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1、大气边界层概述,王成刚大气物理系,与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、“机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大小在随高度变化的同时，风向也随之变化。,大气边界层
2、内运动的主要特点就是其湍流性，大气边界层的Reynolds数是相当大的，流体几乎总是处于湍流状态，而且湍流度很大，可达20%左右。水平均匀地面上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其中近地面50100m范围内的一层称为“近地层”或“常通量层”(该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性次层，但通常不予考虑)，其中湍流动量通量可以认为是常值，平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用平板边界层模拟大气近地层的基础。,大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致的强烈的日变化。具体地说，白天和夜间的大气边界层结构有显著的不同。白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界层内的湍流运动使得这些热量
3、向上传递，空气处于不稳定层结状态，这时的边界层称为对流边界层，其厚度可达几百米甚至几千米；而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通量是向下的，空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为稳定边界层或夜间边界层，厚度较低，只有二三百米左右。下图是对流边界层和夜间边界层内的实测风速、温度分布，可见其结构是很不一样的。,不稳定,稳定,1999/10/5 08:00，北京露点和大气温度垂直分布,（逆温）,不稳定边界层风、温廓线,稳定边界层风、温廓线,夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温，严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演变规律，尤其是
4、确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是大气边界层物理研究的一个重要课题。过去人们对夜间逆温层已进行了大量的实验观测，基本特征是：在晴朗的夜间和均匀平坦的地面上，边界层逆温从日落后开始发展，随着时间的推移，逆温层厚度从零开始不断增长，但这种增长在后半夜逐渐开始减弱，直到第二天日出后停止，达到最大值。,夜间边界层温度垂直分布的演变,0,50,100,150,200,250,300,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,温 度（）,高度,2001年1月27日-28日逆温生消的演变过程,28日03时,28日10时,27日18时,（北京325米气象塔测量）,白天,0,50,100,150,
5、200,250,300,350,400,450,0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,逆温消失的时段，污染物易于扩散。,0,5,10,15,20,25,30,日出前,日落后,逆温层的存在使污染物难以扩散，形成堆积。,城 市 边 界 层 示 意 图,滞留的空气、大量的粉尘以及在建筑物密集地区上空的气流，导致在整个城市上空形成粉尘、烟雾的穹顶和热岛。,生 态 边 界 层 示 意 图,一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一个很困难的问题。有时，上界很明显，例如逆温盖，在盖子以下大气受下垫面影响很大，而在盖子以上则未受影响。但在通常情况下这种明显的界限是不存
6、在的，下垫面的作用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地，类似于流体动力学中边界层厚度的定义，定义大气边界层的上界为在这个界面上，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减小到地面值的很小一部分，例如1%。但有时 也以逆温层顶作为大气边界层上界。,总之，大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓冲地带，是由湍流能源 和能汇控制的区域。边界层一方面要对大尺度气压场(天气形势)作出响应，另一方面又要对下垫面的物理状况作出响应。因此，发生在边界层内的运动是非常复杂的。目前，人们已经对大气边界层的基本特征有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精确更全面的实验研究和更深入的理论探讨。,青藏高原,各种条件下的大
7、气边界层专项观测实验,南沙,北极,淮河,内 蒙,高精度梯度测量系统,近地面综合梯度观测,观测非均匀边界层 超声阵列测量（HATS计划）观测飞机 带平衡陀螺仪的汽艇 闪烁仪等 遥感观测,热量通量观测,辐射观测,青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量,北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验,海上大气边界层梯度观测,中国科学院北京325米气象塔,风 洞,遥感仪器及技术指标,风温廓线仪（LAP-3000）美国Radian公司,最高探测高度最低探测高度垂直空间分辨率测量范围精 度测量平均时间,风：20005000m温：10002000m100m 60m风速：040m/s温度：-3050风向：10风
8、速：1m/s温度：1风向：10360min,遥感仪器技术指标,相控阵声雷达（PA2）法国Remtech公司,最高探测高度最低探测高度垂直空间分辨率测量范围精 度测量平均时间,1000m60m20200m水平风分量：030m/s垂直风分量：15m/s水平风：0.2m/s垂直风：5cm/s260min,遥感仪器及技术指标,无线电声雷达(RASS)意大利Irone公司,最高探测高度最低探测高度垂直空间分辨率测量范围精 度测量平均时间,1000m100m10m-30400.1330min,法国 REMTECH公司最先进的低层大气风速、温度廓线测量仪,国际上最先进的边界层雷达（LAP5000）,汽艇,可移动小塔,湿度脉动仪,超声风速仪,第一代FA-11型,第二代UAT-1型,LAPC自行研制的超声风速仪,红外水汽脉动仪,湍 流 通 量 仪(FLUXMETER,REMTECH公司),可全天候长期稳定的测量:,等高阶湍流统计量,水 槽 试 验,危险天气条件下的边界层结构（北京）,高 度,时 间,最大风速：33.8m/s,遥感探测青藏高原边界层结构,北极地区的边界层结构,23成流冰开阔海域,34成冰浮冰海域,67成冰浮冰海域,当年冰大浮冰,多年冰大浮冰,中性边界层,卫星遥感观测结果,2000年7月30日5时36分北京城近郊区热岛状况遥感监测图,大气边界层结构可归纳在下面的模型图中,
