大气边界层
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。
大气边界层对大气污染扩散的限制
大气边界层对大气污染扩散的限制大气边界层是指地球上大气与地表之间的那一层空间，它在大气污染扩散中起着重要的限制作用。
大气边界层的高度和稳定性直接影响着污染物在大气中的传播和扩散方式。
本文将从大气边界层高度、稳定性以及大气层内气流运动等方面，探讨大气边界层对大气污染扩散的限制。
首先，大气边界层的高度是影响大气污染扩散的一个重要因素。
通常情况下，大气边界层的高度约为1000-2000米，超过这个高度后，大气污染物将随着风力的作用迅速扩散，降低污染的浓度。
然而，如果大气边界层高度较低，就容易造成气溶胶、气体等污染物在较小的空间范围内堆积，导致污染物的浓度极高，给环境和人身健康带来严重威胁。
其次，大气边界层的稳定性对大气污染扩散也有显著影响。
稳定的大气边界层意味着大气层内温度逐渐升高或保持不变，导致冷空气下沉而温暖空气上升的情况较少。
这种情况下，污染物难以扩散和稀释，更容易形成污染物的高浓度层，造成空气质量恶化。
例如，夜间或冬季，大气边界层较为稳定，导致污染物难以扩散，使城市雾霾加剧。
此外，大气边界层内的气流运动也是影响大气污染扩散的重要因素。
在大气边界层内，气流呈现复杂的运动方式，包括对流运动、湍流运动等。
对流运动是指由地表的热能不断向上输送，形成冷空气下沉、暖空气上升的循环。
这种对流运动可以有效促进大气污染物的扩散，使其不易在一定区域内积聚。
湍流运动则是指空气流动的不规则和不稳定性，通常使污染物的浓度分布非均匀。
这些气流运动形式的存在使得大气污染在垂直和水平方向上都具有不规则的分布特点。
另外，大气边界层内的地表特征也会对大气污染扩散产生一定的限制。
地表的不均匀性、复杂性以及建筑物等人类活动的干扰都会对大气层内的气流运动产生影响，进而影响大气污染物的传播。
例如，城市中高楼大厦、山脉和河流等地表特征能够改变的气流的流向和速度，限制污染物的传播路径和范围。
综上所述，大气边界层的高度、稳定性、气流运动以及地表特征等因素共同限制着大气污染的扩散。
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。
大气行星边界层第七章
在自由程中，分子物理属性守恒，发生碰撞后，分子的物理属性与其它分子进行了交换，属性发生改变。
连续介质假设，在充满湍流场的空间内，有许多离散的湍涡，湍涡在运动过程中是不断与周围发生混合，逐渐失去属性。
Prantal假设：湍涡在运动过程中并不和周围发生混合，当经过混合长距离后才与周围流体发生混合失去其原有属性。——完全模仿分子运动。
01
根据混合长理论
04
令：
把x轴取在等压线上，则：
且设：
二元二阶常系数的微分方程组
PART 1
添加标题
上部摩擦层中风随高度的变化
01
添加标题
把方程组写作矢量方程 ：（解二元方程比较繁琐）
02
添加标题
一个未知数，一个方程，但求解矢量方程存在困难，引入复数解法。
01
5、水汽方程：
同理得：
定义：
由此可见 ，湍流作用表现为脉动量二次乘积项平均值 ——1）是统计量 体现的是湍流引起的物理量的输送
第四节 湍流半经验理论
外，多了脉动量二次乘积项
求解运动中，必须知道如何描述 ——如分子粘性力处理 （广义）牛顿粘性假设
瞬时方程——平均方程 除了6个未知量
高阶矩闭合 用瞬时方程－平均方程
因此， 也被定义为湍流通量密度，这里是脉动动量通量的意义
表示：作用于法向为y轴的平面上的湍流粘性应力在x方向上的分量；输送的是x方向的脉动动量。
PART ONE
与瞬时方程相比，发现右边多出了9项：
T：湍流粘性应力； i=1、2、3 ——作用面方向； j=1、2、3 ——力分量方向； 1=x; 2=y; 3=z
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，
大气边界层与空气质量的关系
大气边界层与空气质量的关系在我们的日常生活中，空气质量的好坏直接影响着我们的健康和生活品质。
而大气边界层是影响空气质量的重要因素之一。
本文将探讨大气边界层与空气质量之间的关系。
一、什么是大气边界层大气边界层是指大气中从地面到大约10-15公里高度的一层空间。
这一层空间呈现出明显不同于上层大气的特征，具有许多重要的气象和大气化学过程。
大气边界层的高度和特性可以受到地理环境、气象条件以及人类活动的影响。
二、大气边界层对空气质量的影响大气边界层对空气质量有着直接和间接的影响。
首先，大气边界层充当了一个地球表面与上层大气之间的过渡层，上层大气中的污染物很难通过大气边界层的高度阻挡到地面，从而保护了地面的空气质量。
其次，大气边界层限制了污染物的扩散，使其在较小的范围内传播，降低了对地面空气质量的影响。
另外，大气边界层还能缓解地面温度的变化，形成微风，并将有害气体向上输送和稀释。
三、大气边界层的变化和空气质量大气边界层的高度和特性具有一定的变化性，这也对空气质量产生了影响。
当大气边界层较低时，污染物容易积聚在地面附近，导致空气质量恶化。
在这种情况下，由于污染物很难通过大气边界层扩散到上层大气中，地面的空气质量受到了较大的影响。
相反，当大气边界层较高时，污染物更容易被稀释和传播，地面空气质量相对较好。
四、人类活动对大气边界层的影响除了自然因素外，人类活动也对大气边界层和空气质量产生了重要的影响。
例如，大规模的城市化过程引起了大气边界层的变化，城市中高楼大厦和交通运输等人为活动导致了污染物的排放增加，进一步恶化了空气质量。
此外，大气边界层是一个重要的大气化学反应区域，人类活动中的气体和颗粒物排放也会参与到大气化学反应中，进而影响空气质量。
综上所述，大气边界层与空气质量之间存在着密切的关系。
大气边界层中的物理过程和化学反应直接影响着上层大气中污染物的输送和稀释，从而影响地面的空气质量。
而大气边界层的高度和特性又受到自然因素和人类活动的影响，对空气质量产生了重要影响。
第9章 大气边界层
？
这些通量可以通过除以湿空气密度而重新定义成运动学形式，
运动学通量 符号 ~ M M 单位
质量 热量 湿度 动量 污染物
a ~ QH QH a C pa
R ~ R
F
a ~ F
~ a
a
m s m K s kg w m kg a s m m s s kg 污 m kg a s
（1）混合层（ML）
• 混合层主要生成机制是对流，所以在晴天，ML的 发展依 赖于地面的太阳加热。（？） • 混合层顶部的稳定层作用？---顶盖，限制对流---卷挟带 • 整个混合层的风都是次地转风，风速分布？（风速向下递 减，在近地面处趋近于零） • 水汽混合比随高度增加而减小，为什么？ • 大部分污染物是靠近地球表面
风
垂直输运 厚度
表面层中近似为对数风速廓线，通常 为次地转的，并与等压线相交
湍流占优势 变化于100米到3公里之间，陆上有日 变化
几乎是地转的
平均风和积云尺度占优势 变化小，在8-18公里之间， 时间变化慢
进一步体会边界层重要性：
每天预报实际上是边界层预报； 污染物积聚在边界层中； 雾发生在边界层中； 气团实际上是地球不同部分大气边界层；
边界层厚度与结构
Subsidence（下沉） updrafts Divergence(辐散) 高压（H） （上升）
Convergence（辐合） 低压（L）
低压区边界层 高度如何确定？
边界层厚度与结构
• • • • • • • • • BL（Boundary Layer）边界层 CL（Cloud Layer）云层 FA（Free Atmosphere）自由大气 IBL（Internal Boundary Layer）内边界层 ML（Mixed Layer）混合层 RL（Residual Layer）剩余层 SBL（Stable Boundary Layer）稳定边界层 SCL（Subcloud Layer）云下层 SL（Surface Layer）表面层：占边界层10%的底部区域
大气边界层概述
夜间边界层温度垂直分布的演变
2001年1月27日-28日逆温生消的演变过程
300
250
高 200 度 150
1999/10/5 08:00，北京 露点和大气温度垂直分布
不稳定
稳定（逆温）
不稳定边界层风、温廓线
稳定边界层风、温廓线
夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不 同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温， 严重阻碍了物质和能量的扩散。因此研究夜间逆温层的演 变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是
生态边界层示意图
一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一 个很困难的问题。有时，上界很明显，例如逆温盖，在盖 子以下大气受下垫面影响很大，而在盖子以上则未受影响。 但在通常情况下这种明显的界限是不存在的，下垫面的作 用随高度的增加只是缓缓减弱。一般地，类似于流体动力 学中边界层厚度的定义，定义大气边界层的上界为在这个 界面上 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减 小到地面值的很小一部分，例如1%。但有时 也以逆温层顶 作为大气边界层上界。
大气边界层概述
王成刚 大气物理系
与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、 “机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行 星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表 上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此 产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不 过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平 尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。 在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的 水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方 向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大 小在随高度变化的同时，风向也随之变化。
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湍流的产生
机械湍流（ mechanical Turbulence） 热力湍流（ thermal Turbulence ）或对流湍 流（convective turbulence） 惯性湍流（inertial Turbulence）
机械湍流（ mechanical Turbulence）
由风切变产生 风切变产生的原因：地面摩擦力，地形建筑 等障碍物的阻挡等。
9.4.4 The Marine Boundary Layer
9.4.4 The Marine Boundary Layer
9.4.4 The Marine Boundary Layer
9.4.5 Stormy Weather
9.4.5 Stormy Weather
9.4.5 Stormy Weather
惯性湍流（inertial Turbulence）
由大湍涡产生，湍流串级(turbulent cascade) Small eddies can also be generated along the edges of larger eddies, a process called the turbulent cascade, where some of the inertial energy of the larger eddies is lost to the smaller eddies
湿度通量
Байду номын сангаас
9.2.4 The Global Surface Energy Balance
9.2.4 The Global Surface Energy Balance
9.3 Vertical Structure 垂直结构
9.3.1 Temperature
绿色虚线：标准大气，黑色实线：实际大气
热力湍流（ thermal Turbulence ）
Thermal or convective turbulence, also known as free convection, consists of plumes or thermals of warm air that rises and cold air that sinks due to buoyancy forces. Near the ground, the rising air is often in the form of intersecting curtains or sheets of updrafts, the intersections of which we can identify as plumes with diameters about 100 m. Higher in the boundary layer, many such plumes and updraft curtains merge to form larger diameter (∼1 km) ∼ thermals. For air containing sufficient moisture, the tops of these thermals contain cumulus clouds
建立二阶量方程，同 时建立三阶量和二阶 均量之间的关系，称 为二阶闭合 （Second-order closure），建立三阶 量方程，同时建立四 阶量和三阶均量之间 的关系，称为三阶闭 合
⋅⋅⋅⋅⋅⋅
局地闭合（local closure）和非局地闭合（non-local closure）
9.1.6 Turbulence Scales and Similarity Theory 湍流尺度和相似理论
9.1.4 Turbulent transport and fluxes 湍流输送和通量
热通量（heat flux）
热通量大于零，热量向上输送。 热通量小于零，热量向下输送。
9.1.5 Turbulence closure 湍流闭合
建立关于平均量的大气运动和热力学方程组， 称为雷诺平均方程（Reynolds averaging）
free atmosphere
entrainment zone
mixed layer surface layer
capping inversion 冠盖逆温
residual layer
geostrophic wind speed
stable boundary layer
9.3.3 Winds
the shape of the wind profile in the surface layer
du dt dv
其中
− fv = −
1 ∂p ρ ∂x 1 ∂p
du ∂u ∂u ∂u ∂u = +u +v +w ∂x ∂y dt ∂t ∂z
令
u = u + u ' , v = v + v' , w = w + w'
湍流应力(也称为 雷诺应力)
du 1 ∂p 1 ∂ ∂ ∂ =− + f v + [ (− ρ u '2 ) + (− ρ u ' v') + (− ρ u ' w')] ρ ∂x ρ ∂x dt ∂y ∂z
潜热通量
B：波恩比（Bowen ratio)，感热和潜热之比。 B经常根据试验获得 the Bowen ratio ranges from about 0.1 over tropical oceans, through 0.2 over irrigated crops, 0.5 over grassland, 5.0 over semi-arid regions, and 10 over deserts.
：“湍流是这样一种不规则运动，其流场的 湍流是这样一种不规则运动， 各种特性是时间和空间的随机变量， 各种特性是时间和空间的随机变量，因此其 统计平均值是有规律性的。 统计平均值是有规律性的。”
9.1.1 Eddies and thermals
当流体含有多种尺度的不规则涡流，称之为 湍流。这种涡流称为湍涡（eddies） 当流体运动很平稳是，每一个湍涡的尺度迅 速变小并逐渐消失（湍涡破碎），大湍涡的 能量最终耗散为热能。 湍流的主要特征是湍流运动时流体的主要的 物理属性如速度、温度、压力等随时间和空 间以随机的方式发生变化。
边界层大气方程组中出现湍流应力、热通量等新的和 湍流有关的变量，方程变得不闭合
出现三阶量 如为求解热通量，列 出关于热量的方程
列出三阶量方程，则 出现四阶量， ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 建立二阶量和平均量之间 的关系，称为一阶闭合 （first-order closure）， 梯度输送理论（ gradienttransfer theory ），K理论 （ K-theory ），K闭合， 混合长理论（ mixinglength theory ）
(a) Daytime over a moist vegetated surface. (b) Nighttime over a moist vegetated surface. (c) Daytime over a dry desert. (d) Oasis effect during the daytime
摩擦速度（friction velocity）
9.2 The surface Energy Balance 表面能量平衡 9.2.1 Radiative fluxes（辐射通量） net radiation flux F∗（净辐射通量）
9.2.2 Surface energy balance over land 考虑无限薄层，没有热容量
在沿海地区低层大气中，白天风常从海上吹向陆 地(即海风)， 夜 间风从陆地吹向海洋(为陆 风)，这就是海陆风
Chapter 9 The Atmospheric Boundary Layer 大气边界层
定义：The portion of the atmosphere most affected by that boundary is called the atmospheric boundary layer(ABL)
边界层厚度：一般1~2km，随时间空间变化， 从几百米~4km。 边界层上方为自由大气（free atmosphere） 湍流是边界层最重要的特征。
9.1 Turbulence（湍流）
大气运动的多尺度 Planetaryscale（行星尺度） synoptic scale（天气尺度） Mesoscale（中尺度） Microscales（微尺度） turbulence scales（湍流尺度）
FHs ：sensible heat flux（感热通量、感热） FEs ：latent heat flux （潜热通量、潜热） FGs ：the conduction of heat down into the ground, (positive downward, away from the surface)
9.2.3 The bulk aerodynamic formulae 总体空气动力学公式 关于感热和潜热及土壤热通量的公式
Ts、Tair： 表层土壤和空气温度。 |V |：地面风速 CH： 热量的无量纲总体输送系数（dimensionless bulk transfer coefficient）
9.5 Special Effects
9.5.1 Terrain effects 山谷风，Mountain-valley wind, Mountain and valley breeze
白天：上坡风 Anabatic wind
夜间：下坡风katabatic wind
9.5.2海陆风sea-land breeze
zo ：动力学粗糙度（aerodynamic roughness length） k = 0.4：卡门常数（ the von Karman constant） 此公式在表面层（近地层）中近中性稳定度条件下 适用，非中性条件下对上式有修正公式