大气边界层物理过程研究
大气边界层中的湍流湍流衰减分析
大气边界层中的湍流湍流衰减分析大气边界层是指大气和地表之间的相互作用区域，是大气中湍流产生和传播的重要区域。
湍流在大气边界层中存在着湍流能量的传递和湍流衰减的过程，对大气层的运动和气象现象有着重要影响。
本文将探讨大气边界层中湍流的衰减机制及其分析方法。
一、湍流衰减的机制湍流在大气边界层中的衰减主要受到以下几个因素的影响：1. 摩擦：地表的摩擦作用能够减弱湍流能量的传递，使湍流能量逐渐转化为内能而减弱。
2. 湍流混合：湍流传播过程中，不同高度上的气体发生混合，导致湍流的衰减。
3. 温度变化：温度的垂直变化会导致湍流的衰减，温度层结不利于湍流的发展。
二、湍流衰减的分析方法为了分析大气边界层中湍流的衰减情况，研究者们提出了多种方法和模型，下面介绍一些常用的分析方法：1. 相关性分析：通过分析湍流之间的相关性，可以了解湍流的传播和衰减过程。
相关性分析可以通过测量湍流速度、温度等参数的时间序列数据，并进行相关性计算得到。
2. 地面观测：利用地面观测站点测量湍流参数，如湍流强度、湍流能谱等，通过对观测数据的分析可以得到湍流衰减的信息。
3. 模型模拟：建立湍流衰减的数学模型，通过模拟计算得到湍流在大气边界层中的传播和衰减过程。
常用的模型包括Reynolds平均Navier-Stokes方程和湍流动能方程等。
三、湍流衰减的研究进展近年来，随着观测技术和数值模拟能力的提高，湍流衰减的研究取得了一系列重要的进展：1. 精细观测：通过使用多种精密仪器和观测手段，可以获取更准确的湍流参数数据，从而推动湍流衰减的研究。
2. 大气模式模拟：利用大气模式模拟湍流在大气边界层中的传播和衰减过程，可以揭示湍流衰减的物理机制和动力学过程。
3. 数据分析和统计方法：结合数据分析和统计方法，可以对湍流衰减进行更全面和系统的研究，为湍流的预测和控制提供理论依据。
综上所述，湍流在大气边界层中的衰减是一个复杂的物理过程，受到多种因素的影响。
大气边界层物理研究进展
Ｏｖｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ Ｒｅ ｃ ｅ ｎ ｔ Ｓ ｔ ｕｄ ｉ ｅ ｓ ｏ ｎ Ａｔ ｍｏ ｓ ｐｈｅ ｒ ｉ ｃ Ｂｏ ｕｎｄａ ｒ ｙ Ｌａ ｙ ｅ ｒ Ｐｈｙ ｓ ｉ ｃ ｓ
ａ ｎ ｄ Ａｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ Ｅｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ＬＡＰ Ｃ
摘
要
本文总结 了近 ４年来 （ ２ ０ ０ ９ ￣２ ０ １ ２ ）中国科学 院大气物理研究所大气边 界层物 理和 大气 化学国家重点实
验室在大气边界层物理理论、观测 实验 、数值模拟和超 声风速温度仪 等仪器研 制领域的主要研究进展 ，并对未来
几年 内大气边 界层 物理的发展方向提出了一些建议 。 关键词 大气边界层 大气湍流 超声风速温度仪 中图分类号 Ｐ ４ ０ ４ 文献标识码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ ６ － ９ ８ ９ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ０ ４ ６ ７ － １ ０ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ８ ７ ８ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ － ９ ８ ９ ５ ． ２ ０ １ ２ ． １ ２ ３ １ ５
Ｊ ｉ ａ ｎ ｗ ｕ ， Ｗａ ｎ ｇ Ｌ ｅ ｉ ， ｅ ｔ ａ １ ． ２ ０ １ ３ ． Ｏ ｖ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ Ｌ Ａ Ｐ Ｃ［ Ｊ ］ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
大气边界层中的扩散与传输过程研究
大气边界层中的扩散与传输过程研究大气边界层是地球上最底部的大气层，其高度一般在地表以上1至3千米之间。
在这个层次内，空气与地表之间的物质和能量交换非常活跃，特别是涉及扩散与传输的过程。
本文将探讨大气边界层中的扩散与传输过程的研究，并对相关方法和影响因素进行分析。
一、扩散与传输的定义大气边界层中的扩散是指在水平和垂直方向上，气体、颗粒物等污染物在大气中的无规则传播和混合过程。
扩散的速率和路径取决于许多因素，包括风速、温度、湍流强度等。
传输则指扩散过程中物质在大气中的移动和传递，可以是由污染源向远处传输，也可以是从高空向地表传输。
扩散与传输过程的研究可以帮助我们理解大气污染的形成和传播规律，从而采取相关措施来减少污染物的排放和影响。
二、扩散与传输的研究方法1. 实地观测：通过设置观测站点，采集大气层中的样本，并进行分析和测量。
实地观测可以提供真实的大气条件下的数据，并帮助我们分析扩散与传输过程中的细节和特点。
常见的实地观测方法包括气象探空、气象雷达以及空气质量监测等。
2. 数值模拟：利用计算机模型对大气扩散与传输过程进行模拟和预测。
数值模拟可以通过建立物理模型和数学方程来模拟大气层的运动和混合过程，从而得到具体的扩散与传输结果。
数值模拟方法可以有效地预测不同条件下的扩散和传输情况，为环境管理和决策提供数据支持。
三、扩散与传输的影响因素1. 风速和风向：风是大气边界层中扩散与传输过程的主要驱动力之一。
风速和风向的变化会直接影响扩散和传输路径的分布和范围。
2. 温度和稳定度：温度和稳定度与大气密度和湍流强度有关，对扩散与传输的效果有重要影响。
不同的温度和稳定度条件下，扩散和传输的速率和范围都会发生变化。
3. 地形和大气层结：地形和大气层结也会对扩散与传输过程产生显著影响。
山脉、山谷和海洋等地形特征可以改变风的速度和方向，从而改变扩散和传输的路径。
四、扩散与传输的应用扩散与传输过程的研究对环境保护和空气质量改善具有重要意义。
大气边界层高度测量方法研究及比较分析
大气边界层高度测量方法研究及比较分析在大气科学研究中，大气边界层高度的测量是至关重要的。
边界层高度是指大气中温度、湿度、风速等物理特性发生显著变化的区域，对于气象预报、空气污染监测、气候变化研究等都具有重要意义。
本文将研究和比较几种常用的大气边界层高度测量方法。
一、大气边界层高度的重要性大气边界层是指气象学上特指地球大气直接受大气地面相互作用影响的底部大气层。
边界层高度的变化与大气中的温度、湿度、气压和风速等物理参数的垂直分布密切相关。
准确测量大气边界层高度有助于了解大气层的垂直结构和变化，进而提高天气预报的准确度。
二、常用的大气边界层高度测量方法1. 气象雷达法气象雷达法是通过雷达测量附近的云层、积雨云或大气湿度变化来确定边界层高度。
该方法具有测量范围广、实时性强的优点，适用于大面积的边界层高度探测。
2. 气象探空法气象探空法是通过使用气象探空仪，将探空仪悬挂在气球上并释放到大气中，记录高度和大气参数的变化。
这种方法能够提供边界层高度的垂直剖面，并且在可用性和准确性方面具有优势。
3. 激光测量法激光测量法是通过激光束向大气中发射，通过测量激光的散射和反射来确定大气边界层高度。
该方法具有非接触式测量和高精度测量的优点，但受到天气和环境条件的限制。
4. 遥感卫星法遥感卫星法通过使用卫星传感器来观测大气的物理特性，如温度、湿度和云量等，从而确定边界层高度。
这种方法具有全球范围内的监测能力，但分辨率较低，无法提供较高精度的边界层高度数据。
三、不同方法的比较分析以上介绍了几种常用的大气边界层高度测量方法，它们各自具有优缺点。
选择合适的方法取决于应用的具体需求。
例如，气象雷达法适用于大范围的边界层高度探测，而遥感卫星法则更适合全球范围的监测。
此外，测量方法的实用性和准确性也需要考虑。
气象探空法具有较高的精度和垂直分辨率，但需要人力物力投入较大。
激光测量法在非接触式测量和高精度测量方面具有优势，但受到天气和环境条件的限制。
大气边界层物理
研究意义
地面的摩擦作用，使大气边界层成为大尺度运动动能的汇（见大气角动量平衡）。地面的物理量，如动量、 热量、水汽含量等，向自由大气的输送，都要通过边界层，从这种意义上讲，大气边界层又是向大气输送物理量 的源。因此关于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。
感谢观看
当流体在大雷诺数条件下运动时，可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据 边界层的这一特点，简化纳维－斯托克斯方程，并加以求解，即可得到阻力和传热规律。这一理论是德国物理学 家L·普朗特于1904年提出的，它为粘性不可压缩流体动力学的发展创造了条件。
大气边界层分析图流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽 略；但在固体壁面附近的薄层中，粘性力的影响则不能忽略，沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层 叫做边界层。流体的雷诺数越大，边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度 δ通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。根据雷 诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且 边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻 近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。
发展
大气边界层物理的发展，还与国民经济和国防建设的发展密切相关。例如：高建筑物（如高楼、桥梁、高塔 等）的风负荷（见建筑气象学）；波在湍流大气中的传播；对于原子、化学、细菌战争的防护，导弹、火箭运行 的气象保障，新式兵器现场使用的气象条件的研究（见军事气象学）；随着工业发展而出现的大气污染，大气公 害问题的研究；农作物生长的气象条件的研究（见农业气象学）等；都与大气边界层物理的研究有关。
非均匀下垫面大气边界层研究进展
距 地 表 ｌ～ ｍ 的大 气 边 界 层 ， 仅 是 生 物 赖 以生 存 的 主要 空 ２ｋ 不 间 ， 是 地 球 大 气 动 量 、 量 和 各 种 物 质 上 下 输 送 的 重 要 通 道． 球 也 热 全 变 化 的影 响 、 表性 质 的改 变 以及 人类 活 动对 气 候 的 反馈 ， 地 都是 通 过 大 气边 界层 过程 实 现 的 ． 气 边 界 层 物 理 过 程 与 下 垫 面 物 理 性 质 联 大 系紧密 ， 表下 垫 面作为 大 气 唯 一 的物 理 边 界 ， 不 同时 空尺 度 上 影 地 在 响着大 气运 动状 态 和气 候变 化 ．
洪 雯 ， ． 均 匀 下 垫 面 大 气 边 界 层 研 究进 展 等 非
１ ５６
ＨＯＮ ｅ ｅ １Ｒｅ ｉ ｆ ｅｅ ｒ ｈ ｓｏ ｔ ｓ ｈ ｒ ｏ ｎ ａｙ ｌｙ ｒ ｖ ｒｈ ｔ Ｇ Ｗ ｎ，ｔａ． ｖｅ ｏ ｓａｃ ｅ ｎ ａｍｏｐ ｅｉ ｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ｅ ｅｅ ｅ ｅ ｕ ｎ ｅ ｌｉｇｓ ｒ ｃ ｗ ｒ ｃ ｏ ｍｇ ｎ ｏ ｓｕ ｄ ｒ ｎ ｕｆ ｅ ｙ ａ
文 章 编 号 ：６ ４７７ （ ０ ０ ０ －１５０ １７ —０ ０ 面大气边 界层研究进 展
洪 雯 王 毅 勇 ， 。
摘 要 总 结 了水 平 非 均 匀下 垫 面 的 大 气 边
０ 引言
Ｉ ｔｏ ｕ ｔｏ ｎ ｒ ｄ ｃ ｉｎ
界层研 究 ， 出干旱 区 的绿 洲具 有 明显 指 的“ 冷湿 岛效应 ” 并 可形成 边缘 逆 湿和 ， 区域 环 流 ， 而植 被 和 水 域 的 分 布 则 显 著
城 市 中绿 地 和 水 体 的 微 气候 效 应 ． 较 比
大气边界层中的湍流与混合过程研究
大气边界层中的湍流与混合过程研究大气边界层是指地球表面与大气中最接近地面的一层空间。
在这一层中，湍流和混合过程对大气的运动和物质交换起着重要作用。
本文将探讨大气边界层中湍流和混合过程的研究进展。
一、湍流现象及其特点湍流是指流体中的各种无规则、复杂、混乱的运动现象。
大气边界层中存在着各种尺度的湍流，从微观的小尺度湍流到宏观的大尺度湍流，都对大气的运动和物质交换起着重要作用。
湍流的主要特点是不规则、非线性、随机性和多尺度。
二、湍流理论的研究进展随着计算机技术和数值模拟方法的发展，湍流理论取得了很大的进展。
目前，湍流理论的主要方法包括直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均纳维-斯托克斯方程等。
通过这些方法，研究人员能够更好地理解湍流的形成机制和发展规律。
三、湍流对大气运动的影响湍流在大气中的运动对大气的能量传输、物质混合和边界层高度的发展等方面起着重要作用。
湍流脉动的存在使得大气运动更加复杂，产生了风速垂直剖面的不规则性和高低波动。
此外，湍流还影响了大气中的空气质量和颗粒物的输送。
四、湍流与气候变化的关系湍流对气候变化有着重要的影响。
湍流的形成和发展受到地表热源和地形的影响，而气候变化又会改变地表温度和地形，从而影响湍流的形成和发展。
因此，湍流与气候变化之间存在着复杂的相互关系。
五、湍流的观测与测量方法湍流的观测与测量是湍流研究的基础。
目前常用的湍流观测与测量方法包括风廓线雷达、气象声波探测器和气象探空等。
这些方法能够提供湍流的相关参数，如湍流动能、湍流强度和湍流时间尺度等。
六、大气边界层中的混合过程在大气边界层中，湍流是驱动混合过程的主要机制。
混合过程包括热量、水汽和动量的垂直混合，对大气的能量平衡和湿度分布起着至关重要的作用。
湍流的存在使得边界层中的气溶胶和气体能够迅速混合并向上输送。
七、湍流模拟与预测湍流模拟与预测是湍流研究的重要方向。
通过数值模拟方法，可以模拟和预测大气边界层中的湍流和混合过程，为天气预报和气候模拟提供基础数据。
动力气象 大气边界层解析
和vg 不变）；
➁密度 和湍流系数K 为常数，则有埃克曼
层（大气运动）方程组：
Ekman螺线：
上部摩擦层中，在湍流粘性力、科 氏力和压力梯度力平衡之下，各高度上的 风速矢端迹在水平面上的投影。
埃克曼螺线的讨论
求出复速度的模W （大小）：
cW
u2 v2 ug
z
1 2e hE
W z
1 hE
i
ug
e
(1i
)
z hE
W z
z i( z )
略去平均量的平均符号—，上式变为：
0
1
p x
fv
1
z
Tzx
0
1
p fu 1
y
z
Tzy
Tzx
Kz
u z
K
u z
Tzy
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v z
K
v z
0
1
p x
fv
1
z
K
u z
0
1
p y
fu
1
z
K
v z
再假定：
1
p x
fvg ;
1
p y
fug
➀ 水平气压梯度力不随高度改变（各层的ug
方向（见表）
湍流粘性应力大小随高度的变化
湍流粘性应力风向 随高度的变化
埃克曼螺线解的问题：
➀ 下边界取在地面（z=0）时，u=v=0是不合适的，这 样就将湍流交换K=const的假定扩展到近地面层了， 而近地面层的湍流交换系数随高度时线性或幂指数 的关系；
➁ 上边界取在z，也不合适的，这样就相当于把边 界层延伸到整个大气层了；
cos
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2 z
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大气边界层物理过程研究
大气边界层是指地球表面附近的大气区域，它直接与地表接触，并受到地面特
征和气象条件的影响。
研究大气边界层物理过程有助于我们深入了解大气的运动、热量和湿度的传输，以及大气对地表的影响。
本文将探讨大气边界层物理过程的重要性，并介绍一些相关的研究方法和近期的研究成果。
大气边界层物理过程的研究对于气象学、气候学以及环境科学等学科的发展和
进步具有重要意义。
首先，了解大气边界层的物理过程可以帮助我们预测天气和气候变化。
通过对大气边界层中的湍流运动、对流和辐射等过程的研究，气象学家可以更准确地预测下一时期的天气。
此外，大气边界层物理过程的研究也有助于我们理解气候变化的机制，为制定应对气候变化的政策和措施提供科学依据。
在大气边界层物理过程的研究中，湍流运动是一个重要的研究领域。
湍流通常
指的是流体运动中的无序和随机变化。
在大气边界层中，湍流运动的存在会对大气运动和热量传输产生重要影响。
通过利用数值模拟和实地观测等方法，研究人员可以揭示湍流运动的特性及其对大气过程的作用，进而改进气象和气候模型的准确性。
另一个重要的研究领域是辐射传输。
在大气边界层中，辐射是通过电磁波的传
播来进行的。
太阳辐射是大气边界层中的重要能量来源，而地球辐射是大气边界层向外散发能量的方式之一。
研究人员通过观测和模拟大气辐射过程，可以揭示大气中的能量平衡和辐射的传播特性，更好地理解大气的能量转移和分配过程。
由于大气边界层物理过程的复杂性，研究人员通常采用多种方法来揭示其内在
的规律和机制。
数值模拟是常用的研究方法之一，通过利用计算机模型对大气边界层的运动和传输过程进行模拟，可以研究不同条件下的物理过程及其变化规律。
此外，实地观测也是重要的研究手段，通过设置气象站和仪器来收集大气边界层的实时数据，可以验证模型的准确性，并获取真实的物理过程信息。
近年来，一些研究成果在大气边界层物理过程的研究中取得了重要突破。
例如，通过运用高分辨率的数值模拟方法，研究人员发现地表条件和地形对大气边界层湍流运动的影响，并进一步提出了更准确地模拟湍流运动的方法。
此外，利用无人机等先进的观测技术，科学家们也能够对大气边界层的湍流和辐射过程进行实时监测和观测，为大气边界层物理过程的研究提供更精确的数据。
总之，大气边界层物理过程的研究对于理解大气运动、热量和湿度的传输以及
天气和气候变化的预测具有重要意义。
通过湍流运动和辐射传输等研究领域的探索，我们可以更好地理解和把握大气边界层的物理过程。
随着数值模拟和实地观测技术的不断进步，相信在不久的将来，我们将对大气边界层物理过程有更深入的认识，并在气象学和气候学等领域取得更多重要的研究成果。