第9章 大气边界层
大气行星边界层
因此
瞬时值 — 随机、不确定； 平均值 — 有规律。
类似于分子运动的研究方法，
研究平均运动规律，但考虑湍流运 动的影响。为此对任意一个物理量 q, 我们令：
其中： q －称脉动量。 q－瞬时量；q －平均量；
q q q
'
平均量是有规律的；脉动量是随机 的，体现的是湍流运动。 1．平均量的取法
T yx u v
与瞬时方程相比，发现右边多出了9项：
Tij u j ui
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
1）作用于以i轴为法向的平面上的湍流粘性 应力在j轴方向上的分量 2）由i轴的正向往负向、通过以i轴为法向 的单位截面输送的的j方向的脉动动量通量 的平均值
第一节 大气分层
地表既是大气的动力边界，也是大 气的热力边界。 大气边界层，由于受地表（固壁粗糙 不平）影响－－湍流边界层。 地表对大气的影响随高度增加而较弱 ——湍流的强度随高度增加而较弱。 ——湍流粘性力随高度增加而减小。 ——湍流粘性力的重要性随高度不同 而不同。
——各层上的动力学特征不同
由图1可见，边界层是与地表面直接接触的大
气最底层，由于受到地表面热力-动力作用的 影响，大气运动的层流状态受到干扰和破坏， 形成了各种大小不同的不规则涡旋，因此这 一层内空气具有明显的湍流运动特征。
边界层的特征： 1、几何学特征：D<<L；
2、运动学特征：湍流运动 （受地面粗糙度影响）； 3、动力学特征：湍流粘性力重要。
按“湍流粘性力的重要性”，在垂 直方向上对大气进行分层：
1、贴地层：高度为几个厘米
附着在地表，风速 V 0 ，无湍流。
大气边界层结构对建筑风环境的影响与改善
大气边界层结构对建筑风环境的影响与改善大气边界层结构是指地球表面与大气层之间的边界区域，在这个区域内，气象因素会对建筑物及其周围环境产生显著的影响。
本文将探讨大气边界层结构对建筑风环境的影响，并提出一些改善的方法。
一、大气边界层结构对建筑风环境的影响1. 风速分布大气边界层结构的不同层次对风速分布起着决定性的影响。
通常来说，随着高度的增加，风速会逐渐增大。
这意味着建筑物在不同高度可能会受到不同强度的风力作用。
对于高层建筑来说，顶部往往面临较高的风速，需要采取适当的措施来抵御风力的影响。
2. 风向变化大气边界层结构也会导致风向在空间和时间上的变化。
风向的变化会影响建筑物的通风和换气效果，对室内温度和空气质量有直接的影响。
因此，在设计建筑物时，需要考虑周围风向的变化，合理设置通风口和气流调节设备，以提供舒适的室内环境。
3. 气压分布大气边界层结构还会导致气压在垂直和水平方向上的分布不均匀。
气压的变化会引起风的生成和运动，对建筑物施加压力。
不均匀的气压分布可能导致建筑物出现结构变形和破坏的风险，因此在建筑设计中需要对气压变化进行准确的模拟和预测。
二、改善建筑风环境的方法1. 建筑形态设计通过合理的建筑形态设计，可以减小大气边界层结构对建筑物的影响。
例如，在高层建筑中采用逐层退台的设计，可以减小风速对建筑物顶部的冲击；而在低层建筑中，可以设置护坡和护栏来减小风力的作用。
此外，建筑物的朝向和周围环境也应该被充分考虑，以减小风的影响。
2. 风道设计在建筑物附近设置风道，可以引导和平缓风的流动，减小对建筑物的压力。
通过在建筑周围建造屏风或围墙，可以形成微风区域，提供舒适的户外活动场所。
风道设计需要结合建筑和环境的特点，采用适当的形状和尺寸，以实现最佳的效果。
3. 通风与空调系统建筑物的通风与空调系统可以通过控制气流的流动和温度的变化，改善室内的空气质量和温度分布。
通过合理设置通风口和调节装置，可以实现室内外气流的互换和流通。
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。
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
大气边界层结构与气象条件对机场运行的影响
大气边界层结构与气象条件对机场运行的影响引言：机场作为一个重要的航空交通枢纽，其运行受到大气边界层结构和气象条件的影响不可忽视。
大气边界层结构是指大气从地面到边界层顶的垂直分布特征，而气象条件则涉及温度、湿度、风速等因素。
本文将探讨大气边界层结构与气象条件对机场运行的影响。
一、大气边界层的结构特征大气边界层通常分为对流层和平流层两个层次。
对流层以地表为底部，顶部为对流层顶，其特点是温度随高度下降，湿度较高，风速较大。
平流层通常在对流层顶以上，温度随高度逐渐升高，湿度较低，风速较小。
大气边界层的高度和特征对机场运行有很大影响。
对流层的存在使得机场运行受到不稳定的气流影响，导致起飞和降落困难。
同时，大气边界层高度低于机场起降高度时，机场运行也会受到限制，因为飞行器需要在较低的高度区域内进行操作。
二、气象条件对机场运行的影响1. 温度和密度对机场运行的影响温度和密度是机场起降运行中最显著的气象因素之一。
随着温度升高和密度下降，飞机需要更长的跑道长度才能起飞或着陆。
这是因为空气稀薄造成升力减小，飞机需要更大的速度来产生足够的升力，从而需要更长的跑道。
在高温条件下，机场可能需要限制起飞和降落的重量，以确保安全操作。
2. 风速和风向对机场运行的影响风速和风向是机场起降运行中另一个关键的气象因素。
风速过大会对飞机的起飞和降落产生不利影响，因为它会对飞机的稳定性和机动性造成影响。
此外，风向的改变可能导致机场跑道的选择发生变化，因为飞机通常需要顺风起飞和降落以减少飞行时间和燃料消耗。
3. 大气湿度对机场运行的影响大气湿度也会对机场运行产生一定影响。
在高湿度的条件下，机场的气动性能可能会受到影响，导致飞机起飞和降落距离的增加。
此外，湿度还会影响机场的能见度，低能见度条件下飞行操作将受到限制。
三、气象预报在机场运行中的重要性了解大气边界层结构和气象条件对机场运行的影响，气象预报的准确性和及时性变得非常重要。
机场需要掌握当前和预测的气象情况，以便采取相应的措施，确保飞行安全和机场运行的顺利进行。
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。
边界层重要知识点归纳
边边界界层层重重要要知知识识点点归归纳纳第第一一章章大气边界层的定义：大气的最低部分受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。
大气边界层的厚度差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。
还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。
大气边界层的主要特征：（1）大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性（2）大气边界层的日变化：气象要素的空间分布具有明显的日变化。
【大气边界层湍流：①机械湍流：风切变，机械运动；②热力湍流：辐射特性的差异；】大气边界层的分层：(1)粘性副层（微观层）(2)近地层（常通量层）(3)Ekman 层（上部摩擦层）【(1).粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。
(2).近地层（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。
(3).Ekman 层（上部摩擦层）：在这一层里，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。
】大气边界层厚度：边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。
海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。
陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。
大气边界层结构：（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。
其特点为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，但高空200m 左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风。
第二章湍流：流体运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化。
雷诺数：——湍流判据，特征Re 数定义： =特征惯性力/特征粘性力；它表示了流体粘性在流动中的相对重要性：（1）Re 》1，粘性力相对小（可忽略），大Re 数流体，弱粘性流；（2）Re 《1，惯性力相对小（可忽略），小Re 数流体，强粘性流； ν/Re UL ≡（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；湍流的基本特征：（1）随机性；（2）非线性；（3）扩散性；（4）涡旋性；（5）耗散性湍流的定量描述：湍流运动的极不规则性和不稳定性，并且每一点的物理量随时间、空间激烈变化，湍流的杂乱无章极随机性可以用概率论及数理统计的方法加以研究。
第9章 大气边界层概述
？
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
（2）剩余层
（3）稳定边界层
4 边界层厚度与结构
• 1 在海洋上方，边界层厚度的时空变化相对陆地要慢。这是由于海洋 上部很强的混合，海面温度日变化极小。因此一个缓慢变化的海面温 度意味着一个缓慢变化的强迫力对边界层底的作用；
• 2 海洋上面的边界层厚度大多数变化是由海面的天气尺度和中尺度过 程的垂直运动以及不同气团的平流造成的。 • 3 无论在陆地还是海洋上，边界层的共同特征是高压区比低压区薄 （P171）。（？）
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。 边界层虽然很薄，但是人类和其它生物活 动主要区域，所以一直是大气科学研究重 点课题。 下图给出对流层下部温度变化一个例子。 近地面气温日变化比较明显，而自由大气 则没有什么日变化。
3
湍流输送
定义： • 湍流是叠加在平均风速上的阵性流现象，远可以认为是由作不规则旋 转运动的涡旋所组成。 • 通常情况，湍流由许多大小不同的涡相互叠加而成。 • 这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。
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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，
运动学通量
质量 热量 湿度
动量 污染物
符号
M M~
a
~
QH
QH aC pa
R R~
F
F~
a
a
~
a
单位
m s
K
m s
kgw k ga
m
s
m m s s
kg污 m
k
ga
s
风速表示质量和动量通量；温度和风速表示表示热量；
比湿（q）和风速表示水汽通量。
•
设热量通量
~ QH
365W,求•热m量2 运动学通量QH
•
解： QH
Q~H
C P
365 1.211005
0.30K • m / s
4 边界层厚度与结构
（1）混合层 （2）剩余层 （3）稳定边界层
4 边界层厚度与结构
• 相应时间尺度约为1小时或者更小。这并不意味着这段时间内边界层达到平衡， 只是表示至少已经开始。
• 边界层中研究中包括晴天积云和层积云2种。晴天积云与边界层中热泡关系密 切；层积云在边界层上部，温度较低使水汽凝结。
• 雷暴能够将边界层空气抽吸入云层或铺设冷的下层空气罩而使边界层在几分 钟内发生变化。
③ 边界层通过湍流作用来响应地面强迫力的变化；
• （1） 运动学通量和湍流通量
– 定义：通量是指单位时间内通过单位面积所传输的量。质量、热 量、动量和污染物的通量
通量
质量 热量 湿度
动量 污染物
符号
M~
Q~H
R~
F~
~
单位 ？
kga m2s
J m2s
kgw m2s
kga (ms1 m2s
第九章 大气边界层
本章主要内容
01 边界层定义 02 风和气流 03 湍流输送 04 边界层厚度与结构 05 微气象学 06 边界层意义 07边界条件和表面强迫力 08 海陆风环流
大气边界层
• 地球表面是大气圈一个边界。 在这个边界上输运过程改变 着100米到3000米厚的最低 层大气，形成所谓边界层。
• 1 在海洋上方，边界层厚度的时空变化相对陆地要慢。这是由于海洋 上部很强的混合，海面温度日变化极小。因此一个缓慢变化的海面温 度意味着一个缓慢变化的强迫力对边界层底的作用；
• 2 海洋上面的边界层厚度大多数变化是由海面的天气尺度和中尺度过 程的垂直运动以及不同气团的平流造成的。
• 3 无论在陆地还是海洋上，边界层的共同特征是高压区比低压区薄 （P171）。（？）
湍流：湍流是边界层区别于大气其余部分的特征 之一。在近地面湍流发生的频率相当高；对流云中 有湍流；在急流附近强风剪切造成晴空湍流。大气 湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰 动。
3 湍流输送
定义： • 湍流是叠加在平均风速上的阵性流现象，远可以认为是由作不规则旋
转运动的涡旋所组成。 • 通常情况，湍流由许多大小不同的涡相互叠加而成。
边界层虽然很薄，但是人类和其它生物活 动主要区域，所以一直是大气科学研究重 点课题。
下图给出对流层下部温度变化一个例子。 近地面气温日变化比较明显，而自由大气 则没有什么日变化。
边界层定义
• 地面因辐射而增温和冷却，从而通过传输强迫边界层发生变化。湍流是其中 重要运输过程，有时候也用湍流来定义边界层。
• 这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。
① 边界层湍流由来自地面的强迫力产生。例如：晴天时，地面受太阳 辐射加热，使得温暖的热泡上升，这些热泡即大涡旋；
② 边界层（ABL）的厚度相当于最大涡旋的尺度，即直径100-3000米 ；最小的涡旋量级只有几毫米（mm），考虑分子粘性的耗散效应， 所以很弱。
边界层厚度与结构
Subsidence（下沉）
（上升）
updrafts
Divergence(辐散) 高压（H）
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
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）
边界层厚度与结构
• 在陆地表面的高压区，边界层具有明确的结构，其发展具 有日循环特点。其结构主要包括三部分：
① 混合层 （ML）：混合层(ML)中的湍流通常由对流驱动的， 对流的成因包括温暖地面的热传递，以及云层顶的辐射冷 却。