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1、1,1,边界层理论与陆面过程,大气科学学院2011级硕士研究生课程,主讲：陈海山教授,2,2,课程简单介绍,对流层下部有一层直接与下垫面作用，有摩擦（动力）、热交换（热力）、水汽交换等作用。,3,3,大气边界层是指离地面12公里范围的大气层最底下的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，它与天气、气候以及大气环境研究有非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交通、以及城市规划和生态环境保护等紧密相关。,动量、热量、水分、物质交换,4,4,（大气）边界层理论主要研究发生在大气边界层中的各种动力和物理过程。下边界：陆
2、面过程主要研究发生陆面的基本过程及其与大气间的相互作用。,大气边界层：大气与下垫面（陆地、海洋）之间形成的一个运动性质特殊的区域。,5,5,第一部分：（大气）边界层理论 阐述大气边界层基本概念和介绍理论、方程的基础上，讲解大气边界层研究的的特征、规律，试图给出大气边界层分析的一般方法。大气边界层概述大气边界层湍流基础大气边界层（大气湍流）的控制方程和稳定性参数近地层气象学及近地层相似理论（定常大气边界层）下垫面的能量平衡和热力强迫地表湍流通量的计算方法非定常大气边界层（大气边界层）非均匀下垫面大气边界层大气边界层的数值模拟和边界层参数化简介,课程讲授计划一,6,6,本部分重点介绍大气边界层物理
3、最基本的内容，包括大气边界层的特征，描述大气边界层的主要数学物理工具，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、数值模拟等。,参考书目：杨长新译 Rolad B.Stull边界层气象导论 气象出版社1991 Stull,R.B.1988：An introduction to boundary layer meteorology Kluwer Academic Publishers Garratt,J.R.1992：The atmospheric boundary layer Cambridge University Press赵 鸣等 边界层气象学教程 气象出版社 1991蒋维楣等 边界层气象
4、学基础 南京大学出版社 1994赵 鸣 大气边界层动力学 气象出版社 2004,7,7,第二部分 陆面过程 介绍陆面状况的基本特征、陆面过程及陆气相互作用的概念、原理；陆面参数化方案和陆面模拟的原理和方法。,课程讲授计划二,参考材料：孙菽芬 陆面过程的物理、生化机理和参数化模型气象出版社 2005,陆面过程概述陆面过程的重要性陆面过程参数化的主要内容和陆面模式的发展陆面的能量平衡陆面的水分平衡陆面的其他过程（植被的生物物理、生物化学过程、积雪、冻土过程）代表性陆面模式介绍陆面过程模拟陆面过程研究的最新进展和动态,8,8,第1讲 大气边界层概述,内容提要:大气边界层的基本概念、基本特征；大气边界
5、层的基本过程、作用及其大气边界层研究的重要意义；大气边界层的基本特征、结构；大气边界层研究的历史回顾、方法和应用情况。,9,9,一、大气边界层的基本概念,1、大气边界层的含义,大气边界层：大气与下垫面（陆地、海洋）之间形成的一个运动性质特殊的区域。,流体力学边界层：,10,10,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。大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气：（1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用；（2）地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日周期
6、的循环。,大气边界层(ABL)：Atmospheric boundary layer行星边界层(PBL)：Planetary boundary layer.,大气边界层的定义：,11,11,2、大气边界层的主要特征：（1）大气运动的湍流性,大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性。,风和气流的三种主要形态：平均风速波 动湍 流,12,12,大气边界层湍流：（1）机械湍流：风切变，机械运动（2）热力湍流：辐射特性的差异 白天：不稳定夜间：稳 定,13,13,（2）大气边界层的日变化,气象要素的空间分布具有明显的日变化（Diurnal Cycle),14,14,下垫面的作用:表面加热和
7、冷却的日循环引起热力稳定度的日变化，从而影响湍流混合和动量交换过程，进而边界层中风的分布。,不稳定边界层结构及其流场图象。（Wyngaard,1990),稳定边界层结构及其流场图象。（Wyngaard,1990),15,15,边界层结构明显的日变化,16,16,二、大气边界层过程、作用和重要性,1、边界层过程：湍流过程（1）湍流输送；（2）大气能量平衡；（3）层结和风,2、大气边界层在大气中的重要作用（1）水汽通量（2）感热通量（3）摩擦消耗（动量、动能汇区）气象要素的输送+大气污染物的输送,17,17,3、研究边界层的意义（重要性）,大气边界层研究与天气、气候、生态环境以及人类的生命和工程活
8、动密切相关。大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分是穿过大气后被地面吸收，然后通过边界层湍流输送给大气；霜、露和最高最低温度预报，实际上都是边界层预报；雾发生在边界层中；污染物大部分被阻挡在边界层中；到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的；云中的凝结核也是通过边界层输送上去的；雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气；大约50的大气动能被耗散在边界层中；海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一.,18,18,三、大气边界层的分层、厚度和垂直结构,1.大气边界层的分层,(1).粘性副层（微观层）,(2).近地层（常通量层）(3).Ekman层（上部摩擦层）,19,19,大气边界层
9、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：其中，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1.0104K/m，这相当于穿过1毫米厚的微观层的温差为10度。,20,20,(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).Ekman层（上部摩擦层）：在这一层
10、里，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。,21,21,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。边界层厚度的变化重要是由天气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。,边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。,2.大气边界层的厚度和结构,陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。,22,22,陆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。,（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
11、：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，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风速。,23,23,大气边界层的分类与特征不稳定边界层（对流边界层Convective boundary layer CBL,混合层Mixed layer ML）稳定边界层（Stable boundary layer,Nocturnal boundary layer）中性边界层（Neutral boundary layer）,不同类型陆地边界层的基本特征,24,24,四、大气边界层研究的发展历史、方法和意义,19
12、00-1910 Development of laminar boundary layer theory（Prandtl 1904).Ekman(1905,1906)Theory of laminar Ekman layer.1910-1940 Taylor develops basic methods for examining and understanding turbulent mixing Mixing length theory,eddy diffusivity-von Karman,Prandtl,Lettau1940-1950 Kolmogorov(1941)similarit
13、y theory of turbulence1950-1960 Buoyancy effects on surface layer(Monin and Obuhkov,1954)Early field experiments Turbulent flux measurements1960-1970 The Golden Age of BLM.Accurate observations of a variety of boundary layer types.Verification/calibration of surface similarity theory.,1、大气边界层研究的历史,2
14、5,25,1970-1980 Introduction of resolved 3D computer modeling of BL turbulence(large-eddy simulation or LES).Application of higher-order turbulence closure theory.1980-1990 Major field efforts in stratocumulus-topped boundary layers and land-surface,vegetation parameterization.Meso-scale modeling.199
15、0-The Age of Technology New surface remote sensing tools(lidar,cloud radar)and extensive space-based coverage of surface characteristics;LES as a tool for improving parameterizations and bridging to observations.Coupled ocean-atmosphere-ice-biosphere and medium-range forecast models create stringent
16、 accuracy requirements for BL parameterizations.Accurate meso-scale modeling for urban air flow;coupling to air pollution.Boundary layer-deep convection interactions,26,26,通常是采用理论和实验相结合，并以实验为主。理论上有以混合长理论和相似理论（量纲分析）为基础的半经验理论及以概率论数理统计为基础的湍流统计理论；在应用中又以半经验理论为主。实验方法则是以野外观测及室内模型实验同时进行。近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大气边界层的数值模拟研究方法成为一种常用的研究手段。,2、大气边界层研究的主要方法：,27,27,空气污染学农业气象学水文学航空气象学中尺度气象学天气预报和气候城市气象,大气（或行星）边界层在许多领域中的重要作用:,3、边界层理论的应用,28,28,大气边界层：湍流 大气边界层研究：湍流理论及应用湍流相似理论：边界层的廓线理论和通量理论 边界层方程.不同的湍流闭合模式 大气污染扩散：边界层的湍流场结构和时空分布应用：数值天气预报：边界层方程组/大气模式边界层参数化研究趋势：均匀下垫面 非均匀下垫面,
