外，大气边界层是一个重要的大气化学反应区域，人类活动中的气体和颗粒物排放也会参与到大气化学反应中，进而影响空气质量。
综上所述，大气边界层与空气质量之间存在着密切的关系。
大气边界层中的物理过程和化学反应直接影响着上层大气中污染物的输送和稀释，从而影响地面的空气质量。
而大气边界层的高度和特性又受到自然因素和人类活动的影响，对空气质量产生了重要影响。
大气层中的边界层与城市气候效应
大气层中的边界层与城市气候效应大气是地球上最外层的气体环境，也是维持生命存在的重要条件之一。
大气层分为几个不同的层次，其中最接近地球表面的一层称为边界层。
边界层是大气与地球表面的相互作用区域，对于城市气候效应产生着重要影响。
本文将探讨大气层中的边界层与城市气候效应之间的关系。
一、大气边界层的定义与特征大气边界层是大气与地面之间的交界层，其厚度通常为1000米到3000米之间。
边界层内的气流运动受到地面摩擦力的影响，表现出较为复杂的现象。
边界层内的风速逐渐减小，温度逐渐上升，湿度逐渐下降。
此外，边界层还存在着较为强烈的湍流运动，这种湍流运动具有扩散、混合以及垂直上升和下沉的特点。
二、城市气候效应对边界层的影响城市作为人类活动集聚的地方，其特殊的建筑、道路和人造物体对边界层的运动产生了直接影响。
城市气候效应指的是城市与其周围地区相比，气象要素发生的差异和变化。
下面将分别以温度、风速和湿度等因素来探讨城市气候效应对边界层的影响。
1. 温度影响城市地表由于建筑、道路、水泥等人为结构的影响，使得城市表面的辐射热吸收和释放增加。
因此，城市边界层内的温度比周围地区要高。
高楼大厦和狭窄的街道使得日间的辐射热被束缚在城市内部，形成了热岛效应。
夏季热岛效应尤为显著，使得城市内部比边界层外的地区温度高出数度。
2. 风速影响城市中的高层建筑和大量的人造结构会阻挡风流，使得城市边界层内的风速较边界层外低。
高层建筑产生了阻风效应，导致城市中的空气湍流减弱，风速减小。
这种风速差异导致城市边界层内的污染物扩散速度减慢，容易造成空气污染。
3. 湿度影响城市中广泛使用的人工制造物体如水泥、沥青等不具备自然的水汽蒸发能力，使得城市边界层内的湿度明显低于边界层外的地区。
城市内的水分蒸发能力降低，导致湿度相对较低。
另外，城市中大规模的混凝土建筑会使得蒸发率减小，降水量减少。
三、城市规划与边界层调控针对城市气候效应对边界层的影响，城市规划和设计应该充分考虑边界层特性以及环境保护的原则，实施合理的调控措施。
第9章 大气边界层概述
？
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
（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
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。
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。
大气边界层中的湍流能量传递机制
大气边界层中的湍流能量传递机制大气边界层是地球大气圈中最底部的一层，它与地表直接接触，并且包含了地表至大气上层的过渡区域。
在这个区域内，湍流成为了重要的能量传递机制。
本文将探讨大气边界层中湍流能量传递的机制。
一、大气边界层概述大气边界层是地球上大气圈中最接近地表的一部分，通常高度在数十至数百米。
它的特点是湍流较为活跃，并且存在着明显的热量、动量和湍流能量传递过程。
二、湍流的定义与性质湍流是指流体在不稳定条件下，流速和压力波动产生的不规则运动状态。
湍流具有三个基本性质：不可预测性、不可逆性和能量耗散。
三、湍流能量传递的机制湍流能量传递是指由大气中的湍流运动将能量从一个空间尺度转移到另一个更小或更大的空间尺度。
湍流能量传递的机制主要有两种：级联机制和辐散机制。
1. 级联机制：级联机制是湍流能量从一个空间尺度传递到另一个空间尺度的过程。
在大气边界层中，湍流动量从大尺度下传递到小尺度，并最终以热能形式被耗散。
这个过程中，湍流涡旋会相互作用、合并或分裂，从而实现能量的传递。
2. 辐散机制：辐散机制是湍流能量从小尺度释放到大尺度的过程。
在大气边界层中，湍流会在小尺度上产生湍动能量，并通过湍流辐散将这部分能量传递到大尺度上。
这个过程中，湍流涡旋会扩散或连接，实现能量的传递。
四、湍流能量传递的影响因素湍流能量传递的机制受到多种因素的影响，包括地表粗糙度、大气稳定度、风速等。
1. 地表粗糙度：地表的粗糙度会影响湍流能量传递机制。
较粗糙的地表会增加湍流的能量损耗，使得能量传递到小尺度时更快地耗散。
2. 大气稳定度：大气的稳定度对湍流能量传递有重要影响。
在稳定的大气条件下，湍流能量易于耗散，能量传递的效率较低。
3. 风速：风速是湍流能量传递的重要参数。
较高的风速会增加湍流的活动性，促进能量的传递。
五、湍流能量传递的应用与意义湍流能量传递机制的研究对于气象学、空气污染控制、风能利用等领域具有重要意义。
对湍流能量传递机制的深入理解可以帮助我们更好地预测气象现象，改善空气质量，开发可再生能源。
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夜间边界层温度垂直分布的演变
2001年1月27日-28日逆温生消的演变过程
300
250
高 200 度 150
1999/10/5 08:00，北京 露点和大气温度垂直分布
不稳定
稳定（逆温）
不稳定边界层风、温廓线
稳定边界层风、温廓线
夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不 同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温， 严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演 变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是
生态边界层示意图
一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一 个很困难的问题。有时，上界很明显，例如逆温盖，在盖 子以下大气受下垫面影响很大，而在盖子以上则未受影响。 但在通常情况下这种明显的界限是不存在的，下垫面的作 用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地，类似于流体动力 学中边界层厚度的定义，定义大气边界层的上界为在这个 界面上 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减 小到地面值的很小一部分，例如1%。但有时 也以逆温层顶 作为大气边界层上界。
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。
28日03时
27日18时 28日10时
100
50
0-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
温 度（℃）
（北京325米气象塔测量）
逆温消失的时
段，污染物易 逆温于层扩的散存。在使污染物 日出前 难以扩散，白形天成堆积。
450 400 350 300 250 •200 150 •100 50
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）
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Βιβλιοθήκη 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
总之，大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓 冲地带，是由湍流能源 和能汇控制的区域。边界层一方 面要对大尺度气压场(天气形势)作出响应，另一方面又要 对下垫面的物理状况作出响应。因此，发生在边界层内的 运动是非常复杂的。目前，人们已经对大气边界层的基本 特征有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精确更 全面的实验研究和更深入的理论探讨。
大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致 的强烈的日变化。具体地说，白天和夜间的大气边界层结构 有显著的不同。白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界 层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳定层 结状态，这时的边界层称为对流边界层，其厚度可达几百米 甚至几千米；而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通 量是向下的， 空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为 稳定边界层或夜间边界层，厚度较低，只有二三百米左右。 下图是对流边界层和夜间边界层内的实测风速、温度分布， 可见其结构是很不一样的。
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
汽艇
湿度脉动仪 可移动小塔
超声风速仪
LAPC自行研制的超声风速仪
第一代 FA-11型
第二代 UAT-1型
红外水汽脉动仪
可全天候长期稳 定的测量 :
湍流通量仪 (FLUXMETER,REMTECH公司)
等高阶湍流统计量
水槽试验
高度
最大风速：33.8m/s
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
6～7成冰 浮冰海域
多年冰 大浮冰
北极地区的边界层结构
3～4成冰 浮冰海域
当年冰 大浮冰
中性边 界层
卫星遥感观测结果
2000年7月30日5时36分北京城近郊区热岛状况遥感监测图
大气边界层结构可归纳在下面的模型图中
高度(m)
2000
云层
自由大气
卷挟
盖顶逆温
带
残余
1000 大涡对流
混合层
层 稳定(夜间)边界
层
卷 挟 带
混合
0 中午
表面
层 日落
表面
层
午夜
日出
层 表面 层
中午
图 8.2.1 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。
海上大气边界层梯度观测
中国科学院北京325米气象塔
风洞
遥感仪器及技术指标
风温廓线仪 （LAP-3000） 美国Radian公司
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
遥感仪器技术指标
相控阵声雷达 （PA2）
法国Remtech公司
最高探测高度 1000m
最低探测高度 60m
垂直空间分辨率 20～200m
测量范围
水平风分量：
0～30m/s
垂直风分量：
±15m/s
精度
水平风：0.2m/s 垂直风：<5cm/s
•0
•0
•5 •10 •15 •20 •25 •30 •35
0 5 10 15 20 25 30
日落后
450 400 350 300 250 •200 150 •100 50
•0
城市边界层示意图
滞留的空气、大量的粉尘以及在建筑物密集地区 上空的气流，导致在整个城市上空形成粉尘、烟雾的 穹顶和热岛。