大气行星边界层讲解
所谓行星边界层（Planetary
2.若大氣較不穩定或是呈中性，邊界層就會較高，可達3㎞。
一般來說，平均邊界層高度約1㎞。
3.大氣在夏天因比在冬天較不穩定，所以邊界層較高；同樣地，白天時大氣比晚上時不穩定，因此也有較厚的邊界層。
物理意義：PBL 處的垂直速度約正比於ξg ，所以 ()ξg e D w ∝。
如圖5-8，邊界層和其上的自由大氣是藉由這樣的一個次環流所聯繫著：地面的低壓因摩擦力造成PBL 內的輻合，產生一向上的運動，因此在高層為一輻散場。
1. 由渦度方程可知，因為高層輻散 ↓⇒+⇒f ξ高空低壓減弱2. 由運動方程可知，因為高空的輻散受到科氏力影響而有順時鐘運動的傾向，因此會減低原渦旋逆時針旋轉的旋度，此即為spin down 的作用。
實例：一盛水的杯子在旋轉時，因有往外的離心力，故必須有向內的氣壓梯度力來平衡，所以水位一定會向中央凹下，呈一拋物面。
但杯底的摩擦力會使近杯底處的水流速度漸小，意味著下層的離心力小於上層之，所以在下層離心力無法平衡氣壓梯度力而產生一輻合，於此，次環流生成，為低層輻合，高層輻散。
此作用和大氣的次環流生成過程有點類似，但有兩處不同：1. 在大氣中為氣壓梯度力和科氏力的平衡，而科氏力是有方向性的；2. 大氣中摩擦力主要是eddy viscosity ，而上例的摩擦力是來自分子摩擦力。
相形之下，如果在沒有對流存在時（積雲對流可以將對流層內的動量和熱量作有效率且十分快速的傳送），邊界層所引發的spin-down process破壞旋轉系統的渦度要比diffusive effect來得有效率得多。
圖5-9為正壓大氣下，由邊界層內的摩擦力所造成的次環流分佈情形。
2.Stably-stratified Baroclinic Atmosphere一般來說，大氣是呈stably-stratified，氣塊之垂直發展受到大氣分層的效應所抑制（負浮力之故），據此，如圖5-10，次環流的垂直發展範圍有一限度。
因此，Ekman layer頂部的渦度spin-down最多，但高層較不會受到影響。
大气边界层和边界层探测简介
主要内容（10个课时）
• 大气边界层与大气边界层探测简介 • 涡动相关法原理 • 湍流量观测仪器工作原理 • 微气象观测塔的架设与维护 • 观测资料的资料控制与后处理
平流层 对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
• 大气边界层又称行星边界层，是指存在着
湍流性特征的低层大气，是大气与下 垫面直接发生相互作用的层次。湍流是
近地面风速谱
天气尺度
能量间隙
湍流尺度
谱隙
平均流
湍流
谱隙表现为把小尺度峰与天气尺度峰分开的谷
• 雷诺分解是研究湍流的一般方法。是把温 度和风等变量分解为平均和扰动两部分。
• 平均部分表示平均温度、平均风速等的影 响，扰动部分则表示叠加在平均温度、风 速上的湍流的影响。
• 虽然湍流运动复杂，随时间、空间的变化 极不规则。但是雷诺平均却有一定的规律 性。
• 最大的边界层湍涡接近边界层的厚度（100 －3000km），最小湍涡尺度只有几毫米， 由于分子粘性的耗散作用，其强度非常微 弱。小湍涡以大湍涡为能源。
科尔莫哥洛夫图案
湍流的输送/消耗 （湍流级串）：
湍流如何传递能量？
L. F. 理查森：
Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
• 气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层 • 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
大气边界层的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要作用
大气探测与大气物理第二章 大气边界层与大气运动
大气环流的形成的主要因素
(一)太阳辐射的作用 (二)地球自转作用 (三)地表性质的作用 (四)地面的摩擦作用
空气开始运动后，地转偏向力立即产生，并 迫使运动的气流向右偏离(北半球)，南反之。
地转风的方向平行于等压线，高压在其右侧 (北半球)。根据运动方程可推出，地转风的运动 方程式为： 0 1 P 2V sin
X 0 1 P 2U sin
Y
(二)梯度风
当空气质点作曲线运动时，除了受气压 梯度力和地转偏向力的作用外，还受惯性 离心力的作用，当这三个力达到平衡时的 风，就称为梯度风。
地转偏向力是一个非常重要的力。
(三)惯性离心力
惯性离心力是物体在作曲线运动时所产生的由运动轨迹的曲率中 心沿曲率半径向外作用的力。这个力是物体为保持惯性方向运动而产 生的，因而叫惯性离心力。惯性离心力和向心力方向相反，同运动的 方向相垂直，自曲率中心指向外缘，其大小同物体转动的角速度ω的 平方和曲率半径r的乘积成正比。对单位质量物体而言，惯性离心力C 为
Vac= rsin
(rsin )2 r P n
(三)自由大气中风随高度的变化
大量的高空探测资料说明，不同高度上的风 向、风速是不一致的。风随高度有明显的变化
自由大气中风随高度的变化同气温的水平分 布密切相关。气温水平梯度的存在，引起了气压 梯度力随高度的变化，进而影响风随高度发生相 应的变化。这种由于水平温度分布不均，所形成 的风随高度的改变量，称热成风。
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。
动力气象学 (8.1)--大气边界层
• 边界条件：
上边界，在离开地面足够高的地方（边界层顶）湍流粘性 力足够小，那里的风变为地转风
当z 时，u ug , v vg
下边界，当z=0时，u=0,v=0
• 为了数学处理方便，还可以进一步简化，取x轴与等压线 平行，有 vg=0
• 引进复数算法求解方程
令 u iv，D (u ug ) i(v vg ) ua iva
（2）风向有规则地随高度右旋；
（3）受地面热力作用影响大，低层大气温度分布呈现出很 大的垂直梯度；
重要性：
（1）人类活动区 （2）43%入射太阳能在此被吸收、而后返回大气 （3）几乎所有水汽在此被接受，并通过水汽提供大气
内能的50% （4）由于摩擦力的存在，几乎消耗整个大气动能的一
半左右 行星边界层既是整个大气的主要能量源，也是大气的动 量汇，它在地球表面和自由大气之间的热量、水汽和动量的 交换中起着重要作用，对天气系统的发展演变有很大影响。
§1.1 常值通量层中的风速垂直分布（对数律和综合幂次律）
• 中性大气中的对数律：
自由大气
u u * ,
z z
边界条件 z z0时，u 0
推出 u u * ln z
z0
Ekman层 (100m-1km)
边 界
层
近地层(2-100m)
贴地层(0-2m)
• 层结大气中的综合幂次律
一、Ekman抽吸
利用不可压连续方程：
u v w 0 w (u v )
x y z
z x y
hT w
hT u v
0
z
dz
0
(
x
第一章：大气边界层概述1
YSU simulation
0.3
0.4
MYJ simulation
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 OBS 3 SO2 concentration(mg/m )
ACM2 R=0.614
0.2
0.3
0.1
0.2
0.0
0.1
0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
边界层气象学教程
研究内容
研究意义
大气边界层
研究方法
研究进展
高度(km) 3000
大气边界层？
atmospheric boundary layer
³³³
500 400 ³ ³ ³ 300 200 100 90 ³³³³
¨ ³ ³ +³ ¨ ³ ³ +³
³ ³ ³ km³ ¨ ³
80 70 60 50 40 30 20 ³³³ ÷ ³ +³ ¨ ³ ³³³³ ÷ ³³³ ³ -³ ¨ ³
280
282
Time
图1 三种边界层方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟的与观测的 （a）西固二水厂和（b）兰州站的地面温度（2m）日变化对比 （b）兰州站（52889）
OBS YSU MYJ ACM2
1.2 51.2 02 51.2 05 51.2 08 51.2 11 51.2 14 51.2 17 51.2 20 51.2 23 61.2 02 61.2 05 61.2 08 61.2 11 61.2 14 61.2 17 61.2 20 61.2 23 71.2 02 71.2 05 71.2 08 71.2 11 71.2 14 71.2 17 71.2 20 7-2 3
行星大气层的层次结构
行星大气层的层次结构行星是宇宙中自然存在的天体，它们有着多种不同的特征和组成部分。
其中，行星大气层是行星的外部气体包围层，它在行星表面和外层空间之间形成了一个重要的界面。
行星大气层的层次结构是指大气层按照高度、密度或组成进行划分和分类的方式。
本文将介绍行星大气层的层次结构，包括地球大气层、火星大气层和木星大气层。
地球大气层是我们最为熟悉的大气层之一。
它由五个主要层次构成：对流层、平流层、臭氧层、中间层和外层空间。
对流层是地球大气层最底部的一层，它从地球表面延伸到约10至15公里的高度。
对流层的上边界被称为对流层顶，其中包含了大气中的绝大部分水蒸气和气候现象的发生。
平流层是对流层之上的一层，高度约为15至50公里，其特点是大气温度逐渐递减。
臭氧层位于约20至50公里的高度，其中富集了大气中的臭氧分子，作为对太阳紫外线的吸收屏障。
中间层的上边界通常在约85公里处，此后的大气逐渐转变成外层空间。
火星是太阳系中的一颗行星，它的大气层也有自己特殊的层次结构。
火星的大气层包含了三个主要层次：底层大气层、中层大气层和顶层大气层。
底层大气层位于火星表面的低空区域，厚度约为10公里，它富含二氧化碳和稀薄的氧气。
中层大气层延伸到约60至80公里的高度，其中包含了一些尚未完全理解的气体成分。
顶层大气层则延伸到更高的高度，然后逐渐过渡到火星外层空间。
木星是太阳系中最大的行星，它的大气层也是非常复杂的。
木星的大气层可以划分为数个主要层次：底层云层、夹层大气层、顶层云层和外层大气层。
底层云层是木星大气层最底部的一层，主要由氨气和甲烷组成，呈现出斑点状的云层结构。
夹层大气层是介于底层云层和顶层云层之间的一层，其中包含了各种复杂的大气现象和循环系统。
顶层云层是木星大气层的最上层，由氨冰和硫磺颗粒组成，呈现出明显的带状结构。
外层大气层则逐渐过渡到木星外部的空间环境。
综上所述，行星大气层的层次结构在不同行星上有着不同的特征和组成。
第9章 大气边界层
高度(m)
2000 1000
0
云层
混合层(ML)
表面层（SL）
夹卷层
自由大气（FA）
盖顶逆温
剩余层（RL）
夹 卷 层混合层
稳定（夜间）边界层
(ML)
表面层（SL） 表面层（SL）
中午noon
日落sunset
午夜midnight 日出sunrise 中午noon
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。
• 对流层大气其余部分统称为 自由大气。
1 边界层定义
对流层是从地面往上直达11 千米平均高度，但通常只有 最低2000米才直接被下垫面 改变； 定义：大气边界层指的是地 面往上到1000-2000米高度的 这一大气层。
边界层定义
由于它与地球表面直接接触，所以地球表 面的强迫力如摩擦力、蒸发和蒸腾、热传 递、污染物排放以及地形引起的流的变化 等可以对它产生直接的影响，其响应时间 尺度为1小时或者更小。
2 风和气流
• 气流或者风可以分为三大类：平均风、湍流、波。
u u u u • 各种物理量如水汽、热量、动量和污染物等输送
在水平方向上主要靠风来实现；而垂直方向上主 要靠湍流；
平均风 波 湍流
风和气流
平均风：可以产生很快的水平输送或平流；摩擦 力使平均风在近地面处达到最小值；量级：水平风 为2到10米（m）每秒垂直风为几毫米（mm）到几厘 米（cm）（小） 波：一般在夜间边界层观测到波；波对动量和能 量输运起重要作用；来源于平均风剪切（切边）、 平均风经过障碍物时产生等等
)
kg污 m2s
或
kg污 m2s重新定义成运动学形式，