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1、边界层气象学教程,研究内容,研究方法,研究意义,研究进展,大气边界层,高度(km),每升高100m，气温降低0.65,O3,大气边界层？atmospheric boundary layer,定义 定义1.大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度为地面以上1km范围，以湍流运动为主要特征。定义2.靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层。从地表向上，其厚度随地面粗糙度和风速的增大或大气不稳定度的增强而增加，变化的范围在三四百米到一两千米之间。因该层内空气运动明显受地面摩擦作用的影响，又称摩擦层。就整个地球大气而言，该层只不过是紧贴地球表面的很薄的一层大气。一般而言，行星和行星大气之间，都存在因和
2、行星表面摩擦而引起的这种边界层，故又称行星边界层。表征现象：观察从烟囱冒出的烟气，其行迹紊乱，烟云边缘不断向下风向扩展。,一、研究内容,大气边界层研究的主要内容包括：1.大气边界层中的湍流特征；2.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；3.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；4.近地层湍流大气微结构、湍流统计特征；5.大气边界层的数值模拟。,二、研究意义,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
3、是通过大气边界层过程来实现的。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。污染扩散是在大气边界层中进行的。,Physics and Dynamics Options_Planetary Boundary layer(bl_pbl_physics),a.Yonsei University scheme:Non-local-K scheme with explicit entrainment layer and parabolic K profile in unstable mixed layer(bl_pbl_physics=1).b.Mellor
4、-Yamada-Janjic scheme:Eta operational scheme.One-dimensional prognostic turbulent kinetic energy scheme with local vertical mixing(2).c.Quasi-Normal Scale Elimination PBL(4).A TKE-prediction option that uses a new theory for stably stratified regions.New in Version 3.1.d.Mellor-Yamada Nakanishi and
5、Niino Level 2.5 PBL(5).Predicts sub-grid TKE terms.New in Version 3.1.e.LES PBL:A large-eddy-simulation(LES)boundary layer is available in Version 3.,（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,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
6、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,三 大气边界层研究方法,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）,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）,两大野外实验和一个数值实验,气象塔上安装仪器（快速响应的仪器和直接测量边界层通量的仪器）；在遥感仪器中，声雷达和调频连续波雷达都是探测边界层的有力工具。,1.Wangara PBL试验实验条件：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：(
7、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：研究近地面层，均匀下垫面上的通量梯度关系,澳大利亚的Wanggara实验和美国的Minnesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。,2.Minnesota实验试验条件：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：（1）提供了近地层以上
8、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 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Deardorff J W.Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layer Deardorff J W.An explanation of ano
9、maloualy large Reynolds stresses withi the convective planetary boundary layerDeardorff J W.Three-dimensional numerical study of 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,
10、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,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,土壤热通量（5 cm and 80 cm）体积含水量（5,10,20,40 and 80 cm）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
11、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。,1、ABL物理结构的认识1971 Clark用澳
12、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1976 Kaimal根据美国Minnesota试验资料给出了ABL气象要素的垂直分布2、湍流理论1915 Taylor首次提出地球大气的湍流现象1935 Taylor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”3、闭合理论1932 Prantdtl根据混合长理论提出一阶闭合方案1951 Rotta 2阶1975 Yamada等 1.5阶1978 Andre 3 阶,4、相似理论1954 M-O相似理论-近地层1961 Kazanskill,Rossby相似,建立了近
13、地层与边界层之间的关系1970 Deardorff 提出了混合层相似原理1971 Wyngaard将相似理论推广到对流边界层1984 Neuwstadt 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。,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。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
14、）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,平均量,快速涨落测量,遥感测量,地表近地层,整个边界层,单一专题,多目标、区域化,多学科综合全方位、多项目,第一章 大气边界层概述 1 大气边界层2 湍流,第二章 基本方程1 基本统计方法 2 控制方程3 通量和方差预报方程4 闭合技术,第三章 相似理论1 相似理论的基础2 湍流动能和稳定度3 中性近地层气象要素的垂直分布廓线4 非中性近地层气象要素的垂直分布廓线5 近地层气象参数化,第四章 近地层大气湍流微结构1 湍流统计量
15、近地层大气湍流脉动标准差 和湍流强度特征3 湍谱的表示方法4 大气湍谱的研究5 地形对谱特性的影响,第五章 定常条件下的边界层气象学 1 全边界层相似理论及应用2 阻力规律和热交换规律边界层风分布的简单分析Ekman理论4 半经验理论在边界层中的应用5 对流边界层6 大气边界层高度和湍流交换系数,边界层气象学教程,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：湍流湍流的定义、产生机制、研究方法及Taylor假说,第一章：大气边界层概述,1.定义2.大气边界层的基本特点运动的湍流性 机械湍流 热力湍流受下垫面影响：沙漠、土壤、植被、城市、水域日变化：边界层结构及气象要素的空间分布
16、,ZB 1000m,ZS 0.1ZB,Z0 1cm,3.大气边界层的分层,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。在这一层中，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）：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
17、.Ekman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,4.大气边界层的结构海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很少。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。边界层厚度的变化重要是由天气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。（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
18、低空急流或夜间急流能达到超地转风速。,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：流体力学中流体与刚性界面之间形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（TURBULENCE）,当流体中发生扰动时，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
19、远远大于粘性力。1904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把这一物面近区粘性力起重要作用的薄层称为边界层（Boundarylayer）。,一 湍流1.湍流的形成 流型转变Reynolds实验 湍流流动现象，最早是由Reynolds在1883年成功地做了著名的“Reynolds”实验圆管内的流动实验。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
20、强烈的混合，总的流动方向还是指向下游方向。,2.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。,一架飞机机翼顶端产生的涡旋中的湍流,当层流遇到障碍物时转变为湍流,大气湍流-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，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-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：空气层中具有明显的风速切变；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
21、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-尺度谱大气湍流尺度（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。,大气湍流在三个方向（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。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-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
22、，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。,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（atmospheric turbulence）：风速和风向经常改变的不规则的空气运动，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-air turbulence）：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
23、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（turbulence wake）：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
24、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 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。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。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：,对于任一变量，当d/dt=0，湍流是凝固的，而Taylor假说一般的形式为：,
