1第一章大气边界层概述.ppt

主讲人 张镭 教授 2010.8.说明：说明：专业基础课，计划学时专业基础课，计划学时36，2学分学分总评成绩总评成绩=作业作业+考勤考勤+考试考试教材，基本内容教材，基本内容 1-4章，适当增减章，适当增减主要参考书主要参考书主要参考书主要参考书1.赵鸣，苗曼倩，王彦昌，边界层气象学教程，气象出版社，赵鸣，苗曼倩，王彦昌，边界层气象学教程，气象出版社，19912.Sutton,O.G.,1953,Micrometeorology.中中译译本本，微微气气象象学学，高高教教出出版社，版社，19593.莱莱赫赫特特曼曼，D.,1973,中中译译本本，大大气气边边界界层层物物理理，科科学学出出版版社社，19824.Haugen,D.A.edit,1973,Workshop on Micrometeorology.中中译译本本，微气象学，科学出版社，微气象学，科学出版社，19845.Stull,R.B.,1988,An Introduction to Boundary Layer Meteorology.中译本，边界层气象学导论，气象出版社，中译本，边界层气象学导论，气象出版社，19916.Garratt,J.R.,1992,The Atmospheric Boundary Layer,Cambridge University Press,UK7.Oke,T.R.,1987,Boundary Layer Climates,Methuen Co.Ltd,USA8.赵鸣，大气边界层动力学，高教出版社，赵鸣，大气边界层动力学，高教出版社，2006主要参考杂志主要参考杂志主要参考杂志主要参考杂志1.Boundary Layer Meteorology2.Journal of Geophysical Research-Atmospheres3.Geophysical Research Letters4.Atmospheric Chemistry and Physics,Atmospheric Chemistry and Physics Discussions5.Journal of Applied Meteorology6.Journal of Atmospheric Sciences7.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society8.Journal of Meteorological Society of Japan9.Advances in Atmospheric Sciences10.Tellus11.Nature,Science12.大气科学，气象学报，高原气象，大气科学，气象学报，高原气象，应用应用气象气象学报学报，热带气象学，热带气象学，第一章第一章 大气边界层概述大气边界层概述基本概念；基本概念；边界层分层；厚度、结构；边界层分层；厚度、结构；边界层大气及其运动特征；边界层大气及其运动特征；研究意义、方法、发展研究意义、方法、发展 一基本概念一基本概念 大气边界层大气边界层(ABL:Atmospheric Boundary Layer)离离地地面面约约1km以以下下的的大大气气层层，这这层层大大气气受受地地表表面面热热力力和和动动力力影影响响很很大大，不不能能忽忽略略。（而而边边界界层层以以外外的的大大气气受受地地面面影影响响微微弱弱，可可以忽略，称为自由大气）以忽略，称为自由大气）(PBL:Planet Boundary Layer)边界层气象学边界层气象学(BLM:Boundary Layer Meteorology)气象学的一个分支，研究边界层大气的物理气象学的一个分支，研究边界层大气的物理现象、物理结构、运动规律（运动学、动力现象、物理结构、运动规律（运动学、动力学、能量转化等）及其应用方法的一门学科。学、能量转化等）及其应用方法的一门学科。大大气气运运动动尺尺度度划划分分为为全全球球、区区域域、中中、小小尺尺度度、微微尺尺度度。于于是是有有一一门门主主要要研研究究微微尺尺度气象学的分支，微气象学。度气象学的分支，微气象学。微气象学微气象学(Micrometeorology)研研究究微微尺尺度度大大气气现现象象、大大气气运运动动基基本本规规律律。研研究究边边界界层层必必然然包包括括研研究究微微尺尺度度过过程程。因因此，二者基本上是同义语。此，二者基本上是同义语。二大气边界层分层大气边界层分层 1.粘性副层粘性副层粘性副层粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一层的典型厚度层的典型厚度1cm几个几个cm，因此对多数实际问题，因此对多数实际问题而言，可以忽略它而言，可以忽略它。粘性副层中由分子输送的热通量可表示为：为分子热扩散率（空气的分子热扩散率为210-5m/s）。典型的热通量值为0.2Km/s，由此计算的温度梯度为1.0104 K/m，这相当于穿过1mm厚层的温差为10K。在骄阳似火的夏日，即使当时的气温只有25或30度，假如赤脚通过黑色的柏油马路，同地面表层一接触就感到灼热。灼热的表层温度可以使最低层几毫米的空气产生很大的温度梯度。2.近近近近地地地地层层层层（常常常常通通通通量量量量层层层层）：从从粘粘性性副副层层到到50-100m，这这一一层层大大气气运运动动呈呈现现明明显显的的湍湍流流性性质质，湍湍流流输输送送占占有有压压倒优势作用倒优势作用。由由于于近近地地层层中中湍湍流流强强烈烈混混合合的的结结果果，各各物物理理属属性性的的铅铅直输送通量近似为常值直输送通量近似为常值，故又称为常通量层，故又称为常通量层。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，气压梯度力可略。3.EkmanEkman层层层层（上上上上部部部部摩摩摩摩擦擦擦擦层层层层）：从从近近地地层层以以上上到到1-1.5km。湍湍流流粘粘性性力力、科科氏氏力力和和气气压压梯梯度度力力同同等等重重要要，需需要要考考虑风随高度的切变。虑风随高度的切变。以上三层总称为大气边界层(ABL)或行星边界层(PBL)。在ABL以上，下垫面对大气的影响可忽略不计，气压梯度力和科氏力达到平衡，为自由大气。三边界层厚度和结构三边界层厚度和结构1.海洋上，由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。此外，海水热容量大，海面温度日变化不明显，边界层厚度变化十分缓慢。边界层厚度的变化主要是由天气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。2.陆陆地地上上，边边界界层层具具有有轮轮廓廓分分明明、周周日日循循环环发发展展的的结结构。构。见图1.1（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，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，但在200m左右高度，可能出现低空急流或夜间急流，达到超地转风速。图图1.1 陆地上空的边界层，主要包括强湍流混合层、陆地上空的边界层，主要包括强湍流混合层、弱湍流残留层和有分散湍流的夜间稳定边界层弱湍流残留层和有分散湍流的夜间稳定边界层四四.研究意义研究意义 空空气气之之间间各各种种属属性性的的交交换换，主主要要是是通通过过大大气气边边界界层层进进行行的的，因因而而边边界界层层气气象象的的研研究究，显显得得非非常常重重要要，一一方方面面有有基基础础意意义义，是是大大范范围围天天气气过过程程形形成成的的背背景景和和基基础础。另另一一方方面面又又广广泛泛的的应应用用价价值值，人人类类活活动动主主要要在在边边界界层层，例例如如环环保保、农农田田、水水利利、资资源源开开发发、交交通通、城城建建等等与与国国计计民民生有关的重大课题都与边界层气象密切相关。生有关的重大课题都与边界层气象密切相关。五边界层大气特征及其运动特征五边界层大气特征及其运动特征1.研研究究边边界界层层大大气气湍湍流流力力学学问问题题，必必须须充充分分考考虑虑大大气气的的重要特征重要特征（1）大大气气是是运运行行的的半半无无限限介介质质，受受地地表表面面的的作作用用发发生生湍湍流流运运动动。作作为为下下边边界界条条件件的的地地球球表表面面，其其热热力力和和动动力力性性质质十十分分复复杂杂，地地表表几几何何形形状状极极不不规规则则，吸吸热热率率和和导导热热率率等等热热力力学学性性质质各各不不相相同同。例例如如，有有海海洋洋、陆陆地地，而而陆陆地地上上又又有有草草原原、沙沙漠漠等等等等不不同同。因因而而地地表表不不只只是是消消极极的的阻阻碍碍大大气气运运动动的的边边界界面面，而而且且是是积积极极地地向向大大气气提供热能和水汽的提供热能和水汽的“源源”。（2）大大气气是是非非均均匀匀介介质质，大大气气密密度度随随时时间间空空间间而变化，特别是铅直方向密度不均一。而变化，特别是铅直方向密度不均一。（3）大大气气湍湍流流运运动动尺尺度度分分布布非非常常宽宽阔阔，10-2m-103m，甚甚至至106m。大大气气湍湍流流现现象象是是大大小小悬悬殊殊不不同的湍涡共同作用的结果同的湍涡共同作用的结果 2由于上述特点，得到边界层大气运动必须考虑的主要由于上述特点，得到边界层大气运动必须考虑的主要特征特征（1）地球自转的影响地球自转的影响 引入科氏力引入科氏力（2）大气密度不均匀，特别是在铅直方向不均匀大气密度不均匀，特别是在铅直方向不均匀。（3）大气运动的水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅层大气运动的水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅层流体。流体。（4）主要是湍流运动主要是湍流运动 运动方程中增加湍流项。运动方程中增加湍流项。这些主要特点，也是研究边界层大气湍流的困难所在：这些主要特点，也是研究边界层大气湍流的困难所在：由于边界条件的复杂性，很难求出准确地分析解；由由于边界条件的复杂性，很难求出准确地分析解；由于实际大气中湍涡的尺度很宽，限制了应用室内物理于实际大气中湍涡的尺度很宽，限制了应用室内物理模拟实验的可能性，必然以外场观测为主。模拟实验的可能性，必然以外场观测为主。六六边界层气象学研究方法边界层气象学研究方法边界层气象学研究方法边界层气象学研究方法原则：理论与实验相结合，且以实验为主。原则：理论与实验相结合，且以实验为主。1 理论方法理论方法半经验理论：以混合长理论和相似性理论为基础半经验理论：以混合长理论和相似性理论为基础湍流统计理论：以概率论与数理统计为基础湍流统计理论：以概率论与数理统计为基础2 实验方法实验方法外场实验：野外定点观测，飞机观测，跟踪观测外场实验：野外定点观测，飞机观测，跟踪观测室内模拟实验：风洞，水槽室内模拟实验：风洞，水槽3 实验实验-理论方法理论方法数值模拟，数值试验数值模拟，数值试验 闭闭合合问问题题的的困困难难，-近近似似，对对支支配配方方程程的的近近似似 数数值值模模拟拟必必须须以以实实验验为为基基础础，否否则则闭闭合合方方向向不不确确定定；模模拟拟结结果果必必须须再再次次受受到到观观测测资资料料的的检检验。验。观测观测+分析分析+数值模拟数值模拟七七、发展概况、发展概况 大大气气边边界界层层系系统统的的研研究究工工作作开开始始于于20世世纪纪初初，开始时，主要研究近地面层。开始时，主要研究近地面层。国内研究始于国内研究始于20世纪世纪30年代。年代。结合研究成果看，结合研究成果看，20世纪世纪50年代年代有有Sutton的的微气象学微气象学。1960年年代代以以后后，着着重重于于近近地地层层以以上上的的Ekman层层的的研研究究，进进行行了一系列规模较大的外场实验：了一系列规模较大的外场实验：澳，澳，Hay,1967；美，；美，Kansas,1968;Minnesota,1973 采采用用了了声声雷雷达达，超超声声风风速速仪仪，红红外外遥遥感感，飞飞机机探探测测；数数值模式。这些实验在值模式。这些实验在气象学与原子能气象学与原子能中有介绍。中有介绍。1970年代年代以来，探测手段进一步发展、完善，较为系统的著以来，探测手段进一步发展、完善，较为系统的著作：美国气象学会的作：美国气象学会的微气象学微气象学;Panofsky,H.A.等的等的大气湍流大气湍流；Stull,R.B.的的边界层气象学导论边界层气象学导论;Garratt,J.R.,The Atmospheric Boundary Layer,等。期等。期刊刊 BLM,-Kluwer Academic Publishers.