1、第五章 大氣邊界層 王樹舟 南京信息工程大學大氣科學學院 邊邊 界界 層層 理理 論論 的的 應用應用 空氣污染學 農業氣象學 水文學 航空氣象學 中尺度氣象學 天氣預報和氣候 城市氣象 大氣（或行星）邊界層在許多領域中的重要作用大氣（或行星）邊界層在許多領域中的重要作用 大氣邊界層研究重要內容 湍流發生機理，湍流統計理論，科爾莫戈洛夫湍流理論， 湍流標度律，湍流的非線性動力學理論，湍流時間序列分 析等 納維-斯托克斯方程，雷諾平均，湍流能量平衡方程，應 力和通量，湍流“不封閉問題”，一階閉合，高階閉合，大 渦模擬等 相似性原理，穩定度參數，莫寧-奧布霍夫長度，近地層 相似理論，全邊界層相似理

2、論，局地相似理論，湍流結構 的參數化，邊界層結構的參數化等 整個大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過 大氣后再被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣 地氣之間動物質和能量交換過程的核心問題就是湍流問題，絕 大多數發生在大氣邊界層中的物理過程都是通過湍流來實現的。 大氣邊界層幾乎總是處于湍流狀態，層流是極為少見的。云中 空氣的運動也幾乎都是湍流。湍流也是大氣科學研究最為重要 的基本問題之一。 湍流是如何發生的？湍流是如何發生的？ 層流失穩（剪切和熱對流）層流失穩（剪切和熱對流） 雷雷 諾諾 ：在實驗室模擬湍流：在實驗室模擬湍流 雷諾數雷諾數 Re = U L / v 種種理論。種

3、種理論。 大氣邊界層物理大氣邊界層物理、邊界層氣象邊界層氣象 本課程中需要掌握的邊界層內容 大氣分層，特點 湍流重要性 湍流發展的判據 邊界層中風隨高度變化 埃克曼抽吸，二級環流和旋轉減弱 大氣邊界層是指大氣層最底下的一個薄層，大約大氣邊界層是指大氣層最底下的一個薄層，大約12公里厚度，它是大公里厚度，它是大 氣與下墊面直接發生相互作用的層次。它的研究與天氣預報、氣候預測氣與下墊面直接發生相互作用的層次。它的研究與天氣預報、氣候預測 以及大氣物理研究有非常密切的關系。以及大氣物理研究有非常密切的關系。 并不限于12公里，比如青 藏高原夏季邊界層高度可達 3公里 邊界層是對流層的一部分，它直接受

4、地表的影響，對地表強迫 響應的時間尺度約為1小時或更小。 邊界層過程包括：邊界層過程包括： 摩擦力摩擦力 蒸發和蒸騰蒸發和蒸騰 熱傳遞熱傳遞 污染物排放污染物排放 地形引起流的變性地形引起流的變性 按“湍流粘性力的重要性”，在垂直方向上對 大氣進行分層： 1、貼地層：高度為幾個厘米 附著在地表，風速 ，無湍流。 0V 湍流粘性力0，分子粘性力最重要。 2、近地面層：高度為80100m 湍流運動非常劇烈， 主要以湍流粘性力為主。 3、上部摩擦層（Ekman層）： 高度為12km 湍流粘性力、科氏力、壓力梯度力同等重要。 0 粘科壓 FFF 4、自由大氣： 湍流粘性力可略 準地轉。 0 科壓 FF

5、 湍流重要理論 雷諾應力 湍流脈動量的二次項稱為渦動應力項或雷諾應力項。 它實質上是湍流對動量輸送的結果。有9個分量 wwvwuw wvvvuv wuvuuu TzzYyzTxz TzyTyyTxy TzxTyxTxx T 湍流重要理論 普朗特混合場理論的基本思想是把湍流輸送量用平均量來 表示，這種方法稱為湍流半經驗理論和湍流參數化方法。 作了如下假設 1.和分子一樣，湍流在運動的起始高度上具有該高度上的平 均物理屬性； 2.在湍流運動中存在一個混合長L，湍流移動一個混合長后 才與四周混合，在此之前具有物理屬性保持不變。 湍流發展的判據，Ri數（理查森數） 湍流重要理論 Ri數（理查遜數） 發

6、展，湍流減弱，抑制對流 流發展，湍流增強，有利于對 湍流動能供給率 湍流動能損耗率 0 0 )( )( 2 z V rr T g R d i 容易發生湍流的區域有 （1）近地層（層結不穩定） （2）對流層頂 （3）大氣邊界層 （4）鋒面、颮線附近 大氣邊界層中風隨高度的變化 在行星邊界層中，水平氣壓梯度力、科里奧里力和湍流黏 性力是近似平衡的，即有 )( 1 )( 1 Tzy zy p fu Tzx zx p fv 這里已假定邊界層中密度隨高度的改變可忽略不計。 大氣邊界層中風隨高度的變化 近地面層很薄，約為數十米厚。這層大氣中動量的渦動鉛直通量（即渦 動應力）隨高度變化的改變是很小的。作為一

7、級近似，可假定，渦動應 力是一常值，且等于地面上的渦動應力。 l u z u * 在中性層結下，可認為湍流的鉛直尺度由離地表高度決定，因而從邏輯 上可設混合長是z的函數， 為卡曼常數，約為0.4 z u z u * 上式對z積分，Cz u uln * C為任意常數，可由邊界條件確定。因地面粗糙不平，離地面一定高度上u就減少到0 0 * lnz u C 這樣， 大氣邊界層中風隨高度的變化 0 0 u zz 邊界條件取為 )ln( 0 * z zu u z0稱為粗糙度，它決定于下墊面的物理性質。 可以看出，中性層結條件下近地面層中風速隨高度 呈對數分布，這就是著名的風隨高度分布的對數定 律。 埃克

8、曼抽吸埃克曼抽吸 在邊界層中，三力平衡下，風要穿越等壓線，從高壓指向低 壓，則氣旋區產生輻合上升，反氣旋區產生輻散下沉。這種 邊界層頂的垂直運動，稱為。 相應的，自由大氣中的氣旋區要產生輻散， 反氣旋區要產生輻合，這樣就在垂直面內形成閉閉 合環流。合環流。 如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級如果將水平面上的氣旋、反氣旋，稱為一級 環流，則稱這個由一級環流誘發的、在垂直面上環流，則稱這個由一級環流誘發的、在垂直面上 的閉合環流，為的閉合環流，為 二級環流的作用：使邊界層與自由大氣二級環流的作用：使邊界層與自由大氣 發生物理量交換。發生物理量交換。 （1）從角動量的角度看： 空氣，輸送到邊界層。自由大氣中角動量大的 氣，輸送到自由大氣；邊界層中角動量小的空 結果： 由自由大氣向邊界層輸送角動量 自由大氣角動量減少，大氣旋轉減弱 邊界層角動量增加，以補償耗散。 （2）從渦度角度看。 用來補償耗散 反氣旋加強反氣旋區輻散 氣旋加強氣旋區輻合 邊界層中： 旋轉減弱 反氣旋減弱反氣旋區輻合 氣旋減弱氣旋區輻散 自由大氣中： 自由大氣中忽略耗散，是通過與邊界層發生相互作 用使得大氣旋轉減弱，耗散發生在邊界層。 二級環流可使轉地轉渦旋強度減弱，這種作用常稱 為旋轉衰減作用 二級環流使地轉風渦度