大气边界层概述(1)
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4
一、研究内容
大气边界层研究的主要内容包括： 1.大气边界层中的湍流特征； 2.边界层中各物理量（如动量、热量、水汽等）的
湍流输送；气溶胶、二氧化硫、二氧化碳等的湍 流扩散； 3.大气边界层内风、温度、湿度等气象要素的铅直 分布及随时间的变化规律—相似理论； 4. 近地层湍流大气微结构、湍流统计特征； 5. 大气边界层的数值模拟。
b. Mellor-Yamada-Janjic scheme: Eta operational scheme. Onedimensional prognostic turbulent kinetic energy scheme with local vertical mixing (2).
c. Quasi-Normal Scale Elimination PBL (4). A TKE-prediction option that uses a new theory for stably stratified regions. New in Version 3.1.
1982年，Dyer利用 1976年澳大利亚国际 湍流对比试验ITCE完
善M-O理论
1971年Wyngaard提出了局地自由对流近似，补充 了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。
20世纪70年代，随着大气探测技术（飞机、雷达）
和研究方法（遥感、数值模拟）的发展，大气边
界层的研究从近地面向整个边界层发展
5
二、研究意义
大气边界层是地球—大气之间物质和能量交换的桥梁。 地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层 内。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对 气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。
大气边界层的物理知识，对大尺度天气过程的演变、 长期预报和气候理论等问题的研究，都是很重要的。
面临的主要问题 （1）非均匀和复杂下垫面边界层 （下垫面性质非均匀分布、
地形起伏和山脉的作用、 城市大气边界层) （2）特殊地区边界层特征 （ 干旱荒漠区的大气边界层特 征 、 青藏高原寒区边界层特征 ） （3） 沙尘暴等特殊天气边界层特征 （4）湍流如何在模式中更合理的参数化
22
1.什么是传统机械按键设计？
2
ACM2
0.4
R=0.614
MYJ simulation
MYJ
0.5
R=0.514
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
OBS SO concentration(mg/m3)
2
0.3
ACM2 simulation
0.2
0.1
0.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
40 平流层
30
20
（+）
O3
臭氧 吸收
10
对流层顶
对流层
（-）
0
200
250
300
3
Fra Baidu bibliotek
绝对温度（K）
➢ 定义 定义1. 大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度为地面 以上1km范围，以湍流运动为主要特征。
定义2. 靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层。从地 表向上，其厚度随地面粗糙度和风速的增大或大气不稳定度 的增强而增加，变化的范围在三四百米到一两千米之间。因 该层内空气运动明显受地面摩擦作用的影响，又称摩擦层。 就整个地球大气而言，该层只不过是紧贴地球表面的很薄的 一层大气。一般而言，行星和行星大气之间，都存在因和行 星表面摩擦而引起的这种边界层，故又称行星边界层。 表征现象：观察从烟囱冒出的烟气，其行迹紊乱，烟云边缘 不断向下风向扩展。
从20世纪70年代开始，随着大气探测技术和研究方法的发 展，特别是雷达技术，飞机机载观测，系留气球和小球探 空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现，大气边界 层的研究开始从近地层向整个边界层发展。
21
制约因素： 受到观测系统和探测技术的制约，也受到数学、物理学等 基础支撑学科发展水平的影响，并随着它们的发展而发展。
污染扩散是在大气边界层中进行的。
6
Physics and Dynamics Options_ Planetary Boundary layer (bl_pbl_physics)
a. Yonsei University scheme: Non-local-K scheme with explicit entrainment layer and parabolic K profile in unstable mixed layer (bl_pbl_physics = 1).
10
OBS
SO2 concentraton
气象塔上安装仪器（快速响应的仪器和直接测量边界层 通量的仪器）；在遥感仪器中，声雷达和调频连续波雷 达都是探测边界层的有力工具。
野外实验观测（直接获取资料，基础）
三
两大野外实验和一个数值实验
大
气
实验室物理模拟（可控制、可重复等）
边
界
层
理论研究（纯理论、经验、半经验）
边界层气象学教程
1
研究内容
研究意义
大气边界层
研究方法
研究进展
2
高度(km) 3000
散逸层
大气边界层？
500
atmospheric boundary layer
400 热成层 300 200
100
90
80 70 中间层
（+） （+）
中间层顶 （-）
电离层
高度（km）
60
50
平流层顶
每升高100m， 气温降低0.65℃
Deardorff J W. An explanation of anomaloualy large Reynolds stresses withi the convective planetary boundary layer
Deardorff J W. Three-dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer
(1) 气球基线测风和常规地面气象观测
(2) 无线电探空观测，３小时一次施放探测边界层温度和湿度。
(3) 微气象观测
１）1,2,4,5,16m风廓线
２）1-2m，2-4m温差
３）净辐射连续纪录
４）地面热通量，测量器置于地下0.5cm层土壤里
５）日间，10高处直接测量热通量
成果：研究近地面层，均匀下垫面上的通量梯度关系
14
兰州大学半干旱气候与环境观测 站 ——SACOL站
边界层气象要素
边界层气象要素的测 量包括：1，2，4，8， 12，16，32m的风速、 气温和相对湿度；8m的 风向；地表红外温度； 大气压；降水量。
15
涡动通量观测系统
三维超声速风速温度计 和红外线气体分析仪测 量地表的动量、感热、 潜热和CO2通量。这对 于研究陆面-大气间湍流 通量的输送、理解黄土 高原半干旱区的水循环 和能量交换过程具有重 要作用。
12
2. Minnesota实验
试验条件： Minnesota西北部的Red river的河谷地，平坦且 人烟稀少，地面长有普通庄稼和草地，32m观测塔（1，2， 4，8，16，32） 成果： （1）提供了近地层以上的边界层结构资料； （2）混合层高度确定； （3）u，v，w谱的特征； （4）动量通量和热量通量的直接测量结果与通量的间接估 算结果一致。
图2 三种边界层参数化方案模拟02:00兰州地区平均的地面温度场和风场
9
➢边界层参数化方案对空气质量模拟结果的影响
YSU simulation
0.5 YSU R=0.504
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
OBS SO concentration(mg/m3)
研
究
方
法
数值模拟（促进、指导、支持和补充）
11
澳 大 利 亚 的 Wanggara 实 验 和 美 国 的 Minnesota 实 验 以 及 Deardorff的大涡模拟实验。
1. Wangara PBL试验
实验条件：澳大利亚Hay地区大范围平坦草地、有道路、河流、
农田，110km95km
试验计划的组成：
7
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
8
Time
（b）兰州站（52889）
Time
（a）西固二水厂
111111111111111111.................22222222222222222.2555555666666777777-----------------100111200111200112026048226048226482 111111111111111111111111........................222222222222222222222222555555556666666677777777------------------------000111220001112200011122258147032581470325814703
温度（2, 5, 10, 20 and 50 cm ）
18
四、边界层气象学发展史
1905年 Ekman从地球流体力学度提出了
Ekman螺线 ，并形成了PBL的概念
1961年，B1ackadar引 入混合长假定，用数值 模式成功地得到了中性 时大气边界层具体的风
矢端的螺旋图象。
1954年 Monin—Obukhov相似性理论，建立了 近地层湍流统计量和 平均量之间的联系。
19
1、ABL物理结构的认识
1971 Clark用澳大利亚著名试验资料给出了实测稳定大气 边界层气象要素的典型空间分布特征
1976 Kaimal根据美国Minnesota试验资料给出了ABL气象要 素的垂直分布
2、湍流理论
1915 Taylor首次提出地球大气的湍流现象
1935 Taylor提出湍流各向同性理论-统计理论基础
13
3. Deardorff的大涡模拟实验
用大涡模拟技术研究了大气边界层，并且在对流和中性 两种情况下对Wanggara观测资料进行了实时模拟 。
（1）温度、风速随高度的变化
（2）感热通量、水汽通量随高度变化
（3）边界层高度的日变化
Deardorff J W. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layer
262
260
264
262
266
264
266
268
268
270
270
Temperature(K) Temperature(K)
272
272
274
274
276
276
ACM2
ACM2
278
MYJ
278
MYJ
YSU
280
280
YSU
OBS
OBS
282
282
284
➢边界层参数化方案对近地面温度的影响
温度场：热岛效应；西部盆地辐合形成 的冷中心；MYJ方案“最暖” 风场:南北两山下沉气流形成山风环流； 南山高度较高，下沉气流强于北山。
1941 苏联Kolmogorov量纲分析原理应用于湍流-“2/3律”
3、闭合理论
1932 Prantdtl根据混合长理论提出一阶闭合方案
1951 Rotta 2阶
1975 Yamada等 1.5阶
1978 Andre 3 阶
20
4、相似理论 1954 M-O相似理论-近地层 1961 Kazanskill,Rossby相似,建立了近地层与边界层之间的关系 1970 Deardorff 提出了混合层相似原理 1971 Wyngaard将相似理论推广到对流边界层 1984 Neuwstadt 提出局地相似理论-稳定边界层
d. Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL (5). Predicts sub-grid TKE terms. New in Version 3.1.
e. LES PBL: A large-eddy-simulation (LES) boundary layer is available in Version 3.
16
温度/水汽廓线仪
微波辐射仪连续测量从 地面到高空10km范围的 空气温度和水汽廓线及 分辨率较低的液态水廓 线和云底温度。它由5个 水汽通道（22-30GHz） 和7个温度通道（5159GHz）组成。
17
土壤、植被参数监测系统
土壤热通量（5 cm and 80 cm ）
体积含水量（5, 10, 20, 40 and 80 cm ）
一、研究内容
大气边界层研究的主要内容包括： 1.大气边界层中的湍流特征； 2.边界层中各物理量（如动量、热量、水汽等）的
湍流输送；气溶胶、二氧化硫、二氧化碳等的湍 流扩散； 3.大气边界层内风、温度、湿度等气象要素的铅直 分布及随时间的变化规律—相似理论； 4. 近地层湍流大气微结构、湍流统计特征； 5. 大气边界层的数值模拟。
b. Mellor-Yamada-Janjic scheme: Eta operational scheme. Onedimensional prognostic turbulent kinetic energy scheme with local vertical mixing (2).
c. Quasi-Normal Scale Elimination PBL (4). A TKE-prediction option that uses a new theory for stably stratified regions. New in Version 3.1.
1982年，Dyer利用 1976年澳大利亚国际 湍流对比试验ITCE完
善M-O理论
1971年Wyngaard提出了局地自由对流近似，补充 了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。
20世纪70年代，随着大气探测技术（飞机、雷达）
和研究方法（遥感、数值模拟）的发展，大气边
界层的研究从近地面向整个边界层发展
5
二、研究意义
大气边界层是地球—大气之间物质和能量交换的桥梁。 地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层 内。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对 气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。
大气边界层的物理知识，对大尺度天气过程的演变、 长期预报和气候理论等问题的研究，都是很重要的。
面临的主要问题 （1）非均匀和复杂下垫面边界层 （下垫面性质非均匀分布、
地形起伏和山脉的作用、 城市大气边界层) （2）特殊地区边界层特征 （ 干旱荒漠区的大气边界层特 征 、 青藏高原寒区边界层特征 ） （3） 沙尘暴等特殊天气边界层特征 （4）湍流如何在模式中更合理的参数化
22
1.什么是传统机械按键设计？
2
ACM2
0.4
R=0.614
MYJ simulation
MYJ
0.5
R=0.514
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
OBS SO concentration(mg/m3)
2
0.3
ACM2 simulation
0.2
0.1
0.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
40 平流层
30
20
（+）
O3
臭氧 吸收
10
对流层顶
对流层
（-）
0
200
250
300
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Fra Baidu bibliotek
绝对温度（K）
➢ 定义 定义1. 大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度为地面 以上1km范围，以湍流运动为主要特征。
定义2. 靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层。从地 表向上，其厚度随地面粗糙度和风速的增大或大气不稳定度 的增强而增加，变化的范围在三四百米到一两千米之间。因 该层内空气运动明显受地面摩擦作用的影响，又称摩擦层。 就整个地球大气而言，该层只不过是紧贴地球表面的很薄的 一层大气。一般而言，行星和行星大气之间，都存在因和行 星表面摩擦而引起的这种边界层，故又称行星边界层。 表征现象：观察从烟囱冒出的烟气，其行迹紊乱，烟云边缘 不断向下风向扩展。
从20世纪70年代开始，随着大气探测技术和研究方法的发 展，特别是雷达技术，飞机机载观测，系留气球和小球探 空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现，大气边界 层的研究开始从近地层向整个边界层发展。
21
制约因素： 受到观测系统和探测技术的制约，也受到数学、物理学等 基础支撑学科发展水平的影响，并随着它们的发展而发展。
污染扩散是在大气边界层中进行的。
6
Physics and Dynamics Options_ Planetary Boundary layer (bl_pbl_physics)
a. Yonsei University scheme: Non-local-K scheme with explicit entrainment layer and parabolic K profile in unstable mixed layer (bl_pbl_physics = 1).
10
OBS
SO2 concentraton
气象塔上安装仪器（快速响应的仪器和直接测量边界层 通量的仪器）；在遥感仪器中，声雷达和调频连续波雷 达都是探测边界层的有力工具。
野外实验观测（直接获取资料，基础）
三
两大野外实验和一个数值实验
大
气
实验室物理模拟（可控制、可重复等）
边
界
层
理论研究（纯理论、经验、半经验）
边界层气象学教程
1
研究内容
研究意义
大气边界层
研究方法
研究进展
2
高度(km) 3000
散逸层
大气边界层？
500
atmospheric boundary layer
400 热成层 300 200
100
90
80 70 中间层
（+） （+）
中间层顶 （-）
电离层
高度（km）
60
50
平流层顶
每升高100m， 气温降低0.65℃
Deardorff J W. An explanation of anomaloualy large Reynolds stresses withi the convective planetary boundary layer
Deardorff J W. Three-dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer
(1) 气球基线测风和常规地面气象观测
(2) 无线电探空观测，３小时一次施放探测边界层温度和湿度。
(3) 微气象观测
１）1,2,4,5,16m风廓线
２）1-2m，2-4m温差
３）净辐射连续纪录
４）地面热通量，测量器置于地下0.5cm层土壤里
５）日间，10高处直接测量热通量
成果：研究近地面层，均匀下垫面上的通量梯度关系
14
兰州大学半干旱气候与环境观测 站 ——SACOL站
边界层气象要素
边界层气象要素的测 量包括：1，2，4，8， 12，16，32m的风速、 气温和相对湿度；8m的 风向；地表红外温度； 大气压；降水量。
15
涡动通量观测系统
三维超声速风速温度计 和红外线气体分析仪测 量地表的动量、感热、 潜热和CO2通量。这对 于研究陆面-大气间湍流 通量的输送、理解黄土 高原半干旱区的水循环 和能量交换过程具有重 要作用。
12
2. Minnesota实验
试验条件： Minnesota西北部的Red river的河谷地，平坦且 人烟稀少，地面长有普通庄稼和草地，32m观测塔（1，2， 4，8，16，32） 成果： （1）提供了近地层以上的边界层结构资料； （2）混合层高度确定； （3）u，v，w谱的特征； （4）动量通量和热量通量的直接测量结果与通量的间接估 算结果一致。
图2 三种边界层参数化方案模拟02:00兰州地区平均的地面温度场和风场
9
➢边界层参数化方案对空气质量模拟结果的影响
YSU simulation
0.5 YSU R=0.504
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
OBS SO concentration(mg/m3)
研
究
方
法
数值模拟（促进、指导、支持和补充）
11
澳 大 利 亚 的 Wanggara 实 验 和 美 国 的 Minnesota 实 验 以 及 Deardorff的大涡模拟实验。
1. Wangara PBL试验
实验条件：澳大利亚Hay地区大范围平坦草地、有道路、河流、
农田，110km95km
试验计划的组成：
7
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
8
Time
（b）兰州站（52889）
Time
（a）西固二水厂
111111111111111111.................22222222222222222.2555555666666777777-----------------100111200111200112026048226048226482 111111111111111111111111........................222222222222222222222222555555556666666677777777------------------------000111220001112200011122258147032581470325814703
温度（2, 5, 10, 20 and 50 cm ）
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四、边界层气象学发展史
1905年 Ekman从地球流体力学度提出了
Ekman螺线 ，并形成了PBL的概念
1961年，B1ackadar引 入混合长假定，用数值 模式成功地得到了中性 时大气边界层具体的风
矢端的螺旋图象。
1954年 Monin—Obukhov相似性理论，建立了 近地层湍流统计量和 平均量之间的联系。
19
1、ABL物理结构的认识
1971 Clark用澳大利亚著名试验资料给出了实测稳定大气 边界层气象要素的典型空间分布特征
1976 Kaimal根据美国Minnesota试验资料给出了ABL气象要 素的垂直分布
2、湍流理论
1915 Taylor首次提出地球大气的湍流现象
1935 Taylor提出湍流各向同性理论-统计理论基础
13
3. Deardorff的大涡模拟实验
用大涡模拟技术研究了大气边界层，并且在对流和中性 两种情况下对Wanggara观测资料进行了实时模拟 。
（1）温度、风速随高度的变化
（2）感热通量、水汽通量随高度变化
（3）边界层高度的日变化
Deardorff J W. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layer
262
260
264
262
266
264
266
268
268
270
270
Temperature(K) Temperature(K)
272
272
274
274
276
276
ACM2
ACM2
278
MYJ
278
MYJ
YSU
280
280
YSU
OBS
OBS
282
282
284
➢边界层参数化方案对近地面温度的影响
温度场：热岛效应；西部盆地辐合形成 的冷中心；MYJ方案“最暖” 风场:南北两山下沉气流形成山风环流； 南山高度较高，下沉气流强于北山。
1941 苏联Kolmogorov量纲分析原理应用于湍流-“2/3律”
3、闭合理论
1932 Prantdtl根据混合长理论提出一阶闭合方案
1951 Rotta 2阶
1975 Yamada等 1.5阶
1978 Andre 3 阶
20
4、相似理论 1954 M-O相似理论-近地层 1961 Kazanskill,Rossby相似,建立了近地层与边界层之间的关系 1970 Deardorff 提出了混合层相似原理 1971 Wyngaard将相似理论推广到对流边界层 1984 Neuwstadt 提出局地相似理论-稳定边界层
d. Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL (5). Predicts sub-grid TKE terms. New in Version 3.1.
e. LES PBL: A large-eddy-simulation (LES) boundary layer is available in Version 3.
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温度/水汽廓线仪
微波辐射仪连续测量从 地面到高空10km范围的 空气温度和水汽廓线及 分辨率较低的液态水廓 线和云底温度。它由5个 水汽通道（22-30GHz） 和7个温度通道（5159GHz）组成。
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土壤、植被参数监测系统
土壤热通量（5 cm and 80 cm ）
体积含水量（5, 10, 20, 40 and 80 cm ）