大气边界层概述
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过去人们对夜间逆温层已进行了大量的实验观测，基 本特征是：在晴朗的夜间和均匀平坦的地面上，边界层逆 温从日落后开始发展，随着时间的推移，逆温层厚度从零 开始不断增长 ，但这种增长在后半夜逐渐开始减弱，直
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。
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。