动力气象 大气边界层解析
大气边界层特征的观测与分析
大气边界层特征的观测与分析大气边界层是地球大气层中与我们的日常生活和环境息息相关的重要部分。
它是靠近地球表面的一层大气，厚度通常在几百米到几千米之间，其特征对天气、气候、污染物扩散等都有着显著的影响。
因此，对大气边界层特征的观测与分析具有重要的科学意义和实际应用价值。
大气边界层的特征主要包括温度、湿度、风速、风向等气象要素的垂直分布，以及湍流运动等。
为了观测这些特征，科学家们采用了多种手段和方法。
一种常见的观测方法是使用气象塔。
气象塔通常高达几十米甚至上百米，在不同高度上安装了各种气象传感器，如温度传感器、湿度传感器、风速仪等，可以实时获取不同高度处的气象数据。
通过对这些数据的分析，我们能够了解大气边界层中气象要素随高度的变化情况。
例如，在白天，由于太阳辐射的加热作用，地面温度升高，空气受热上升，形成对流，导致温度在垂直方向上的分布呈现出明显的梯度。
除了气象塔，飞机观测也是一种重要的手段。
飞机可以在大气边界层中飞行，并携带各种测量仪器，获取大范围、高空间分辨率的气象数据。
然而，飞机观测的成本较高，且受飞行条件和航线的限制。
近年来，随着卫星遥感技术的发展，为大气边界层的观测提供了新的视角。
卫星可以通过测量大气中的水汽、温度等参数，反演得到大气边界层的特征信息。
但卫星观测也存在一定的局限性，比如分辨率相对较低，对某些细节特征的捕捉能力有限。
在获取了大量的观测数据之后，接下来就是对这些数据进行分析。
数据分析的方法多种多样，其中常用的有统计分析和数值模拟。
统计分析是通过对观测数据进行整理、计算，得出各种统计量，如均值、方差、相关性等，从而揭示大气边界层特征的一般规律。
例如，通过对多年的温度观测数据进行统计分析，可以发现大气边界层温度的季节变化和年际变化特征。
数值模拟则是利用计算机模型来模拟大气边界层的物理过程。
模型中考虑了大气的热力学、动力学方程以及各种物理过程，如辐射、湍流交换等。
通过输入观测数据和边界条件，模型可以预测大气边界层的演化和变化。
动力气象-第八章(大气边界层1)解析
§1 大气边界层及其特征
大气边界层的定义
与地表直接接触，厚度约为1~1.5km、 具有湍流特性的大气层(PBL，Planetary Boundary Layer)。
大气分层及其特性
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。
对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空 气便下降来补充（下图），这种升降运动，称为 对流。通过对流，上下层空气互相混合，热量也 就随之得到交换，使低层的热量传递到较高的层 次。这是对流层中热量交换的重要方式。
湍流：空气的不规则运动称为湍流，又称乱流 （下图）。湍流是在空气层相互之间发生摩擦或 空气流过粗糙不平的地面时产生的。有湍流时， 相邻空气团之间发生混合，热量也就得到了交换。 湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。
(3)湍涡在运动过程中，在混合长距离内不 与周围混合而失去其原有的特性；
——在混合长距离内，物理属性守恒。
设有一湍涡所携带的物理量属性为A，它 在运动过程中不断与周围的介质进行混合， 最后完全失去其原有的特性。作如下的假 定：假设其在运行某一距离之后才与四周 的介质混合失去其原有的性质，但在此之 前，其仍然保持原有特性。这个能够保持 原来物理特性不变的长度称之为混合长。 如下图。
与分子运动类似——无规律、不确定性。 确定或者描述个别分之的运动是不可能也 是没有意义的。 只有统计量才有规律。如：大数平均量。
地面上自动温度仪记录的温度
温度的日变化曲线
每隔t 作一次平均
可见：
成都信息工程学院动力气象作业任务答案解析
第一章大气边界层2.假定在近地层中，雷诺应力Tzx为常数，混合长错误!未找到引用源。
,并且在下边界z=0处，错误!未找到引用源。
，试求风随高度的分布。
解：∵错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
…………①对①式积分错误!未找到引用源。
3.已知由于湍流摩擦引起的边界层顶部的垂直速度为错误!未找到引用源。
（1）试推出正压大气中，由于湍流摩擦引起的二级环流对天气尺度涡旋的旋转减弱时间错误!未找到引用源。
的公式。
（2）若湍流系数k=8m2/s，f=10-4s-1，涡旋顶部w=0的高度为10km，试计算错误!未找到引用源。
为多少？解：（1）正压大气的涡度方程简化形式：错误!未找到引用源。
设错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
…………①当z=H时错误!未找到引用源。
对①积分∵f为常数∴错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
（2）∵k=8m2/s f=10-4s-1H=10km∴错误!未找到引用源。
6.在某地测定平均风速随高度的分布，得到如下结果，假定风速分布对数规律，试计算z0，u及T0（去卡曼常数为0.40）。
高度（m）7 2 0.30 0.04平均风速（m/s） 3.92 3.30 2.40 1.41解：引入对数坐标系令错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
得出右表：则通过错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
带入前两组值错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
∴错误!未找到引用源。
（m）错误!未找到引用源。
（m/s）错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
15.在定常、均匀的气流中，铅直方向处于静力平衡的空气质点受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和水平摩擦力的作用，假定后者与风速矢方向相反、大小成比例，试求风压场之间的关系，并作图说明。
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。
大气边界层特征及其对气象现象的影响
大气边界层特征及其对气象现象的影响当我们仰望天空，感受着风的吹拂，体验着气温的变化，观察着云朵的飘动，这些看似平常的气象现象背后，都有着大气边界层的“身影”。
大气边界层，这个在气象学中占据重要地位的概念，它的特征以及对气象现象的影响，值得我们深入探究。
大气边界层，简单来说，就是靠近地球表面、受到下垫面强烈影响的大气层。
它的厚度从几百米到一两千米不等，就像是地球的“外衣”，与我们的日常生活息息相关。
大气边界层的一个显著特征就是风的变化。
在这一层中，风的速度和方向都会受到地表粗糙度、地形等因素的影响。
比如在城市中，高楼大厦林立，地表粗糙度大，风在流经时会受到阻碍，风速会减小，风向也可能发生改变。
而在开阔的平原地区，地表粗糙度小，风能够较为顺畅地流动，风速相对较大。
这种风的变化对于污染物的扩散、风能的利用等都有着重要的影响。
如果风在城市中流动不畅，污染物就容易积聚，导致空气质量下降；而在风能丰富的地区，准确把握风的特征则有助于高效地开发和利用风能。
大气边界层中的温度分布也是其重要特征之一。
在白天，太阳辐射强烈，地表受热升温快，靠近地面的空气温度较高，形成温度随高度升高而降低的“递减层结”。
这时候，大气处于不稳定状态，容易产生对流，将热量向上传递，形成对流云甚至雷雨等天气现象。
而在夜间，地表散热快，温度下降，形成温度随高度升高而升高的“逆温层结”。
逆温层就像一个盖子，阻止了上下层空气的交换，使得污染物难以扩散，容易造成雾霾等恶劣天气。
大气边界层中的水汽含量也是变化多端的。
靠近地表的水汽含量通常较高，这是因为地表的水体蒸发、植物蒸腾等作用会向大气中补充水汽。
当水汽充足且遇到合适的条件时，就会形成云、雾、降水等天气现象。
比如在山区，由于地形的抬升作用，空气上升冷却，水汽凝结形成降雨，这就是地形雨的形成机制。
大气边界层的湍流特征也不容忽视。
湍流就像是大气中的“搅拌器”，使得大气中的热量、水汽、污染物等得以混合和交换。
动力气象-第八章(大气边界层2)解析
埃克曼标高（hE）， 具有高度因次，它 又是推导埃克曼螺线所特有的参数，也是
边界层厚度的特征量。
梯度风高度ZH（hB）为埃克曼标高的 倍
hE～312m
当zH= hE =hB时，
45o
3、湍流粘性力随高度的变化 (1i) z
W u iv (ug ivg )e hE (ug ivg )
边界层最重要的特性是： 湍流性——物理量输送 据观测近地面层中 Tzx Tzx “近地面层”中，该层很薄，物理量的通量
几乎不随高度变化。 由于近地面层中物理量的通量几乎不随高度
变化，所以又称近地面层称为常值通量层。
常通量层中，物理量的垂直输送不随高度 变化。则湍流动量输送（雷诺应力）
Tz = Tz0 =常矢量 其中z0称为地面粗糙度，定义为风速为零 的高度，风洞实验确定其值为覆盖下界面 粗糙物平均高度的1/30。
有代表性的地面粗糙度
图中的w表示垂直运动，F表示浮力
中性层结中，湍流仅决定与下垫面动力作用。离 下垫面越近，l 就越小。Prandtl假设l是z的线性
函数l=z。 是卡曼常数（0.35~0.42，一般取
0.4）。
l z
斜率为ctg u ;
z轴上的截距为y0 ln z0
➂ 假定地面风速为零，从而得到风与等压线交角为45。 然而当z=0时，u=v=0，那么风向是无法确定的，45 的交角是理论的，实际上，地面风不为零，海洋上 该角为15，陆地上一般为30。
埃克曼为等角螺线
(1i) z
(1i) z
W u iv uge hE ug ug (e hE 1)
引入复地转偏差：W
W z
1 hE
i
ug
e
(1i
大气边界层结构及其影响因素分析
大气边界层结构及其影响因素分析大气边界层是介于地球表面和大气上层之间的一个区域，是大气和地面之间的交界处，气象学上也称为对流层。
边界层的高度通常在几百米到几千米之间，其中包含了地面的摩擦层和大气上部的惯性层。
边界层的结构和层高是大气研究和气象预报中的重要参数，影响着大气的动力学和化学过程。
大气边界层结构主要由气温、风速、湿度、气压和大气组分等因素控制，其中，气温和风速是影响边界层结构最重要的因素。
气温是影响边界层结构最重要的因素之一，它对于边界层的发展和演化有着重要的影响。
在白天，地面受太阳辐射的热量加热，导致地面温度升高，热空气向上流，形成了较强的对流运动。
在这种情况下，边界层往往呈现出温度递减、风速递增、湿度递减等明显特征。
然而，夜间地面会散放出热量，导致温度逐渐降低，空气不再产生对流运动，边界层开始稳定，呈现出温度递增、风速递减、湿度递增等特征，这种现象我们通常称之为夜间稳定层。
风速是另一个影响边界层结构的重要因素。
由于边界层受到地面摩擦的影响，近地表层的风速会逐渐减小，形成风速递减层，这种现象通常表现为物体在不同高度风速不一致，例如风筝在地面上飘荡，而在较高的高度上则会遇到更强的风速。
在边界层中，风速的垂直梯度也很重要，垂直风速梯度的大小决定了边界层的动力学特征和边界层混合的程度。
湿度也是影响边界层结构的重要因素之一。
湿度的变化会影响边界层的稳定度和边界层内部的热和水汽交换，同时也影响着大气的化学反应过程。
在潮湿的条件下，水汽会加强大气中的凝结和降水过程，从而影响边界层的垂直分布和动力学特征。
气压和大气组分也对边界层结构产生了一定的影响。
气压的变化会影响着空气的压强梯度力、重力和惯性力等，进而对流场和温度场发生改变。
大气组分中水汽、二氧化碳、氧气、氮气等组分在边界层中的扩散和混合也会影响边界层结构的演化和化学反应过程。
总之，大气边界层的结构和演化是由多种因素决定的。
气温和风速是边界层结构最为重要的两个因素，湿度、气压和大气组分等因素也都对边界层结构和化学反应过程产生了重要的影响。
大气边界层特征及其对气象的影响
大气边界层特征及其对气象的影响在我们头顶上方的大气层中，存在着一个与我们的日常生活和气象变化息息相关的区域，那就是大气边界层。
大气边界层是靠近地球表面、受地面摩擦和热力影响最强烈的大气层部分。
了解大气边界层的特征以及它对气象的影响，对于我们更好地理解和预测天气、应对气候变化以及进行相关的环境和工程活动都具有重要意义。
大气边界层的厚度通常在几百米到几千米之间，其厚度会随着时间、地点和气象条件的不同而发生变化。
在晴朗的白天，由于地面受到太阳辐射的加热，空气产生对流运动，大气边界层的厚度可能会增加；而在夜间，地面冷却，对流减弱，边界层厚度则会减小。
此外，不同的地形地貌，如山脉、平原、海洋等，也会对大气边界层的厚度产生影响。
例如，在山区，由于地形起伏较大，大气流动受到阻碍，边界层厚度可能相对较薄；而在广阔的平原地区，大气流动较为顺畅，边界层厚度可能相对较大。
大气边界层的一个重要特征是风速和风向的变化。
在接近地面的地方，由于地面的摩擦作用，风速会逐渐减小，风向也会发生偏转。
随着高度的增加，风速逐渐增大，风向也逐渐与等压线平行。
这种风速和风向的垂直变化对于大气的动量、热量和水汽输送有着重要的影响。
例如，在强风天气中，大气边界层内的风速较大，能够快速地将污染物扩散到较远的地方；而在微风天气中，污染物则容易在局部地区积聚，导致空气质量下降。
大气边界层中的温度分布也是其重要特征之一。
在白天，地面吸收太阳辐射后温度升高，热量通过对流和湍流等方式向上传递，形成温度随高度递减的不稳定层结；而在夜间，地面向外辐射热量，温度降低，形成温度随高度增加的稳定层结。
这种温度层结的变化会影响大气的垂直运动和稳定程度。
不稳定层结有利于对流的发展，容易形成云和降水；稳定层结则抑制对流，使大气较为稳定，不利于污染物的扩散。
大气边界层中的水汽含量也存在着明显的垂直分布特征。
靠近地面的空气通常含有较多的水汽，随着高度的增加，水汽含量逐渐减少。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
Kz
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
z
2 z
e hE
hE
辐角（风与等压线之间的夹角）
z
e hE sin
z
tg
v u
z
1 e hE
hE cos zK=5m2/s，
ug=10m/s，计算出埃克曼层各高度上风 速分量u, v风速值大小及风与等压线之
间的夹角（见下表）：
埃克曼层中风向、风速随高度的变化
u，v 随高度的变化
ZH
2K f
梯度风高度ZH 与湍流系数K 和纬度 有关。
同纬度，K值越大，湍流运动越强，梯度 风高度越高。反之亦然，这是因为强的湍 流运动影响的层次深厚，所以需要在更高 的高度上风向才与地转风趋于一致。
ZH
2K f
当K值相同时，高（低）纬度处的梯度风 高度低（高）。这是因为高纬度的f 值较 大，则科氏力也较大，因此与低纬度相 比，能在较低的高度达到科氏力与气压 梯度力相平衡。
➂ 假定地面风速为零，从而得到风与等压线交角为45。 然而当z=0时，u=v=0，那么风向是无法确定的，45 的交角是理论的，实际上，地面风不为零，海洋上 该角为15，陆地上一般为30。
埃克曼为等角螺线
(1i) z
(1i) z
W u iv uge hE ug ug (e hE 1)
引入复地转偏差：W
度可视为行星边界层顶。
埃克曼螺线的讨论
K l 2 u z
对于天气尺度的涡动粘性系数K≈5m2/s，取 f～ 10-4/s，De～103m，若风速的垂直切变取：
u 5(m / s) / km 5 103 s1 z
则平均混合长l 大约为30m，这个厚度比埃克曼 厚度980m小许多。
hE
2K f
梯度风高度（zH）
梯度风高度：当zH= hE时，边界层的风与地转
风平行，但比地转风稍大，通常把这一高度视为
行星边界层的顶部，也称为埃克曼厚度（ De ）
De hE
2K f
De ~ 1km, f ~ 104 / s
K 5m2 / s
梯度风高度
ZH hE
2K f
取纬度 =45N，K=5m2/s，ZH≈980m， 此高
二个点可以确定一直线，所以二个高度上有 观测，可以得到风廓线，可以得到u* 及z0
§4 埃克曼层中风随高度的变化规律
三力平衡示意图
§4 埃克曼层中风随高度的变化规律
假定：➀ 密度 取常数； ➁ 略去加速度项（运
动定常以及平流惯性力相对于科氏力和水平气压 梯度力可忽略）；➂ 只考虑湍流粘性力在铅自 方向的变化。垂直项的输送>>水平项的输送
第八章 大气行星边界层
§1 大气边界层及其特征 §2 湍流平均运动方程、混合长理论 §3 近地面风随高度的变化规律 ★ §4 埃克曼层中风随高度的变化规律 ★ §5 二级环流、埃克曼抽吸和旋转减弱★
混合长示意图
§3 近地面风随高度的变化规律
近地面层风随高度的分布（风廓线）
一、常值通量层的概念
W
ug
(1i) z
uge hE
hE 1
2K f
(1i) z
z iz
z i( z )
W uge hE uge hE e hE uge hE e hE
埃克曼螺线的切线方向：W z
W z
1 hE
i
ug
(1i )
e
z hE
z i( z )
2ug hE1e e hE 4 hE
i (1 i) / 2
埃克曼标高（hE）， 具有高度因次，它 又是推导埃克曼螺线所特有的参数，也是
边界层厚度的特征量。
梯度风高度ZH（hB）为埃克曼标高的 倍
hE～312m
当zH= hE =hB时，
45o
3、湍流粘性力随高度的变化 (1i) z
W u iv (ug ivg )e hE (ug ivg )
边界层最重要的特性是： 湍流性——物理量输送 据观测近地面层中 Tzx Tzx “近地面层”中，该层很薄，物理量的通量
几乎不随高度变化。 由于近地面层中物理量的通量几乎不随高度
变化，所以又称近地面层称为常值通量层。
常通量层中，物理量的垂直输送不随高度 变化。则湍流动量输送（雷诺应力）
Tz = Tz0 =常矢量 其中z0称为地面粗糙度，定义为风速为零 的高度，风洞实验确定其值为覆盖下界面 粗糙物平均高度的1/30。
(1i) z
vg 0 W ug (1 e ) hE
复速度W 记为W
则湍流粘性应力为：
d 2W K
dz 2
z
fug e hE
i( z )
e 2 hE
z
大小（模）为：r fuge hE
幅角为： z
2 hE
取 =45N，K=5m2/s，地转风ug=10m/s，由上式
计算出埃克曼层各高度上湍流粘性应力的大小和
有代表性的地面粗糙度
图中的w表示垂直运动，F表示浮力
中性层结中，湍流仅决定与下垫面动力作用。离 下垫面越近，l 就越小。Prandtl假设l是z的线性
函数l=z。 是卡曼常数（0.35~0.42，一般取
0.4）。
l z
斜率为ctg u ;
z轴上的截距为y0 ln z0