第一章：大气边界层概述1.ppt

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1、边界层气象学教程边界层气象学教程研究内容研究内容研究方法研究方法研究意义研究意义研究进展研究进展大气边界层大气边界层高度(km)每升高每升高100m，气温降低气温降低0.65O O3 3大气边界层？大气边界层？atmospheric boundary layer定义定义 定定义义1.1.大大气气的的最最低低部部分分受受地地面面影影响响的的一一层层，平平均均厚厚度度为为地地面以上面以上1km1km范围，以湍流运动为主要特征。范围，以湍流运动为主要特征。定定义义2.2.靠靠近近地地球球表表面面、受受地地面面摩摩擦擦阻阻力力影影响响的的大大气气层层。从从地地表表向向上上，其其厚厚度度随随地地面面粗粗

2、糙糙度度和和风风速速的的增增大大或或大大气气不不稳稳定定度度的的增增强强而而增增加加，变变化化的的范范围围在在三三四四百百米米到到一一两两千千米米之之间间。因因该该层层内内空空气气运运动动明明显显受受地地面面摩摩擦擦作作用用的的影影响响，又又称称摩摩擦擦层层。就就整整个个地地球球大大气气而而言言，该该层层只只不不过过是是紧紧贴贴地地球球表表面面的的很很薄薄的的一一层层大大气气。一一般般而而言言，行行星星和和行行星星大大气气之之间间，都都存存在在因因和和行行星表面摩擦而引起的这种边界层，故又称星表面摩擦而引起的这种边界层，故又称行星边界层行星边界层。表表征征现现象象：观观察察从从烟烟囱囱冒冒出出

3、的的烟烟气气，其其行行迹迹紊紊乱乱，烟烟云云边边缘不断向下风向扩展。缘不断向下风向扩展。一、研究内容一、研究内容大气边界层研究的主要内容包括：l1.大气边界层中的湍流特征；l2.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；l3.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；l4.近地层湍流大气微结构、湍流统计特征；l5.大气边界层的数值模拟。二、研究意义二、研究意义 l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

4、通过大气边界层过程来实现的。l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。l污染扩散是在大气边界层中进行的。Physics and Dynamics Options_PlanetaryBoundarylayer(bl_pbl_physics)a.Yonsei University scheme:Non-local-K scheme withexplicit entrainment layer and parabolic K profile inunstablemixedlayer(bl_pbl_physics=1).b.Mellor-Yamada

5、-Janjicscheme:Etaoperationalscheme.One-dimensional prognostic turbulent kinetic energyschemewithlocalverticalmixing(2).c.Quasi-Normal Scale Elimination PBL(4).A TKE-prediction option that uses a new theory for stablystratifiedregions.NewinVersion3.1.d.Mellor-YamadaNakanishiandNiinoLevel2.5PBL(5).Pre

6、dictssub-gridTKEterms.NewinVersion3.1.e.LESPBL:Alarge-eddy-simulation(LES)boundarylayerisavailableinVersion3.（a）西固二水厂（b）兰州站（52889）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）日变化对比边界层参数化方案对近地面温度的影响边界层参数化方案对近地面温度的影响图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

7、成山风环流；南山高度较高，下沉气流强于北山。边界层参数化方案对空气质量模拟结果的影响边界层参数化方案对空气质量模拟结果的影响三三大大气气边边界界层层研研究究方方法法数值模拟（促进、指导、支持和补充）数值模拟（促进、指导、支持和补充）野外实验观测（直接获取资料，基础）野外实验观测（直接获取资料，基础）理论研究（纯理论、经验、半经验）理论研究（纯理论、经验、半经验）实验室物理模拟（可控制、可重复等）实验室物理模拟（可控制、可重复等）两大野外实验和一个数值实验两大野外实验和一个数值实验气气象象塔塔上上安安装装仪仪器器（快快速速响响应应的的仪仪器器和和直直接接测测量量边边界界层层通通量量的的仪仪器器）

8、；在在遥遥感感仪仪器器中中，声声雷雷达达和和调调频频连连续续波波雷雷达达都都是探测边界层的有力工具。是探测边界层的有力工具。1.WangaraPBL试验试验实实验验条条件件：澳大利亚Hay地区大范围平坦草地、有道路、河流、农田，110km95km试验计划的组成试验计划的组成：(1)气球基线测风和常规地面气象观测(2)无线电探空观测，小时一次施放探测边界层温度和湿度。(3)微气象观测）1,2,4,5,16m风廓线）1-2m，2-4m温差）净辐射连续纪录）地面热通量，测量器置于地下0.5cm层土壤里）日间，10高处直接测量热通量成果成果：研究近地面层，均匀下垫面上的通量梯度关系澳 大 利 亚 的

9、Wanggara实 验 和 美 国 的 Minnesota实 验 以 及Deardorff的大涡模拟实验。2.Minnesota实验实验试试验验条条件件：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：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。3.Deardorff的大涡模拟实验的大涡模拟实验 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

10、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lDeardorff J W.Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layer lDeardorff J W.An explanation of anomaloualy large Reynolds stresses withi the convective planetary boundary layerlDeardorff J W.Three-dimensional numerical study of

11、the height and mean structure of a heated planetary boundary layer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l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。涡动通量观测系统l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。温度/水汽廓线仪l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

12、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（51-59GHz）组成。土壤、植被参数监测系统土壤、植被参数监测系统l土壤热通量（土壤热通量（5 cm and 80 cm）l体积含水量（体积含水量（5,10,20,40 and 80 cm）l温度（温度（2,5,10,20 and 50 cm）1954年 MoninObukhov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。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1971年Wyngaard提出了局地自由对流近似，补充了近地面层相似理

13、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。l1、ABL物理结构的认识1971Clark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1976Kaimal根据美国Minnesota试验资料给出了ABL气象要素的垂直分布l2、湍流理论1915Taylor首次提出地球大气的湍流现象1

14、935Taylor提出湍流各向同性理论-统计理论基础1941苏联Kolmogorov量纲分析原理应用于湍流-“2/3律”l3、闭合理论1932Prantdtl根据混合长理论提出一阶闭合方案1951Rotta2阶1975Yamada等1.5阶1978Andre3阶l4、相似理论1954M-O相似理论-近地层1961Kazanskill,Rossby相似,建立了近地层与边界层之间的关系1970Deardorff提出了混合层相似原理1971Wyngaard将相似理论推广到对流边界层1984Neuwstadt提出局地相似理论-稳定边界层 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

15、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。l制约因素：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。l面临的主要问题面临的主要问题 （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五、大气边界层的研究进展五、大气边界层的研究进展平均量平均量快速涨落测量快速涨

16、落测量遥感测量遥感测量地表近地层地表近地层整个边界层整个边界层单一专题单一专题多目标、区域化多目标、区域化多学科综合全方位、多项目第一章第一章大气边界层概述大气边界层概述1大气边界层大气边界层2湍流湍流第二章第二章基本方程基本方程1基本统计方法基本统计方法2控制方程控制方程3通量和方差预报方程通量和方差预报方程4闭合技术闭合技术第三章第三章相似理论相似理论1相似理论的基础相似理论的基础2湍流动能和稳定度湍流动能和稳定度3中性近地层气象要素中性近地层气象要素的垂直分布廓线的垂直分布廓线4非中性近地层气象要素非中性近地层气象要素的垂直分布廓线的垂直分布廓线5近地层气象参数化近地层气象参数化第四章第

17、四章近地层大气湍流微结构近地层大气湍流微结构1湍流统计量湍流统计量2近地层大气湍流脉动标准差近地层大气湍流脉动标准差和湍流强度特征和湍流强度特征3湍谱的表示方法湍谱的表示方法4大气湍谱的研究大气湍谱的研究5地形对谱特性的影响地形对谱特性的影响第五章第五章定常条件下的边界层气象学定常条件下的边界层气象学1全边界层相似理论及应用全边界层相似理论及应用2阻力规律和热交换规律阻力规律和热交换规律边界层风分布的简单分析边界层风分布的简单分析Ekman理论理论4半经验理论在边界层中的应用半经验理论在边界层中的应用5对流边界层对流边界层6大气边界层高度和湍流交换系数大气边界层高度和湍流交换系数第一节：大气边

18、界层第一节：大气边界层大气边界层的定义、分层、结构、特点。第二节：湍流第二节：湍流湍流的定义、产生机制、研究方法及Taylor假说1.1.定义定义2.2.大气边界层的基本特点大气边界层的基本特点l运动的湍流性运动的湍流性 机械湍流机械湍流 热力湍流热力湍流l受下垫面影响：沙漠、土壤、植被、城市、水域受下垫面影响：沙漠、土壤、植被、城市、水域l日变化：边界层结构及气象要素的空间分布日变化：边界层结构及气象要素的空间分布ZB 1000mZS 0.1ZBZ0 1cm3.3.大气边界层的分层大气边界层的分层1.粘性副层（微观层）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。在

19、这一层中，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210-5m2/s）。典型的热通量值为0.2Km/s，由此计算的温度梯度为1.0104K/m，这相当于穿过1毫米厚的微观层的温差为10度。2.近地层（常通量层）：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。由于近地层很薄和湍流扩散强烈混合的结果，该层中动量、热量和水汽的铅直输送通量不随高度变化，同样原因，近地层中风向也不随高度变化。3.Ekman层（上部摩擦层）：层（上部摩擦层）：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l4.大气边界层的结构大气

20、边界层的结构海海洋洋上上：由由于于海海水水上上层层强强烈烈混混合合使使海海面面温温度度日日变变化化很很少少。此此外外，海海水水热热容容量量大大，海海面面温温度度日日变变化化不不明明显显，边边界界层层厚厚度度变变化化十十分分缓缓慢慢。边边界界层层厚厚度度的的变变化化重重要要是是由由天天气气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。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。（1）混合层混合层：（2）残残留留层层：日日落落前前半半小小时时，湍湍流流在在混混合合层层中中衰衰减减形形成的空气层，属中性层结。成的空气层，属中性

21、层结。（3）稳稳定定边边界界层层：夜夜间间，与与地地面面接接触触的的残残留留层层底底部部逐逐渐渐变变为为稳稳定定边边界界层层。其其特特点点为为在在静静力力稳稳定定大大气气中中有有零零散散的的湍湍流流，虽虽然然夜夜间间近近地地面面层层风风速速常常常常减减弱弱或或静静风风，但但高高空空200m 左左右右，风风却却由由于于低低空空急急流流或或夜夜间间急急流流能能达达到到超超地转风速。地转风速。图1.1 陆地高压区边界层主要包括三层：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。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5.边界层与自由大气的比较边界层与自由大气的比较性质边界层

22、自由大气层湍流整个高度都是无间断的湍流有零散的晴空湍流摩擦地地面曳力大，能量耗散大粘滞耗散小扩散水平和垂直方向湍流迅速混合分子扩散小，水平风向由于平均风作用迅速扩散风速近地层接近对数风廓线，是次地转的。接近地转风厚度几百米到2km之间边界层以上20km左右l边边界界层层：流流体体力力学学中中流流体体与与刚刚性性界界面面之之间间形形成一个运动限制与流体内部不一样的区域。成一个运动限制与流体内部不一样的区域。惯性力：粘性力：惯性力/粘性力：根据量级分析，作用于流体上的惯性力和粘性力可表示为：L和U0为流体运动的特征长度尺度和特征速度尺度第二节：湍流第二节：湍流（TURBULENCE）l当流体中发生

23、扰动时，惯性力的作用是使扰动从主流中获取能量；而粘性力的作用则是使扰动受到阻尼。在高Re数下，流体运动的惯性力远远大于粘性力。l1904年国际流体力学大师德国学者L.Prandtl通过大量实验发现，虽然整体流动的Re数很大，但在靠近物面的薄层流体内，流场的特征与理想流动相差甚远，沿着法向存在很大的速度梯度，粘性力无法忽略。Prandtl把把这这一一物物面面近近区区粘性力起重要作用的薄层称为边界层（粘性力起重要作用的薄层称为边界层（Boundarylayer）。一一 湍流湍流1.湍流的形成湍流的形成 流型转变流型转变Reynolds实验实验湍流流动现象，最早是由Reynolds在1883年成功地

24、做了著名的“Reynolds”实验圆管内的流动实验。l当Re12000时，为湍流流动状态。湍流时，流线不再呈现有规律的层状流动，而是杂乱无章地在各个方向上，以大小不同的流速运动，同时发生强烈的混合，总的流动方向还是指向下游方向。2.定义定义：湍流（紊流）指流场中某点流动速度的大小和方向随时间不规则地变化的流动。一一架架飞飞机机机机翼翼顶顶端端产产生生的的涡旋中的湍流涡旋中的湍流 当当层层流流遇遇到到障障碍碍物物时时转变为湍流转变为湍流 大气湍流大气湍流-区域区域大气底层的边界层内。对流云的云体内部。大气对流层上部的西风急流区内（盛行于西风带对流层上层或平流层中一股强而窄的气流。水平宽度几百公里

25、，垂直厚度几公里，长几千公里弯弯曲曲自西向东围绕整个半球）。大气湍流大气湍流-条件条件大雷诺数只是湍流发生的必要条件，大气湍流的发生还须具备相应的动力学和热力学的条件。动力学条件动力学条件：空气层中具有明显的风速切变；热力学条件：热力学条件：空气层必须具有一定的不稳定度，其中最有利的条件是上层空气温度低于下层的对流条件，在风速切变较强时，上层气温略高于下层，仍可能存在较弱的大气湍流。大气湍流大气湍流-尺度谱尺度谱l大气湍流尺度（时间尺度从0.0010.1小时），跨越了三个量级,如果把日变化（能量峰值在10小时附近）和天气系统的变化（能量峰值在100小时附近）考虑在内，则谱区将更宽。l大气湍流在

26、三个方向（顺风、横风和铅直方向）的尺度和强度都不同，说明它是非各向同性的。在一般情况下，它的铅直分量比水平方向的两个分量都小。在大气边界层中，湍流主要受地面的状态限制。l大气湍流扩散系数的数值和研究对象的尺度有关。大气湍流大气湍流-能量谱能量谱 能量串级理论局地各向同性：在逐级传输的过程中，外部条件的影响逐渐衰退，逐渐失去大尺度涡旋各向异性的性质，而趋于小尺度涡旋各向同性的性质，所以在实际大气中，湍流基本上是局地各向同性的。l小常识：飞行器在大气中飞行时有可能遭遇到大气湍流、晴空湍流以及湍流尾流。（1）大气湍流（atmosphericturbulence）：风速和风向经常改变的不规则的空气运动

27、，其重要性在于它能使大气搅动并混合，并使水汽、烟、其他物质以及能量分布在所有的高度上。（2）晴空湍流（clean-airturbulence）：晴空条件下，在7-12公里高空上出现的不规则气流。对飞机飞行有危害。湍流是急流附近大的风速梯度造成的，在该处移动迅速的空气紧挨着移动慢得多的空气。在山区上晴空湍流最猛烈。典型的晴空湍流多生成在高空急流（狭窄强风带）或风在垂直方向有显著变化的区域附近。遇有强风吹过山岭时，也可能生成晴空湍流。（3）湍流尾流（turbulencewake）：飞行器经过后引起的空气的不规则的运动，即在翼尖拖出的翼尖涡。翼尖涡的强度会随着时间而逐渐减弱。飞机在起飞或着陆时若处在

28、另一架大型飞机的尾流之中将是非常危险的，因此在放行飞机时要求有一定的时间间隔，并且先放行小飞机后放行大飞机。湍流不仅影响飞行的舒适性，有时还会对安全形成重大威胁。由于晴空湍流很难预报也难于用雷达观测所以对飞行的危害更大，1964年3月开始使用一种名为“猫谍”（CAT-SPY）的雷达装置，它能显示在飞机前方16公里处可能出现的湍流；至于湍流尾流只要注意飞行间隔则是可以避免的。二、Taylor假说l问题的提出：在进行边界层某个物理量的测量时，对空间某一点进行长期测量比较容易，而要进行瞬时大范围的观测比较难，这需要大量的物力和财力。l定理：在某些特定情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是冻结（凝固）的。这样，风速就可以用来把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应空间上的测量。l适用条件：湍涡发展的时间尺度大于它被平流携带经过探头所需的时间。假设有一个直径为100m的湍涡，涡前、后的温度为10oC、5oC，即涡的温度梯度为：某个时刻塔上传感器测得的温度为10oC，若平均风速M=10m/s，则10s后，传感器测的温度为5oC，则传感器得到的温度随时间的局地变化为：l对于任一变量，当d/dt=0，湍流是凝固的，而lTaylor假说一般的形式为：