第一章大氣邊界層與邊界層氣象學研究第一節大氣邊界層及其特性1.1大氣邊界層（重點掌握）~10km1~2km自由大氣平流層邊界層流體力學的邊界層理論

當流體以高雷諾數繞物體流動時，在流體與物面完全分離以前，粘性和湍流的輸運作用僅限于物體表面的薄剪切層內--邊界層內，而邊界層以外，速度和溫度梯度很小，粘性和湍流可以忽略。邊界層內：粘性流場（Navier-Stokes)；邊界層外：無粘性(歐拉方程).

流體力學的邊界層厚度：即流體速度達到99%自由流體速度u0的位置：

在這一邊界層，存在動量虧損、能量虧損。流體力學邊界層的范圍很寬，如飛機機翼等不規則形狀。用流體力學方法對大氣邊界層定義，可行嗎？1、實際大氣存在地轉偏向力，風速、風向隨高度有剪切作用，二維問題變為三維問題。2、溫度層結的影響（大氣穩定度）流體力學邊界層可以將動力邊界層和熱力邊界層分別討論，而大氣邊界層動力與熱力作用共同存在，引入大氣穩定度的概念。3、下墊面不均一，因地形變化，邊界層在流場方向做調整。4、邊界層頂云的影響與邊界層發展密切相關的云有積云、層積云、層云等，天空有云時，輻射傳輸受影響。5、天氣系統的影響（目前較難研究）6、邊界層內湍流尺度分布最大邊界層厚度可達數公里，小到耗散尺度（幾個毫米的量級）大氣科學中小尺度分類

>200km臺風Meso

尺度20km~200km低空急流Meso

尺度

2km~20km重力波、地形Meso

尺度200m~2km對流Micro

尺度

20m~200m對流單體

Micro

尺度

2m~20m煙氣擴散Micro

尺度

<2m湍流Micro

尺度如何定義邊界層的上界，是一個很困難的問題。有時，上界很明顯，例如逆溫蓋，在蓋子以下大氣受下墊面影響很大，而在蓋子以上則未受影響。但在通常情況下這種明顯的界限是不存在的，下墊面的作用隨高度的增加只是緩緩減弱。一般地，類似于流體動力學中邊界層厚度的定義，定義大氣邊界層的上界為在這個界面上，由地面作用導致的湍流動量通量以及熱通量均減小到地面值的很小一部分，例如1%。但有時也以逆溫層頂作為大氣邊界層上界。有時ABL高度難以判斷大氣邊界層特征：

地球表面向上并與地面有直接作用的氣層；是地球表面與自由大氣間進行物質、能量、熱量和水氣交換必經的氣層；具有明顯的日變化規律；與季節、天氣背景、高度等密切相關。如：按熱動力學，有不穩定、中性、穩定層結之分。涉及面廣：空氣污染、環境、氣候變化等日變化：

不穩定大氣邊界層，主尺度在空間上與邊界層厚度相當，傳輸快；穩定邊界層，主尺度小于邊界層厚度，可能出現湍流間歇性，傳輸慢。平均風速波動湍流1.2風與氣流平均與擾動：平均風波+湍流平均風：明顯的日變化風速和風向及其相關邊界層屬性具有明顯的垂直梯度一般量級：水平風為米的量級

垂直風為毫米-米的量級波動：有規則和一定的周期變化，形式多樣，常見：重力波、慣性波湍流：大氣邊界層的主要運動形態，剪切和不穩定特性等，湍流對大氣邊界層的發展和演變有關鍵作用。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現為風的起伏和擾動。1.3湍流輸送定義：湍流是疊加在平均風上的陣風，是一種隨機的不規則運動。湍流響應地面作用及其變化，是動量、熱量、水汽和物質從地面反饋進入大氣并以時空混合的主要大氣過程。湍流以各種尺度相互疊加的湍渦形式存在。湍流產生的能量來源小尺度（<10km）中尺度（10—1000km）大尺度（>1000km）水平和垂直風切變熱力不穩定性地面粗糙度云形成過程中的潛熱釋放氣流在地形、城市、島嶼上方的流動氣流在具有明顯特性變化的下墊面上流動，如陸-海風由于太陽輻射加熱造成的緯向變化造成的區域氣流的水平不穩定性

按照能量學的觀點，大氣湍流的存在和維持有三大類型：機械的或地面粗糙度的影響熱力不穩定性

地表加熱或冷卻水平和垂直風切變－波產生湍流

密度界面上的開爾文－亥姆霍茲波1.4泰勒假說（波動凍結假說）對湍流的觀測，兩種途徑：1）固定時間，選取多個空間位置

——困難2）固定位置，長期連續觀測，如氣象觀測塔

——較易1.4泰勒假說時間變化的風速空間變化的風速出發點：定點長期觀測較易、瞬時大范圍觀測較難。Taylor(1938):

在湍渦發展的時間尺度大于其平移過傳感器時間的情況下，當湍流平移過傳感器時，可以把它看成是凝固的。這樣，風速就可以把本來作為時間函數對湍流的測量變為相應的空間上的測量。1.4泰勒假說5℃10℃100mxyz湍渦直徑100m的湍渦，溫差5℃℃/m5℃10℃10m/sxyz湍渦10秒后被10m/s風速吹至下風方℃/s一維空間溫度的泰勒假說1.4泰勒假說對任一變量

ξ，當

時，湍流凝固而全導數泰勒假說的一般形式：前提條件：各向同性、平穩湍流湍渦變化極小，即湍強滿足1.5相似性參數物理實驗（風洞、水槽等）中，為保證得到正確結果而且與實際大氣系統可比較，則需要滿足相似性條件幾何相似運動學相似動力學相似熱力學相似邊界條件相似

座落于南京大學浦口校區的NJU大氣環境風洞試驗段內景照片

邊界層研究的主要方法南京大學風洞試驗（以北京芳古園小區為對象，相似比250:1）1.5相似性參數雷諾數（Re）相似羅斯貝數（Ro）相似弗羅德數（Fr）相似（或理查遜數Ri相似）普朗特數（Pr）相似施密特數（Sc）相似氣流相似（幾何相似、運動學相似），那么作用于各氣流系統的各種作用力也要滿足一定比例相似：1.5相似性參數1.雷諾數（Re）相似性慣性力粘滯力U：流速L：特征線性尺度v：運動學粘滯系數高風速

空氣充分混合，湍流發展粘滯力

抑制不規則運動，抑制湍流Re小（<1）時，粘滯力主導，氣流呈片流Re大（>1）時，慣性力主導，氣流呈湍流1.5相似性參數2.羅斯貝數（Ro）相似性慣性力柯氏力f：柯氏參數（地轉偏向力）Ro大

柯氏加速度影響小，風切變（旋轉所致）的影響可不計。Ro趨向無窮大

Ro自行滿足Ro≤1，柯氏力影響較大，地球旋轉作用不可忽略1.5相似性參數3.弗羅德數（Fr）相似性慣性力重力g：重力加速度Fr大（>>1），重力影響小Fr小（≈1或<<1），重力影響大，不可忽略1.位溫θ：氣體從原有的壓強與溫度出發，絕熱膨脹或壓縮到標準壓強的溫度。可用來比較不同氣壓下的氣體熱狀態。Poisson方程T0、P0：參考高度的溫度、大氣壓T、P：任一高度的溫度、大氣壓θ、P0：位溫、基準大氣壓（如100kPa或地面氣壓）T、P：原有高度的溫度、大氣壓一級近似g/Cp

=0.0098Km-1:

干絕熱遞減率的負值（9.8℃km-1）z：100kPa（或地面）以上的高度1.6位溫、虛溫、虛位溫2.虛溫Tv

：當氣壓不變時，與濕空氣具有相同密度的干空氣所對應的溫度。T

：實測的溫度e、P

：當時的水汽壓、大氣壓Tv

>T密度：水蒸汽<干空氣浮力：未飽和濕空氣>干空氣絕對溫度T虛溫Tv<3.虛位溫θ

v

：液態水比空氣的密度大，這樣，有云的氣塊浮升就比相應的無云氣塊浮升要小，氣塊中懸浮的云滴會引起虛位溫的降低。對于飽和空氣而言（存在云的情況下），定義虛位溫θv為：γsat：氣塊的飽和水汽混合比γL

：液態水混合比未飽和空氣，虛位溫θv為：γ

：未飽和氣塊的水汽混合比1.7大氣能量收支與溫度（理解）

(1)輻射平衡太陽短波輻射－向下地表反射短波輻射－向上地球表面長波輻射－向上大氣長波輻射－向下輻射四分量儀(2)能量平衡下墊面能量平衡分配：－QS+QA=QH+QE-QG＋△QS凈輻射人為熱源顯熱潛熱土壤熱通量儲熱QG－QSQHQE夜間QG－QSQHQE白天白天和夜間的能量平衡condensationevaporationThinboundary－QS=QH+QE-QGQS=-QH-QE+QG森林-7月13日Qe>Qh森林-10月14日Qe<Qh能量通量的日變化Qs：太陽輻射Qh：顯熱通量Qe：潛熱通量Qg：土壤熱通量能量通量的日變化3低層大氣溫度氣溫垂直分布三種情形：①氣溫隨高度遞減②氣溫隨高度基本不變③氣溫隨高度逆增

溫度垂直梯度的大小與太陽輻射、云況、風速和土壤熱性質有關，具有明顯的日變化。低層大氣的溫度日變化noonnoonnoonnoonnoon1.8有關概念（重點掌握）一通量

通量：單位面積，單位時間某個量的輸送

熱通量和水汽通量：風速分量乘以熱量和水汽含量,表示通過這個方向的單位面積所傳輸的熱量和水汽量。熱通量水汽通量

動量通量：對上述兩個標量的通量傳輸可以分解為x，y和z三個方向。風速矢量有三個分量（u、v和w），動量通量可以由這3個分量在x、y、z三個方向的輸送構成共9個動量通量分量，即任一方向的氣流運動可以帶動傳輸u，v和w方向的動量輸送，因而具有二階張量性質。湍流通量二應力粘滯切應力雷諾應力只有當氣體處于湍流運動時才有雷諾應力，湍流能夠把不同風速的空氣混合進入我們所考慮的立方體。當這種不同速度的空氣施加于立方體的一個面而未及于之相對的另一個面時，該空氣塊會因兩個面間的速度差異而變形。根據定義，輸送不同速度的空氣穿過氣塊任一面的速率，剛好就是動量通量。也就是說，湍流動量通量的作用就象是應力，故稱之為雷諾應力。雷諾應力定義雷諾應力定義重點（理解，掌握）大氣邊界層邊界層中的風與氣流湍流泰勒假說湍流通量雷諾應力第二節大氣邊界層結構2.1大氣邊界層分層及結構(重點)高壓低壓－邊界層垂直分層日變化高壓和低壓對邊界層厚度的影響動量、熱量、水分、物質交換夾卷層大氣邊界層的概念化分層粗糙度層混合層近地面層zi局地自由對流層1/10zi近地面層(nearsurfacelayer)主要特征①大氣邊界層最下面部分，受到下墊面影響最直接②層內風速、溫度和其余氣象要素場隨高度變化十分劇烈，存在有由地面粗糙度或摩擦作用產生的小尺度湍流以及地面增熱造成的熱力對流活動。③各種湍流通量傳輸隨高度變化而數值不變，稱常通量層。一旦脫離該層，各個湍流通量傳輸將逐漸減弱，直至大氣邊界層頂的極值④風向隨高度近乎不變，氣流結構不受柯氏加速度影響表面層表面層表面層中午日落午夜中午日出穩定（夜間）邊界層夾卷層殘留層夾卷層云層自由大氣頂蓋逆溫大渦對流混合層混合層陸上高壓區大氣邊界層結構的三個主要部分：大渦對流混合層；含有原先混合層空氣的殘留層；具有間隙性湍流的夜間穩定邊界層。高度(m)200010000邊界層的發展具有明顯的日變化特點（高壓區、小風、無云條件）對流邊界層，穩定邊界層，中性邊界層白天：對流邊界層近地面層、混合層、夾卷層

夜間：穩定邊界層近地面層、穩定邊界層、殘留層強風（>12m/s）或陰天條件：中性邊界層不同時刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線FA:自由大氣層ML:混合層RL:殘留層SBL:穩定邊界層SL:近地層CL:云層SCL:云下層S7分析大氣邊界層結構變化特征，具體問題具體分析。考慮天氣條件，下墊面，地形以及季節、層結穩定度條件等的變化對大氣邊界層的影響。2.2愛克曼螺線和愛克曼層(了解)

在中性層結、下墊面水平均勻、大氣定常，且粘滯系數為常數的情況下所求得的風隨高度變化的解，即為經典的Ekman風廓線解。

可定性給出邊界層運動的一些性質，但并非很合適的解。

穩定度，用M-O長度L作為依據

L：負值無窮大正值對流（不穩定）、中性、穩定2.3大氣穩定度與ABL結構（逐漸掌握）

不穩定邊界層結構及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)

穩定邊界層結構及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)蓋帽逆溫上部穩定層結中的波動