大气边界层与边界层气象学研究.ppt

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1、第一章 大气边界层与边界层气象学研究,第一节 大气边界层及其特性,11 大气边界层（重点掌握）,10 km,12 km,自由大气,平流层,边界层,大气边界层(ABL)Atmospheric boundary layer行星边界层(PBL)Planetary boundary layer.流体力学定义 Prandtl（1904）首次引入空气动力学大气运动尺度分析角度定义,Orlanski(1975)尺度定义,大气科学中小尺度分类,200km 台风 Meso 尺度20km 200km 低空急流 Meso 尺度 2km 20km 重力波、地形 Meso 尺度200m 2km 对流 Micro 尺度

2、20m 200m 对流单体 Micro 尺度 2m 20m 烟气扩散 Micro 尺度 2m 湍流 Micro 尺度,定义：大气边界层位于对流层的最底部，由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种交换作用和地形的影响，致使湍流应力成为重要因子而不可忽略，与之相联系形成ABL。即直接受地面影响的那部分对流层，它响应地面的作用而且时间尺度为1小时或者更短。,有时ABL高度难以判断,12 风与气流（重点掌握）,平均风,波动,湍流,平均风：明显的日变化 风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度 一般量级：水平风为米的量级 垂直风为毫米-米的量级波动：有规则和

3、一定的周期变化，形式多样，常见：重力波、惯性波湍流：大气边界层的主要运动形态，剪切和不稳定特性等，湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。,13 湍流输送（重点掌握）,定义：湍流是叠加在平均风上的阵风，是一种随机的不规则运动。湍流响应地面作用及其变化，是动量、热量、水汽和物质从地面反馈进入大气并以时空混合的主要大气过程。湍流以各种尺度相互叠加的湍涡形式存在。,按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：,机械的或地面粗糙度的影响热力不稳定性 地表加热或冷却水平和垂直风切变波产生湍流 密度界面上的开尔文亥姆霍兹波,1-4 泰勒假说（掌握）

4、,欧拉，拉格朗日方法,主要内容,出发点:某点长时间观测易于瞬时大范围观测Taylor(1938):在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的.这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量,适用条件：各向同性湍流、平稳湍流、X方向空间均匀条件下可靠，湍强不太大,15 相似性参数（了解）,物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得到正确结果而且与实际大气系统可比较，则需要满足相似性条件几何相似运动学相似动力学相似热力学相似边界条件相似,座落于南京大学浦口校区的NJU大气环境风洞试验段内景照片,南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对

5、象，相似比250:1）,PIV测量技术（Particle Image Velocimetry)本质上是图像分析技术的一种。首先向流场中均匀播散示踪粒子，用脉冲激光照明流场中某一截面上的粒子，然后由CCD摄像系统曝光粒子的位置，从图像平面中粒子的位移可以确定流场中的位移。在获取了粒子图像之后，通过计算两次记录的相似程度来确定粒子的位移,对流边界层结构的水槽模拟实验,1-7 大气能量收支与温度（理解）,(1)辐射平衡,太阳短波辐射向下地表反射短波辐射向上地球表面长波辐射向上大气长波辐射向下,辐射四 分量仪,(2)能量平衡,下垫面能量平衡分配：QS+QA=QH+QE-QG QS净辐射 人为热源 感热

6、 潜热 储热 冠层内储存热量,QG,QS,QH,QE,夜间,QG,QS,QH,QE,白天,白天和夜间的能量平衡,Thinboundary,3 低层大气温度,气温垂直分布三种情形：气温随高度递减 气温随高度基本不变 气温随高度逆增,温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。,低层大气的温度变化,1-8 有关概念（重点掌握）,一 通量 通量：单位面积，单位时间某个量的输送 热通量和水汽通量：风速分量乘以热量和水汽含量,表示通过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。,热通量,水汽通量,动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三个方向。风速矢量有三个分

7、量（u、v和w），因此对于动量通量则具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向的动量输送，因而具有二阶张量性质。,湍流通量,二 应力,粘滞切应力雷诺应力,只有当气体处于湍流运动时才有雷诺应力，湍流能够把不同风速的空气混合进入我们所考虑的立方体。当这种不同速度的空气施加于立方体的一个面而未及于之相对的另一个面时，该空气块会因两个面间的速度差异而变形。根据定义，输送不同速度的空气穿过气块任一面的速率，刚好就是动量通量。也就是说，湍流动量通量的作用就象是应力，故称之为雷诺应力。,雷诺应力定义,雷诺应力定义,三 温度、位温、虚位温（自学）四 Boussinesq近似（自学）五 准静力

8、平衡（自学）,重点（理解，掌握）,大气边界层边界层中的风与气流湍流泰勒假说湍流通量雷诺应力,第二节 大气边界层结构,2-1大气边界层分层及结构(重点)垂直分层日变化高压 低压边界层,动量、热量、水分、物质交换,大气边界层的概念化分层,粗糙度层,混合层,局地自由对流层,近地面层(near surface layer)主要特征（P28）大气边界层最下面部分，受到下垫面影响最直接层内风速、温度和其余气象要素场随高度变化十分剧烈，存在有由地面粗糙度或摩擦作用产生的小尺度湍流以及地面增热造成的热力对流活动。各种湍流通量传输随高度变化而数值不变，称常通量层。一旦脱离该层，各个湍流通量传输将逐渐减弱，直至大

9、气边界层顶的极值风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响,激光雷达观测气溶胶粒子垂直分布,表面层,表面层,表面层,中午,日落,午夜,中午,日出,稳定,(,夜间,),边界层,夹,卷,层,残余层,夹卷层,云层,自由大气,盖顶逆温,大涡对流,混合层,混合层,陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原,先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。,高度,(m),2000,1000,0,边界层的发展具有明显的日变化特点（高压区、小风、无云条件）,对流边界层，稳定边界层，中性边界层白天：对流边界层 近地面层、混合层、夹卷层 夜间：稳定边界层 近地面层、稳定边界层、残留层强风（

10、12m/s）或阴天条件：中性边界层,不同时刻，大气边界层平均位温廓线,作业：请根据晴天、小风天气情况下从S1S6时刻的位温垂直廓线变化分析大气边界层结构的日变化,FA:自由大气层ML:混合层RL:残留层SBL:稳定边界层SL:近地层SCL:云下层,PBL结构变化特征：,见书上P3134：总之：分析大气边界层结构变化特征，具体问题具体分析。考虑天气条件，下垫面，地形以及季节、层结稳定度条件等的变化对大气边界层的影响。,2-2 爱克曼螺线和爱克曼层(了解),在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常，且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随高度变化的解，即为经典的Ekman风廓线解。可定性给出边界层运动的一

11、些性质，但并非很合适的解。,2-3 大气稳定度与PBL结构（逐渐掌握）,稳定度，采用M-O长度L作为判据 不稳定（对流）、中性、稳定,不稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard,1990),稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard,1990),盖帽逆温上部稳定层结中的波动及下部大对流湍涡,湍流层较浅层内存在显著平均梯度,风速极值分布湍涡尺度小,伴随叠加重力波,2-4 地面影响与PBL结构（了解）,动量通量热量通量水汽通量,地面的性质反照率、辐射率、粗糙度、热传导率、热容量、渗透率、植被阻抗等,边界层结构变化,下垫面不同，边界层结构不同！城市边界层、海洋边界层、极地边界层、沙漠边界层、绿洲边界层.,第三节 边界层气象学研究,边界层和自由大气比较,边界层研究主要方法（掌握）,理论研究观测试验物理模拟数值模拟,大气边界层的研究方法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。,