1第一章大气边界层概述
大气边界层的垂直结构_解释说明以及概述
大气边界层的垂直结构解释说明以及概述1. 引言1.1 概述大气边界层是指大气与陆地或海洋接触的那一部分，它对于气候系统以及人类活动具有重要的影响。
大气边界层垂直结构的研究是了解大气运动、传输过程和能量交换的关键所在。
通过深入了解大气边界层的垂直结构，我们可以更好地理解和预测天气现象，并对环境保护和工业污染控制等方面提供科学依据。
1.2 文章结构本文将首先介绍大气边界层的定义和特征，包括其高度范围、温度和湿度变化规律以及风速和风向变化特点等。
然后，我们将讨论影响大气边界层垂直结构的因素，如地表状况、太阳辐射、大尺度环流等。
随后，我们将介绍常用的测量方法，包括探空观测、激光雷达和卫星遥感等技术手段。
在此基础上，我们将解释说明垂直结构中温度、湿度、风速和风向变化的规律，并探讨热力过程对垂直结构的影响机制。
接下来，我们将概述现有的研究成果，介绍典型的研究案例并总结其结果和讨论。
最后，我们将对当前研究进行评估，指出研究中存在的不足之处，并展望未来可能的发展方向。
1.3 目的本文旨在全面了解大气边界层垂直结构，并提供一个综合性的概述。
通过对该领域的深入探索和分析，我们可以更好地理解大气运动、能量交换和风险传播等过程，并为相关学科的发展提供科学依据。
此外，本文还旨在总结现有研究成果并揭示其中不足之处，为未来进一步深入研究提供参考和指导。
2. 大气边界层的垂直结构2.1 定义和特征大气边界层是指地球表面上方高度大约为0-10公里之间的一层大气区域，与其上方的自由大气相隔开来。
它是地球上最接近地面的一层大气，并且具有明显的特征和变化。
大气边界层的垂直结构可以分为以下几个层次：地面边界层、混合层、风向风速级和逆温层等。
- 地面边界层：位于地表附近，高度约为0-1公里。
在这一层中，空气受到地表摩擦的作用而发生湍流运动，形成了强烈的垂直湍流混合，在这个过程中热量、湿度和颗粒物等物质被混合扩散。
- 混合层：位于地面边界层之上，高度约为1-3公里。
台风形成的大气边界层过程
台风形成的大气边界层过程引言台风是一种强烈的热带气旋，对于许多沿海地区来说都是一种常见的自然灾害。
了解台风形成的过程对于预测和防范台风具有重要意义。
台风形成的过程包括大气边界层的一系列复杂变化。
本文将探讨台风形成过程中大气边界层的关键环节。
大气边界层的概述大气边界层是指地球表面与自由大气之间的区域，它对于气候模式和天气系统的形成至关重要。
大气边界层的特征包括温度、湿度、气压和风速的变化。
在台风形成过程中，大气边界层的变化起着重要作用。
大气边界层的结构大气边界层通常可以分为三个层次：地面层、混合层和准静止层。
1.地面层：指离地表约1.5公里以下的区域，受到地表影响最为显著。
地面层的温度和湿度变化较大。
2.混合层：位于地面层之上，高度约为1.5公里至4公里。
混合层内的气体混合程度较高，温度和湿度的变化相对较小。
3.准静止层：位于混合层之上，高度约为4公里至15公里。
准静止层内的气体流动较为缓慢，温度和湿度的变化相对较小。
台风形成的过程台风形成的过程需要满足一系列气象条件和动力过程。
1. 气象条件台风形成的气象条件包括足够高的海水温度、弱的垂直风切变和足够的湿度。
这些条件有助于产生热带扰动，为台风的形成提供了基础。
2. 热带扰动热带扰动是台风形成的前兆。
当气象条件合适时，海洋表面上的热量会导致空气的上升，形成一个低压区域。
这个低压区域会吸引周围空气进一步上升，并逐渐形成一个热带扰动。
3. 热带扰动的增强热带扰动在与海洋表面的相互作用中逐渐增强。
海水蒸发导致热量释放到大气中，进一步加强了热带扰动。
此时，热带扰动会逐渐形成一个闭合的环流，也称为热带低压。
4. 台风的形成当热带低压进一步发展并且达到一定标准时，它会被升级为台风。
台风的形成与大气边界层的变化密切相关。
大气边界层的水汽能量提供了台风形成所需的燃料。
4.1 气流的对称性台风形成过程中，大气边界层内的气流逐渐变得对称。
气流的旋转围绕着台风的中心，并且逐渐向上升高。
大气边界层
大气边界层气流过地面时，地面上各种粗糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后便可忽略。
此高度称为大气边界层厚度，它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化，大致为300～1000米。
直接受到地表作用力影响的大气对流层，有时也称为行星边界层。
这些作用力包括摩擦，加热，蒸发，蒸散和地形影响等。
大气边界层的厚度随时间空间变化而有明显差异，可由数百公尺至一，二公里。
大气边界层之上成为自由大气。
白天地表受到太阳照射加热，温度升高；晚上则因为地表长波辐射冷却作用而降温，使得接近地表的气温呈现日变化，这种日变化是陆地上大气边界层的主要特征。
由于海水的比热大，以及海洋上层海水强烈的混合作用，使得海水表面温度日变化不明显，所以海上大气边界层的日变化也不明显。
气温日变化的振幅大小随着高度的增加而很快减小，自由大气的日变化则很小。
乱流旺盛也是大气边界层的重要特性。
无论在陆上或海上，在高压区域因为气流沉降，边界层厚度通常比在低压区小。
在陆上高压区域，大气边界层的日夜演化，结构常比较清晰，主要包括混合层，剩余层和稳定边界层。
日出后地表受热，热空气上升，冷空气下降，对流逐渐加强，各种性质近乎均匀的混合，古称之为混合层，也称为对流边界层。
在混合层内为不稳定的大气，其乱流主要有对流作用主导。
日出后混合层很快发展，到了下午一，二点左右，混合层高度达到最高。
日落后，地表受热停止，使得混合层内的乱流强度减弱，原来为不稳定的大气，逐渐转为中性的大气；此为白天混合层的残余，故称之为剩余层。
日落后，地表以长波辐射冷却，逐渐降温，在地表形成逆温，发展成为夜间地面逆温层，这一层大气非常稳定，故称之为稳定边界层，层内的乱流强度很微弱。
在稳定边界层之上即为剩余层。
夜间地面的风通常是微风或静风，但在稳定边界层顶常会出现很强的风速，这种现象称为夜间低层喷流。
无论在混合层或稳定边界层，从地表到约十分之一边界层厚度附近的热通量，水气通量和应力随高度的变化不大，这一层被称为地面层，或等通量层。
边界层的概念和特点
边界层的概念和特点边界层是指在地球物理学中，大气界面和地面之间的一层气体。
在气象学上，边界层是指从地面到一定高度范围内，风速、温度、湿度等各种大气参数发生显著变化的区域。
边界层的高度通常为未来数小时预报所需要的范围内。
1. 逐渐递减的风速：在边界层内，风速逐渐递减。
开始时，风速最大并且逐渐降低。
具体的风速变化取决于地面和大气层的性质和情况。
2. 温度和湿度梯度：边界层内的温度和湿度呈现出明显的梯度变化。
一般来说，地面处温度最高，高层温度逐渐降低。
除此之外，空气湿度在边界层内也会发生变化。
具体变化也是因地而异的。
3. 乱流增大：边界层内的乱流比较显著。
在这里空气流动不是平稳的，而是发生着强烈的乱流。
气体不能在水平方向上自由扩散，而是在各种水平方向逐渐混合。
4. 光学特性不同：由于边界层内存在着大量悬浮的尘埃和气体，它具有不同于上层大气的光学特性。
这使得大气边界层对光的透过率发生了变化。
边界层在气象、环境科学、气候变化等领域具有重要意义。
较为典型的是它与交通工具有关的影响。
由于边界层内的风速变化大，乱流强，而车辆在受到这种影响的同时会发生摩擦热，从而可以推测车辆的燃油效率、稳定性和舒适性。
在电力行业，边界层的变化也会影响线路的温度和表面附着物的变化，从而影响电力传输的效率和稳定性。
同样，边界层的湿度和风速也会对农业和林业造成影响。
总之，边界层是一个非常重要和复杂的概念。
对于气象学家、大气化学家、环境工程师、天气预报员、交通工程专家等专业人士来说，了解边界层的基本原理、特点和影响就显得尤为重要。
第一章 大气边界层与边界层气象学研究
T ：实测的温度
e、P ：当时的水汽压、大气压
Tv > T
密度：水蒸汽 < 干空气 浮力：未饱和湿空气 > 干空气
绝对温度T
<
虚温Tv
3. 虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有云 的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中悬 浮的云滴会引起虚位温的降低。对于饱和空气而言 （存在云的情况下），定义虚位温θv为：
森林-10月14日 Qe<Qh
6:00 12:00 18:00 0:00
Qs：太阳辐射 Qh：显热通量 Qe：潜热通量 Qg：土壤热通量
3 低层大气温度
气温垂直分布三种情形： ① 气温随高度递减 ② 气温随高度基本不变 ③ 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。
Ro U fL
惯性力 f ：柯氏参数 （地转偏向力）
柯氏力
Ro大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响 可不计。Ro趋向无穷大Ro自行满足
Ro≤1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略
1.5 相似性参数
3. 弗罗德数（Fr）相似性
Fr U
2
惯性力 g ：重力加速度
gL
重力
Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或<<1），重力影响大，不可忽略
u
u
) 0.5
1.5 相似性参数
• 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
边界层概念及特点
边界层概念及特点边界层是指在流体内部，例如大气或水流中，与相邻固体表面接触的一层流体。
边界层在自然界和工程中都具有重要的作用，因此对边界层的研究具有重要的意义。
在流体动力学和传热传质学中，边界层的研究已经成为一个重要的领域，对于工程设计和天然环境中的流体现象都有着重要的影响。
1.边界层的概念边界层的概念源于流体力学的研究，在流体内部，与固体表面接触的一层流体受到了固体表面的影响，使得其动力学特性和传热传质性质与流体主体产生了巨大的差异。
在这一层中，流体的速度和压力梯度都会发生明显的变化，同时流体的湍流运动也会受到较强的影响。
边界层的概念在不同领域有着不同的应用，例如在空气动力学中，边界层的研究对于飞机的设计和性能具有重要的影响；而在海洋学和水力学领域，边界层的研究对于水下船舶和海洋平台等工程的设计和运行也具有着重要的意义。
2.边界层的特点边界层的特点主要包括以下几个方面：（1）速度剖面在边界层中，流体的速度会随着距离固体表面的距离而发生变化，即速度剖面。
通常情况下，离固体表面越近，流体的速度越小，而在边界层的外部，速度会逐渐趋近于自由流体的速度。
因此，由于速度的变化，边界层中流体的剪切应力也会增大，导致流体的粘性效应变得非常明显。
（2）湍流运动在边界层中，由于流体的速度剖面和压力梯度的变化，流体会发生湍流运动。
边界层中的湍流流动使得流体的动量和热量传递变得非常高效，因此具有很高的传热传质性能。
同时，湍流流动也会导致边界层中的流体阻力增大，这对于流体的运动和弥散具有重要的影响。
（3）传热传质边界层中，由于流体的湍流流动和速度剖面的变化，流体的传热传质性质也会发生明显的变化。
边界层中的传热传质过程具有着较高的传递效率，因此在工程和自然环境中具有着非常重要的应用。
例如在换热器或者传质设备中，边界层的传热传质特性对于设备的性能和效率都有着重要的影响。
（4）结构特性边界层结构对流体的运动和传热传质过程具有着决定性的影响。
第1章 大气边界层
z
=
z0
时仍满足对数分布规律：
∂V ∂z
z = z0
=
V* kz0
又∵
∂V ∂z
β = z = z0
V* z01−ε
∴ β = kz0ε
l
=
kz
⎛ ⎜ ⎝
z z0
⎞−ε ⎟ ⎠
（1.13） （1.14）
6
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
(u
+
iv)
=
−if
ug + ivg
（1.22）
为求解方便，取
x
轴平行等压线，则
∂p ∂x
=
0, vg
=
0 （即此时地转风只有东西向分量），有
kz
∂2V * ∂z 2
−
ifV
*
=
−ifug
（1.23）
或
kz
d 2V * dz 2
− ifV *
=
−ifug
（1.23）’
方程的性质：一元二次非齐次常微分方程
) >> ∂ (
) ∂(
,
)。
∂z
∂x ∂y
5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。
4 Ekman 层的主要特点
2
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。
第一章-大气边界层与边界层气象学研究
流体力学的边界层厚度 ：即流体速度达到99%自由流体速度u0 的位置：
在这一边界层，存在动量亏损、能量亏损。 流体力学边界层的范围很宽，如飞机机翼等不规则形状。
用流体力学方法对大气边界层定义，可行吗？
1、实际大气存在地转偏向力，风速、风向随高度有剪切作用， 二维问题 变为 三维问题。
湍流产生的能量来源
小尺度 （<10km）
水平和垂直风切变 热力不稳定性 地面粗糙度
中尺度
大尺度
（10—1000km） （>1000km）
云形成过程中的潜热 释放
气流在地形、城市、 岛屿上方的流动
由于太阳辐射加热造 成的纬向变化造成的 区域气流的水平不稳 定性
气流在具有明显特性 变化的下垫面上流动， 如陆-海风
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。
1.3 湍流输送
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。
白天
－QS
QH QE
Thin boundary evaporation QG
夜间
－QS
QH QE
condensation QG
－QS=QH+QE-QG
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图1.1 陆地上空的边界层，主要包括强湍流混合层、 弱湍流残留层和有分散湍流的夜间稳定边界层
四. 研究意义 空气之间各种属性的交换，主要是通过大气边 界层进行的，因而边界层气象的研究，显得非 常重要，一方面有基础意义，是大范围天气过 程形成的背景和基础。另一方面又广泛的应用 价值，人类活动主要在边界层，例如环保、农 田、水利、资源开发、交通、城建等与国计民 生有关的重大课题都与边界层气象密切相关。
主讲人 张镭 教授
2010.8.
说明：
专业基础课，计划学时36，2学分 总评成绩=作业+考勤+考试 教材，基本内容 1 - 4章，适当增减
主要参考书
1. 赵鸣，苗曼倩，王彦昌，边界层气象学教程，气象出版社，1991 2. Sutton, O. G., 1953, Micrometeorology.中译本，微气象学，高教出 版社，1959 3. 莱赫特曼，D. Л., 1973, 中译本，大气边界层物理，科学出版社， 1982 4. Haugen, D.A. edit, 1973, Workshop on Micrometeorology.中译本， 微气象学，科学出版社，1984 5. Stull, R. B., 1988, An Introduction to Boundary Layer Meteorology. 中译本，边界层气象学导论，气象出版社，1991
T QH z
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1.0104 K/m，这相当于穿过1mm厚层的温差为10K。
在骄阳似火的夏日，即使当时的气温只有25或30度，假如赤 脚通过黑色的柏油马路，同地面表层一接触就感到灼热。灼 热的表层温度可以使最低层几毫米的空气产生很大的温度梯 度。
五．边界层大气特征及其运动特征 1. 研究边界层大气湍流力学问题，必须充分考虑大气的 重要特征 （1）大气是运行的半无限介质，受地表面的作用发生 湍流运动。作为下边界条件的地球表面，其热力和动 力性质十分复杂，地表几何形状极不规则，吸热率和 导热率等热力学性质各不相同。例如，有海洋、陆地， 而陆地上又有草原、沙漠等等不同。因而地表不只是 消极的阻碍大气运动的边界面，而且是积极地向大气 提供热能和水汽的“源”。
3. Ekman层（上部摩擦层）：从近地层以上到1-1.5km。 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。
以上三层总称为大气边界层(ABL)或行星边界层(PBL)。 在ABL以上，下垫面对大气的影响可忽略不计，气压 梯度力和科氏力达到平衡，为自由大气。 三．边界层厚度和结构
（2）大气是非均匀介质，大气密度随时间空间
而变化，特别是铅直方向密度不均一。
（3）大气湍流运动尺度分布非常宽阔，10 -2 m-
103m，甚至106m。大气湍流现象是大小悬殊不
同的湍涡共同作用的结果
2．由于上述特点，得到边界层大气运动必须考虑的主 要特征 （1）地球自转的影响 —引入科氏力 （2）大气密度不均匀，特别是在铅直方向不均匀。 （3）大气运动的水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅 层流体。 （4）主要是湍流运动 —运动方程中增加湍流项。 这些主要特点，也是研究边界层大气湍流的困难所在： 由于边界条件的复杂性，很难求出准确地分析解；由 于实际大气中湍涡的尺度很宽，限制了应用室内物理 模拟实验的可能性，必然以外场观测为主。
8. 赵鸣，大气边界层动力学，高教出版社，2006
主要参考杂志
1. 2. Boundary Layer Meteorology Journal of Geophysical Research -Atmospheres
3.
4. 5.
Geophysical Research Letters
Atmospheric Chemistry and Physics, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions Journal of Applied Meteorology
6.
7. 8.
Journal of Atmospheric Sciences
Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society Journal of Meteorological Society of Japan
9.
10. 11. 12.
Advances in Atmospheric Sciences
研究微尺度大气现象、大气运动基本规律。
研究边界层必然包括研究微尺度过程。因
此，二者基本上是同义语。
二．大气边界层分层
1. 粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大 于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一 层的典型厚度1cm—几个cm，因此对多数实际问题 而言，可以忽略它。
粘性副层中由分子输送的热通量可表示为：
6. GarБайду номын сангаасatt, J. R., 1992, The Atmospheric Boundary Layer, Cambridge University Press, UK
7. Oke, T. R., 1987, Boundary Layer Climates, Methuen Co. Ltd, USA
2. 近地层（常通量层）：从粘性副层到50-100m，这 一层大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压 倒优势作用。 由于近地层中湍流强烈混合的结果，各物理属性的 铅直输送通量近似为常值，故又称为常通量层。
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，气压梯度力可略。
边界层气象学
(BLM: Boundary Layer Meteorology)
气象学的一个分支，研究边界层大气的物理 现象、物理结构、运动规律（运动学、动力 学、能量转化等）及其应用方法的一门学科。
大气运动尺度划分为全球、区域、中、小
尺度、微尺度。于是有一门主要研究微尺 度气象学的分支，微气象学。 微气象学(Micrometeorology)
1. 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。边界层厚度的变化主要是 由天气、中尺度垂直运动和不同气团平流引起的。
2.陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结 构。见图1.1 （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，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，但在200m左右高度，可能出现低空急流或夜间 急流，达到超地转风速。
数值模拟必须以实验为基础，否则闭合方向不 确定；模拟结果必须再次受到观测资料的检 验。
观测+分析+数值模拟
七、发展概况
大气边界层系统的研究工作开始于20世纪初， 开始时，主要研究近地面层。 国内研究始于20世纪30年代。
结合研究成果看，20世纪50年代有Sutton的《微气象学》。
1960年代以后，着重于近地层以上的Ekman层的研究，进 行了一系列规模较大的外场实验： 澳，Hay, 1967；美，Kansas, 1968; Minnesota,1973 采用了声雷达，超声风速仪，红外遥感，飞机探测；数 值模式。这些实验在《气象学与原子能》中有介绍。 1970年代以来，探测手段进一步发展、完善，较为系统的著 作：美国气象学会的《微气象学》; Panofsky, H. A. 等的 《大气湍流》； Stull, R. B.的《边界层气象学导论》; Garratt, J. R., The Atmospheric Boundary Layer, 等。期 刊 BLM, -Kluwer Academic Publishers.
六．边界层气象学研究方法 原则：理论与实验相结合，且以实验为主。 1 理论方法 半经验理论：以混合长理论和相似性理论为基础 湍流统计理论：以概率论与数理统计为基础
2 实验方法
外场实验：野外定点观测，飞机观测，跟踪观测 室内模拟实验：风洞，水槽 3 实验-理论方法 数值模拟，数值试验
闭合问题的困难，---近似，对支配方程的近似
Tellus Nature, Science 大气科学，气象学报，高原气象，应用气象学报，热带气象学，…
第一章 大气边界层概述
基本概念； 边界层分层；厚度、结构； 边界层大气及其运动特征； 研究意义、方法、发展
一．基本概念
大气边界层 (ABL: Atmospheric Boundary Layer) 离地面约1km以下的大气层，这层大气受 地表面热力和动力影响很大，不能忽略。 （而边界层以外的大气受地面影响微弱，可 以忽略，称为自由大气） (PBL: Planet Boundary Layer)