第一章-大气边界层与边界层气象学研究
动力气象学 (8.1)--大气边界层
• 边界条件：
上边界，在离开地面足够高的地方（边界层顶）湍流粘性 力足够小，那里的风变为地转风
当z 时，u ug , v vg
下边界，当z=0时，u=0,v=0
• 为了数学处理方便，还可以进一步简化，取x轴与等压线 平行，有 vg=0
• 引进复数算法求解方程
令 u iv，D (u ug ) i(v vg ) ua iva
（2）风向有规则地随高度右旋；
（3）受地面热力作用影响大，低层大气温度分布呈现出很 大的垂直梯度；
重要性：
（1）人类活动区 （2）43%入射太阳能在此被吸收、而后返回大气 （3）几乎所有水汽在此被接受，并通过水汽提供大气
内能的50% （4）由于摩擦力的存在，几乎消耗整个大气动能的一
半左右 行星边界层既是整个大气的主要能量源，也是大气的动 量汇，它在地球表面和自由大气之间的热量、水汽和动量的 交换中起着重要作用，对天气系统的发展演变有很大影响。
§1.1 常值通量层中的风速垂直分布（对数律和综合幂次律）
• 中性大气中的对数律：
自由大气
u u * ,
z z
边界条件 z z0时，u 0
推出 u u * ln z
z0
Ekman层 (100m-1km)
边 界
层
近地层(2-100m)
贴地层(0-2m)
• 层结大气中的综合幂次律
一、Ekman抽吸
利用不可压连续方程：
u v w 0 w (u v )
x y z
z x y
hT w
hT u v
0
z
dz
0
(
x
大气边界层气象学研究综述
文章编号:1006-7639(2003)-03-0074-05大气边界层气象学研究综述张 强(中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃兰州 730020)摘 要:文中回顾了大气边界层气象学的发展历史,总结了目前大气边界层气象学的主要进展,并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题,以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议,同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。
关键词:大气边界气象学;研究进展;主要问题;发展方向中图分类号:P404 文献标识码:A引 言什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。
具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。
大气边界层厚度,一般白天约为1.0km ,夜间大约在0.2km 左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。
大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。
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。
1 大气边界层气象学发展历史大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科,大气边界层气象学的发展,不仅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。
大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,研究大气和它下垫面(陆面和洋面)相互作用以及地球—大气之间物质和能量交换的一门新型气象学科分支。
什么是湍流?英文湍流为“turbulence ”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。
从1915年由Taylor [1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley [2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。
第一章 大气边界层与边界层气象学研究
T ：实测的温度
e、P ：当时的水汽压、大气压
Tv > T
密度：水蒸汽 < 干空气 浮力：未饱和湿空气 > 干空气
绝对温度T
<
虚温Tv
3. 虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有云 的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中悬 浮的云滴会引起虚位温的降低。对于饱和空气而言 （存在云的情况下），定义虚位温θv为：
森林-10月14日 Qe<Qh
6:00 12:00 18:00 0:00
Qs：太阳辐射 Qh：显热通量 Qe：潜热通量 Qg：土壤热通量
3 低层大气温度
气温垂直分布三种情形： ① 气温随高度递减 ② 气温随高度基本不变 ③ 气温随高度逆增
温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、 风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。
Ro U fL
惯性力 f ：柯氏参数 （地转偏向力）
柯氏力
Ro大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响 可不计。Ro趋向无穷大Ro自行满足
Ro≤1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略
1.5 相似性参数
3. 弗罗德数（Fr）相似性
Fr U
2
惯性力 g ：重力加速度
gL
重力
Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或<<1），重力影响大，不可忽略
u
u
) 0.5
1.5 相似性参数
• 物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得 到正确结果而且与实际大气系统可比较， 则需要满足相似性条件 • 几何相似 • 运动学相似 • 动力学相似 • 热力学相似 • 边界条件相似
第1章 大气边界层
z
=
z0
时仍满足对数分布规律：
∂V ∂z
z = z0
=
V* kz0
又∵
∂V ∂z
β = z = z0
V* z01−ε
∴ β = kz0ε
l
=
kz
⎛ ⎜ ⎝
z z0
⎞−ε ⎟ ⎠
（1.13） （1.14）
6
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
(u
+
iv)
=
−if
ug + ivg
（1.22）
为求解方便，取
x
轴平行等压线，则
∂p ∂x
=
0, vg
=
0 （即此时地转风只有东西向分量），有
kz
∂2V * ∂z 2
−
ifV
*
=
−ifug
（1.23）
或
kz
d 2V * dz 2
− ifV *
=
−ifug
（1.23）’
方程的性质：一元二次非齐次常微分方程
) >> ∂ (
) ∂(
,
)。
∂z
∂x ∂y
5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。
4 Ekman 层的主要特点
2
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。
大气边界层特征及其对气象现象的影响
大气边界层特征及其对气象现象的影响当我们仰望天空，感受着风的吹拂，体验着气温的变化，观察着云朵的飘动，这些看似平常的气象现象背后，都有着大气边界层的“身影”。
大气边界层，这个在气象学中占据重要地位的概念，它的特征以及对气象现象的影响，值得我们深入探究。
大气边界层，简单来说，就是靠近地球表面、受到下垫面强烈影响的大气层。
它的厚度从几百米到一两千米不等，就像是地球的“外衣”，与我们的日常生活息息相关。
大气边界层的一个显著特征就是风的变化。
在这一层中，风的速度和方向都会受到地表粗糙度、地形等因素的影响。
比如在城市中，高楼大厦林立，地表粗糙度大，风在流经时会受到阻碍，风速会减小，风向也可能发生改变。
而在开阔的平原地区，地表粗糙度小，风能够较为顺畅地流动，风速相对较大。
这种风的变化对于污染物的扩散、风能的利用等都有着重要的影响。
如果风在城市中流动不畅，污染物就容易积聚，导致空气质量下降；而在风能丰富的地区，准确把握风的特征则有助于高效地开发和利用风能。
大气边界层中的温度分布也是其重要特征之一。
在白天，太阳辐射强烈，地表受热升温快，靠近地面的空气温度较高，形成温度随高度升高而降低的“递减层结”。
这时候，大气处于不稳定状态，容易产生对流，将热量向上传递，形成对流云甚至雷雨等天气现象。
而在夜间，地表散热快，温度下降，形成温度随高度升高而升高的“逆温层结”。
逆温层就像一个盖子，阻止了上下层空气的交换，使得污染物难以扩散，容易造成雾霾等恶劣天气。
大气边界层中的水汽含量也是变化多端的。
靠近地表的水汽含量通常较高，这是因为地表的水体蒸发、植物蒸腾等作用会向大气中补充水汽。
当水汽充足且遇到合适的条件时，就会形成云、雾、降水等天气现象。
比如在山区，由于地形的抬升作用，空气上升冷却，水汽凝结形成降雨，这就是地形雨的形成机制。
大气边界层的湍流特征也不容忽视。
湍流就像是大气中的“搅拌器”，使得大气中的热量、水汽、污染物等得以混合和交换。
边界层重要知识点归纳
边边界界层层重重要要知知识识点点归归纳纳第第一一章章大气边界层的定义：大气的最低部分受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。
大气边界层的厚度差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。
还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。
大气边界层的主要特征：（1）大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性（2）大气边界层的日变化：气象要素的空间分布具有明显的日变化。
【大气边界层湍流：①机械湍流：风切变，机械运动；②热力湍流：辐射特性的差异；】大气边界层的分层：(1)粘性副层（微观层）(2)近地层（常通量层）(3)Ekman 层（上部摩擦层）【(1).粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。
(2).近地层（常通量层）：大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略。
(3).Ekman 层（上部摩擦层）：在这一层里，湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。
】大气边界层厚度：边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。
海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。
陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。
大气边界层结构：（1）混合层： （2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结。
（3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。
其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速常常减弱或静风，但高空200m 左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风。
第二章湍流：流体运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化。
雷诺数：——湍流判据，特征Re 数定义： =特征惯性力/特征粘性力；它表示了流体粘性在流动中的相对重要性：（1）Re 》1，粘性力相对小（可忽略），大Re 数流体，弱粘性流；（2）Re 《1，惯性力相对小（可忽略），小Re 数流体，强粘性流； ν/Re UL ≡（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；湍流的基本特征：（1）随机性；（2）非线性；（3）扩散性；（4）涡旋性；（5）耗散性湍流的定量描述：湍流运动的极不规则性和不稳定性，并且每一点的物理量随时间、空间激烈变化，湍流的杂乱无章极随机性可以用概率论及数理统计的方法加以研究。
气象条件对大气边界层高度变化的影响研究
气象条件对大气边界层高度变化的影响研究当我们向着天空仰望的时候，似乎只能看到无垠的蓝天。
然而，在那看似无限的蓝海之上存在着一个重要的地球层，那就是大气边界层。
大气边界层是指地球上最接近地表的大气层，它对气候、环境、生态系统等有着重要的影响。
而大气边界层的高度变化又受到气象条件的影响。
首先，气象条件中的温度变化对大气边界层高度的变化有着直接的影响。
温度是表示物体热量状态的物理量，正常情况下，随着海拔的升高温度会逐渐降低。
当处于温度递减层时，大气边界层的高度也会随之升高。
这是因为冷空气密度较大，容积较小，所以冷空气下沉，使得边界层的高度增加。
相反，当处于温度递增层时，大气边界层的高度会相对较低。
其次，气象条件中的风速变化也会影响大气边界层的高度。
风是一种由气压差形成的运动，它可以通过将气体混合来影响大气层的分布和运动。
当风速较小时，大气边界层的高度相对较低。
这是因为相对较弱的风无法有效地将不同层次的空气混合在一起，导致大气边界层的高度减小。
相反，当风速较大时，大气边界层的高度相对较高。
这是因为强风可以有效地将空气混合在一起，使得边界层的高度增加。
此外，湿度是影响大气边界层高度变化的另一个重要气象条件。
湿度是指空气中水蒸气含量的多少，它对边界层中的水汽的释放和吸收起着重要作用。
当湿度较高时，大气边界层的高度相对较低。
这是因为空气中的水蒸气含量增加，导致边界层中的水汽释放增多，从而使得边界层的高度减小。
相反，当湿度较低时，大气边界层的高度相对较高。
这是因为空气中的水蒸气含量减少，边界层中的水汽吸收减少，导致边界层的高度增加。
在研究大气边界层高度变化时，还需要考虑到其他气象条件的综合影响。
例如，太阳辐射、大尺度天气形势等因素也会对大气边界层高度的变化产生重要影响。
太阳辐射能量的变化会影响边界层热平衡，从而进一步导致边界层高度的变化。
大尺度天气形势的变化会使边界层的垂直运动发生变化，也会影响边界层高度的变化。
边界层气象学课件：CH01_1绪论及湍流基础
课程目的与教学基本要求
边界层气象学是研究大气边界层的科学。它 以观测事实、实验室模拟、数值模拟等为出 发点，通过半经验理论、相似理论及统计理 论等，对边界层大气的湍流运动特性、能量 收支、物质输送和交换等方面的规律进行研 究。它是大气科学、环境科学等领域的重要 基础课程。 基本要求的三个档次，即掌握、熟悉、了解
边界层气象学
Boundary Layer Meteorology
参考书目
1、盛裴轩 等，大气物理学（其中的第三篇 大气边界 层物理），北京大学出版社，2003.
2、[美] Rolland B. Stull著，徐静琦，杨殿荣译， 边界层气象学导论，青岛海洋大学出版社，1991.
3、T R Oke, Boundary Layer Climates,1987
图8.1 热线风速计在大气中测量的风速记录 1992 年 8 月 13 日 在 戈壁 （ 甘 肃 ） ， 使 用 超声 风 速 仪 、 白 金 丝 温度 仪 和 Layman-湿度表观测得到的资料，以及由这些记录计算得到的瞬时风向。
其他复杂现象： 股票指数、地震记录 DNA序列、心脑电图
海岸线、气候序列 。。。
不规则性、多尺度性 注：你知道分形几何吗？
你知道混沌吗？
法国数学家曼德布劳特(B. B. Mandelbrot) 经历了不平凡的潜心研究，于1975年出版了 他的关于分形几何的专著《分形、机遇和维 数》，标志着分形理论的诞生
Fractal Geometry：破碎、不规则几何学
整数维 分数维 自相似
3、雷诺圆管实验（粘性不可压缩流体）
雷诺于1883年进行圆管实验：圆管 内的粘性流体在不同速度U、不同 直径D、不同粘性ν的（运动学粘 性系数）流体进行大量实验，发现 流体运动形态决定于参数 UD/ν ,1908年索末菲定义为：
大气边界层结构及其与气象现象的关系
大气边界层结构及其与气象现象的关系大气边界层是指从地面开始到大气中高度约为20公里的一层空间，它是地球上各种气象现象的重要发生地。
大气边界层的结构和特性对于理解和预测天气变化以及气候演变起着重要的作用。
本文将从大气边界层的结构入手，分析其与常见气象现象的关系。
一、大气边界层的结构大气边界层的结构呈现多层分布，从地面向上分别为地面层、对流层、平流层和中性层。
各层的特性和气候现象与其结构密切相关。
1. 地面层地面层是大气边界层的最底层，厚度约为100-200米。
它直接受到地表的热状况、地形和植被等因素的影响。
在地表层中，气温和湿度的变化剧烈，大气动力学力量较强，垂直混合强烈。
地面层常常产生雾、霾等天气现象。
2. 对流层对流层是大气边界层的第二层，大约高度在10公里以内。
它是气象现象最活跃的层次，气象要素随高度的变化相对较小。
由于太阳辐射和地表的热状况不均匀，对流层中产生了大量的对流运动，形成云、降水等现象。
风向、风速的变化明显。
3. 平流层平流层是对流层之上的一层，高度约在10-20公里之间。
平流层稳定，温度随高度变化不大，并且风向和风速相对稳定。
这一层通常没有云层的形成，降水少。
4. 中性层中性层是大气边界层的最顶层，高度在20公里之上。
大气中的各种气象现象几乎不再发生，很少产生明显的变化。
二、大气边界层与气象现象的关系大气边界层的结构和特性直接影响着气象现象的发展和演变。
以下是大气边界层与几种常见气象现象的关系：1. 降雨大气边界层的对流层是降水的主要形成层次。
当对流层中的气温不规则分布，湿度较大时，容易形成对流云，进而产生降雨。
2. 大风大风通常与较大的垂直风切变有关，而垂直风切变也是大气边界层结构的重要特征之一。
当大气边界层中垂直风切变较大时，容易形成强风。
3. 雾、霾地面层是雾和霾的主要发生层次。
在地面层，气温、湿度以及大气动力学力量的影响导致了雾、霾等现象的产生。
4. 逆温层逆温层是大气边界层的一个现象，指的是大气温度随高度逐渐升高的层次。
大气边界层中的风速和风向变化
大气边界层中的风速和风向变化大气边界层是指大气与地表相互作用的区域，也是气象学中研究风向和风速变化的重要领域。
本文旨在探讨大气边界层中风速和风向的变化规律，分析其对气象现象和人类活动的影响。
一、风速的变化大气边界层中的风速变化受到多种因素的影响，包括地形、地表特征、时间尺度等。
以下是一些相关因素的介绍：1.地形地形是影响大气边界层风速变化的重要因素之一。
在山地地区，由于地表的高低起伏，风速会受到地形的阻挡和加速效应影响，形成各种地形风。
如山谷风由于谷道内空气的密度高于山脊上方的空气而形成，导致风速增大。
而在山脊附近，则会出现下脊风，即山脊上方风速减小的现象。
2.地表特征地表特征也对大气边界层风速变化产生显著影响。
例如，海洋表面上的风速较内陆地区要大。
这是因为海洋表面没有高耗散的陆地面层，风在海上没有遇到阻碍，加之海洋表面的蒸发和释放的热量也会增加风速。
3.时间尺度大气边界层中的风速还会因不同时间尺度上的气象系统而有所变化。
在日常尺度上，太阳辐射的变化会导致风速的日变化，即白天风速较大，夜晚风速较小。
而在季节尺度上，地球周围的大气环流系统如洋流，冷暖气团的运动等都会对风速产生影响。
二、风向的变化风向是指风的来向，同样也受到多种因素的影响。
以下是一些相关因素的介绍：1.地理环境地理环境是影响风向变化的重要因素之一。
比如，赤道附近的地区因受到地球自转和辐射的影响，形成一气候带风向恒定的副高系统，即信风。
信风会导致风向常年保持相对稳定，一般为东北风或偏东风。
2.气象系统大气环流系统也是风向变化的重要原因。
例如，在某些地区，气候带风向的变化受到季风的影响，即冬季风与夏季风的交替引起了风向的变化。
冬季时，这些地区的风向主要来自陆地，而夏季时则来自海洋。
3.地表特征地表特征也会对风向的变化产生影响。
山地、平原或沙漠等地的地表特征会对风向形成阻挡和改变的作用。
其结果是在山地、平原或沙漠等地区，风向会出现不稳定的变化。
大气边界层气象特征的研究
大气边界层气象特征的研究大气边界层，这个看似陌生的术语，实际上与我们的日常生活和地球的气候系统息息相关。
它是地球表面与自由大气之间的过渡区域，其高度范围通常从地面向上延伸到 1 至 2 千米。
在这个区域内，气象要素的变化十分复杂且多样，对天气、气候以及人类活动产生着深远的影响。
大气边界层的气象特征首先表现在风的变化上。
在近地面层，由于受到地面摩擦力的作用，风速通常会随着高度的增加而增大。
这种风速的垂直变化规律被称为风切变。
风切变对于飞机的起降、风力发电的效率以及污染物的扩散等都有着重要的影响。
例如，在飞机起降过程中，如果遇到强烈的风切变，可能会导致飞机失去升力，从而引发危险。
温度也是大气边界层中的一个关键气象要素。
在白天，地面受到太阳辐射的加热，温度升高，形成不稳定的大气条件，热空气上升，冷空气下沉，从而产生对流运动。
这种对流会导致大气中的热量和水汽得以重新分布，对天气的形成和变化起着重要的作用。
而在夜间，地面失去太阳辐射的加热，迅速冷却，形成稳定的大气条件，抑制了对流的发展。
大气边界层中的水汽含量也具有明显的特征。
近地面的水汽含量通常较高，随着高度的增加逐渐减少。
水汽的分布和变化对降水的形成和分布有着至关重要的影响。
当大气中的水汽达到饱和状态，并具备适当的抬升条件时，就会形成云，并可能进一步发展为降水。
大气边界层的湍流特征也是其重要的气象特点之一。
湍流是一种不规则的、混乱的流体运动，它使得大气中的动量、热量和水汽等得以快速混合和交换。
湍流的强度和特性受到多种因素的影响，如地面粗糙度、风速、温度梯度等。
强烈的湍流会增加大气的扩散能力，有助于污染物的稀释和扩散；而较弱的湍流则可能导致污染物在局部地区积聚，造成严重的污染事件。
大气边界层的厚度在不同的时间和地点也会有很大的变化。
一般来说，在晴朗、平静的天气条件下，大气边界层较薄；而在强风、不稳定的天气条件下，大气边界层会变得较厚。
此外，不同的地理环境，如海洋、陆地、山脉等，也会对大气边界层的厚度产生影响。
边界层气象学教程
边界层气象学教程边界层气象学是研究大气中近地面层分布与变化的学科。
它不仅对于气象学研究具有重要意义，而且对于污染物扩散预测、环境保护等方面也有着广泛的应用。
下面就让我们来了解一下边界层气象学的基础知识。
一、边界层气象学的基本概念边界层气象学是指研究大气中近地面层上升下沉运动、温度、湿度、风速、风向等的变化规律和特征的学科。
二、边界层的形成和特征边界层是指大气中接近地面的一层空气，其厚度一般为数百米到数千米。
边界层对气象要素有明显的影响，如溶质扩散、光学传输、人体健康等。
三、边界层的分层结构边界层的分层结构可以分为三层，即表层、中层和底层。
其中表层的高度约为地表摩擦层，中层高度在数百到数千米之间，底层高度则由地形、时间、季节等因素决定。
四、边界层的物理过程边界层的物理过程包括热力过程和动力过程。
热力过程包括辐射传热、湍流传热、热传输等，动力过程包括地表摩擦力、气旋运动、惯性力等。
五、边界层的观测和模拟方法边界层的观测方法主要有风廓线雷达、气象探空等。
模拟方法主要包括数值模拟、解析模拟等。
这些方法可以提供边界层物理过程的详细信息，为边界层预报和研究提供了支持。
六、边界层的预报和应用边界层在气象、环境、能源等领域中具有广泛的应用前景。
边界层的预报可以用来预测城市污染物扩散、风力发电等。
此外，边界层研究还与农业、航空、海洋等领域有关。
总结：边界层气象学研究大气中近地面层分布与变化的学科，对气象、环境保护等领域具有广泛的应用。
了解边界层形成和特征、分层结构、物理过程、观测和模拟方法以及预报和应用等方面，有助于我们更深入地了解其重要性。
气象学 第一章 大气
臭氧的时空分布规律
空间变化特点： 10km以下含量很少，20～25km浓度最大，称 为臭氧层（ozone layer)
纬度变化特点： 从赤道向两极增加
时间变化特点： 随季节而变化，春季最大，夏季最小
臭氧的作用
能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线B、C 波段，保护了地球上的生命。
对高层大气有“加热”作用，使10至 50km高度的气层温度增高。
1.气温随高度很少变化 2.空气非常稀薄 3.空气质点的运动速度很快，可逃逸 到星际空间
二、大气污染(pollutant in the atmosphere)
大气中的污染物质：
定义： 由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全
球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。
分布： 垂直:主要集中在3km以下的低层大气中；
臭氧洞(ozone hole）
产生原因：人类活动释放的大量含氯氟 烃（CFC），对臭氧层有破坏作用。
CFC在高层带电粒子的作用下会离解出氯离子Cl- ， 而Cl-在以下过程中可起催化作用：
O3+O Cl- O2+O2
臭氧层破坏所造成的后果
由于缺少臭氧层的屏障作用，大量对人类和其它生 物有害的太阳紫外线可以到达地面，对生物产生严 重的伤害。
世纪工业革命前，全球平均大约为280ppm，2006年底 创新高381.2ppm，比前一年上升了0.53%；2007年底， 383ppm，比前一年增加0.5% ；2008年底，385.2ppm； 2009年底，386.8ppm。
大气中CO2浓度的年变化
夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线
二次污染物： 进入大气的一次污染物互相作用或与大气
正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的 参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。
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流体力学的边界层厚度 ：即流体速度达到99%自由流体速度u0 的位置：
在这一边界层，存在动量亏损、能量亏损。 流体力学边界层的范围很宽，如飞机机翼等不规则形状。
用流体力学方法对大气边界层定义，可行吗？
1、实际大气存在地转偏向力，风速、风向随高度有剪切作用， 二维问题 变为 三维问题。
湍流产生的能量来源
小尺度 （<10km）
水平和垂直风切变 热力不稳定性 地面粗糙度
中尺度
大尺度
（10—1000km） （>1000km）
云形成过程中的潜热 释放
气流在地形、城市、 岛屿上方的流动
由于太阳辐射加热造 成的纬向变化造成的 区域气流的水平不稳 定性
气流在具有明显特性 变化的下垫面上流动， 如陆-海风
一般量级：水平风为米的量级
垂直风为毫米-米的量级 波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：
重力波、惯性波 湍流：大气边界层的主要运动形态，剪切和不稳定特性等，
湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。 大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。
1.3 湍流输送
定义：
湍流是叠加在平均风上的阵风， 是一种随机的不规则运动。湍流响应 地面作用及其变化，是动量、热量、 水汽和物质从地面反馈进入大气并以 时空混合的主要大气过程。湍流以各 种尺度相互叠加的湍涡形式存在。
白天
－QS
QH QE
Thin boundary evaporation QG
夜间
－QS
QH QE
condensation QG
－QS=QH+QE-QG
QS=-QH-QE+QG
能能量量通通量量的的日日变变化化
森林-7月13日 Qe>Qh
森林-10月14日 Qe<Qh
800
800
600
Qs
600
Qs
Qe
高压和低压对边界层厚度的影响
大气边界层的概念化分层
夹卷层
动量、热量、
zi
水分、物质交换
混合层
1/10zi
局地自由对流层 粗糙度层
雷诺应力定义
u'2 u'v' u'w'
' - v'u' v'2 v' w'
w'u' w'v' w'2
重点（理解，掌握）
• 大气边界层 • 边界层中的风与气流 • 湍流 • 泰勒假说 • 湍流通量 • 雷诺应力
第二节 大气边界层结构
2.1大气边界层分层及结构(重点)
高压 低压－边界层 垂直分层 日变化
2m ~ 20m 烟气扩散
cro 尺度
< 2m 湍流
Micro 尺度
有时ABL高度难以判断
• 如何定义边界层的上界，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。
1.5 相似性参数
3. 弗罗德数（Fr）相似性
Fr U 2 gL
惯性力 重力
g ：重力加速度
Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或<<1），重力影响大，不可忽略
1.6 位温、虚温、虚位温
1. 位温θ：气体从原有的压强与温度出发，绝热膨胀或压缩 到标准压强的温度。可用来比较不同气压下的气体热状态。
温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、 风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。
低层大气的温度日变化
Ta（℃）
30
25
20
15
noon
noon noon noon
noon
10
17-Aug 18-Aug 19-Aug 20-Aug 21-Aug 22-Aug
1.8 有关概念（重点掌握）
一 通量
通量：单位面积，单位时间某个量的输送 热通量和水汽通量：风速分量乘以热量和水汽含量,表示 通过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
1.7 大气能量收支与温度（理解）
(1)辐射平衡
太阳短波辐射－向下 地表反射短波辐射－向上 地球表面长波辐射－向上 大气长波辐射－向下
辐射四 分量仪
(2) 能量平衡
下垫面能量平衡分配： －QS + QA = QH + QE - QG ＋ △QS
净辐射 人为热源 显热 潜热 土壤热通量 储热
白天和夜间的能量平衡
稳定边界层，主尺度小于边界层厚度，可能出现湍流间歇性，传 输慢。
1.2 风与气流
10
风速（m/s）
8
平均风速
6 4
2
0
4
风速（m/s）
波动
2
0
-2
-4
6
风速（m/s）
湍流
3
0
-3
-6
平均与扰动：
平均风
波+湍流
u uu' v vv' w w w'
风速（m/s）
风速（m/s）
7
6
5
4
3
u′
2
0
20
➢ 雷诺数（Re）相似 ➢ 罗斯贝数（Ro）相似 ➢ 弗罗德数（Fr）相似（或理查逊数Ri相似） ➢ 普朗特数（Pr）相似 ➢ 施密特数（Sc）相似
1.5 相似性参数
1. 雷诺数（Re）相似性
Re UL
惯性力 粘滞力
U：流速 L：特征线性尺度 v：运动学粘滞系数
高风速空气充分混合，湍流发展 粘滞力抑制不规则运动，抑制湍流
最大边界层厚度可达数公里，小到耗散尺度（几个毫米的量级）
大气科学中小尺度分类
> 200km 台风
Meso 尺度
20km ~ 200km 低空急流
Meso 尺度
2km ~ 20km 重力波、地形 Meso 尺度
200m ~ 2km 对流
Micro 尺度
20m ~ 200m 对流单体
Micro 尺度
按照能量学的观点，大气湍流的 存在和维持有三大类型：
• 机械的或地面粗糙度的影响 • 热力不稳定性
地表加热或冷却 • 水平和垂直风切变－波产生湍流
密度界面上的开尔文－亥姆霍兹波
1.4 泰勒假说（波动冻结假说）
对湍流的观测，两种途径：
1）固定时间，选取多个空间位置 ——困难
2）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔 ——较易
1.4 泰勒假说
出发点：定点长期观测较易、瞬时大范围观测较难。
Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间 的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的。 这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应 的空间上的测量。
6 u
5
4
3
11AM
10AM
2
时间变化的风速 t
2、温度层结的影响（大气稳定度） 流体力学边界层可以将动力边界层和热力边界层分别讨论，而大气边界层动力
与热力作用共同存在，引入大气稳定度的概念。 3、下垫面不均一，因地形变化，边界层在流场方向做调整。 4、边界层顶云的影响
与边界层发展密切相关的云有积云、层积云、层云等，天空有云时，辐射传输 受影响。 5、天气系统的影响（目前较难研究） 6、边界层内湍流尺度分布
• 几何相似 • 运动学相似 • 动力学相似 • 热力学相似 • 边界条件相似
座落于南京大学浦口校区的NJU大气环境风洞试验段内景照片
边界层研究的主要方法 南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比250:1）
1.5 相似性参数
气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于 各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：
第一章 大气边界层与边界层
气象学研究
第一节 大气边界层及其特性
1.1 大气边界层（重点掌握）
平流层
自由大气 边界层
~ 10 km 1~2 km
流体力学的边界层理论
当流体以高雷诺数绕物体流动时，在流体与物面完全分离以前， 粘性和湍流的输运作用仅限于物体表面的薄剪切层内--边界层内， 而边界层以外，速度和温度梯度很小，粘性和湍流可以忽略。
平均风速与脉动风速
u′
40
60
80
100
120
时间(秒)
u′ 脉动风
脉动风
u u平均
草地三维风速图 8
6
4
2
0
-2
-4 15:00
15:10
15:20
15:30 15:40 15:50 时间（2009-4-16）
16:00
16:10
16:20
Ux-1s Uy-1s Uz-1s
平均风：明显的日变化
风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
6
5
u
4
3
2
空间变化的风速 x=ut
1.4 泰勒假说
100m
5℃ 10℃ 湍涡
10m/s
5℃ 10℃
湍涡
z y
x
z y
x
直径100m的湍涡，温差5℃
10秒后被10m/s风速吹至下风方
T 0.05 ℃/m xd
T
T
U
t
xd
一维空间温度的泰勒假说