大气边界层概述课件.ppt

大气边界层概述大气物理系《大气边界层概述》PPT课件 与流体力学中称固壁附近的边界层为与流体力学中称固壁附近的边界层为““平板边界层平板边界层””、、““机翼绕流边界层机翼绕流边界层””等类似，大气边界层也常常被称为等类似，大气边界层也常常被称为““行行星边界层星边界层””，因为它是处于旋转的地球上的当大气在地表，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，风向也随之变化小在随高度变化的同时，风向也随之变化《大气边界层概述》PPT课件 大气边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气大气边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气边界层的边界层的Reynolds数是相当大的，流体几乎总是处于湍流数是相当大的，流体几乎总是处于湍流状态，而且湍流度很大，可达状态，而且湍流度很大，可达20%左右水平均匀地面左右水平均匀地面上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其中上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其中近地面近地面50~100m范围内的一层称为范围内的一层称为“近地层近地层”或或“常通量常通量层层”(该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性次层，该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性次层，但通常不予考虑但通常不予考虑)，其中湍流动量通量可以认为是常值，，其中湍流动量通量可以认为是常值，平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用平板边平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用平板边界层模拟大气近地层的基础界层模拟大气近地层的基础《大气边界层概述》PPT课件 大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致的强烈的日变化。

具体地说，白天和夜间的大气边界层结构的强烈的日变化具体地说，白天和夜间的大气边界层结构有显著的不同白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界有显著的不同白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳定层层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳定层结状态，这时的边界层称为结状态，这时的边界层称为对流边界层对流边界层，其厚度可达几百米，其厚度可达几百米甚至几千米；而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通甚至几千米；而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通量是向下的，量是向下的， 空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为稳定边界层或夜间边界层稳定边界层或夜间边界层，厚度较低，只有二三百米左右厚度较低，只有二三百米左右下图是对流边界层和夜间边界层内的实测风速、温度分布，下图是对流边界层和夜间边界层内的实测风速、温度分布，可见其结构是很不一样的可见其结构是很不一样的《大气边界层概述》PPT课件不稳定稳定1999/10/5 08:00，，北京北京露点和大气温度垂直分布露点和大气温度垂直分布（逆温）《大气边界层概述》PPT课件不稳定边界层风、温廓线不稳定边界层风、温廓线稳定边界层风、温廓线稳定边界层风、温廓线《大气边界层概述》PPT课件《大气边界层概述》PPT课件 夜间稳定边界层比起白天的对流边界层来有显著的不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，同，特别是，夜间经常在很低的高度上出现较强的逆温，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严重阻碍了物质和能量的扩散。

因此研究夜间逆温层的演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，是变规律，尤其是确定逆温层顶的高度如何随时间演变，是大气边界层物理研究的一个重要课题大气边界层物理研究的一个重要课题 过去人们对夜间逆温层已进行了大量的实验观测，基过去人们对夜间逆温层已进行了大量的实验观测，基本特征是：在晴朗的夜间和均匀平坦的地面上，边界层逆本特征是：在晴朗的夜间和均匀平坦的地面上，边界层逆温从日落后开始发展，随着时间的推移，逆温层厚度从零温从日落后开始发展，随着时间的推移，逆温层厚度从零开始不断增长开始不断增长 ，但这种增长在后半夜逐渐开始减弱，直，但这种增长在后半夜逐渐开始减弱，直到第二天日出后停止，达到最大值到第二天日出后停止，达到最大值《大气边界层概述》PPT课件夜间边界层温度垂直分布的演变《大气边界层概述》PPT课件0 05050100100150150200200250250300300-9-9-8-8-7-7-6-6-5-5-4-4-3-3-2-2-1-1温温 度度（（℃℃））高高度度20012001年年1 1月月2727日日-28-28日逆温生消的演变过程日逆温生消的演变过程2828日日0303时时2828日日1010时时2727日日1818时时（北京325米气象塔测量）《大气边界层概述》PPT课件白天白天•050•100150•200250300350400450•0•5•10•15•20•25•30•35•050•100150•200250300350400450逆温消失的时逆温消失的时段，污染物易段，污染物易于扩散。

于扩散051015202530日出前日出前日落后日落后逆温层的存在使污染物逆温层的存在使污染物难以扩散，形成堆积难以扩散，形成堆积《大气边界层概述》PPT课件城城 市市 边边 界界 层层 示示 意意 图图《大气边界层概述》PPT课件 滞留的空气、大量的粉尘以及在建筑物密集地区上空的气流，导致在整个城市上空形成粉尘、烟雾的穹顶和热岛《大气边界层概述》PPT课件生生 态态 边边 界界 层层 示示 意意 图图《大气边界层概述》PPT课件 一个关键的问题是如何定义边界层的上界，这也是一一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界面上 ，由地面作用导致的湍流动量通量以及热通量均减，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，例如小到地面值的很小一部分，例如1%1%。

但有时但有时 也以逆温层顶也以逆温层顶作为大气边界层上界作为大气边界层上界《大气边界层概述》PPT课件 总之，大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓总之，大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓冲地带，是由湍流能源冲地带，是由湍流能源 和能汇控制的区域边界层一方和能汇控制的区域边界层一方面要对大尺度气压场面要对大尺度气压场( (天气形势天气形势) )作出响应，另一方面又要作出响应，另一方面又要对下垫面的物理状况作出响应因此，发生在边界层内的对下垫面的物理状况作出响应因此，发生在边界层内的运动是非常复杂的目前，人们已经对大气边界层的基本运动是非常复杂的目前，人们已经对大气边界层的基本特征有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精确更特征有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精确更全面的实验研究和更深入的理论探讨全面的实验研究和更深入的理论探讨《大气边界层概述》PPT课件青藏高原青藏高原各种条件下的大气边界层专项观测实验各种条件下的大气边界层专项观测实验南沙南沙北极北极淮河淮河《大气边界层概述》PPT课件内 蒙《大气边界层概述》PPT课件高精度梯度测量系统高精度梯度测量系统近地面综合梯度观测近地面综合梯度观测《大气边界层概述》PPT课件观测非均匀边界层观测非均匀边界层• 超声阵列测量（超声阵列测量（ HATS计划）计划）• 观测飞机观测飞机• 带平衡陀螺仪的汽艇带平衡陀螺仪的汽艇• 闪烁仪等闪烁仪等• 遥感观测遥感观测《大气边界层概述》PPT课件热量通量观测热量通量观测辐射观测辐射观测《大气边界层概述》PPT课件青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量《大气边界层概述》PPT课件北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验《大气边界层概述》PPT课件海上大气边界层梯度观测海上大气边界层梯度观测《大气边界层概述》PPT课件中国科学院北京325米气象塔《大气边界层概述》PPT课件风 洞《大气边界层概述》PPT课件风温廓线仪风温廓线仪（（LAP-3000LAP-3000））美国美国RadianRadian公司公司最高探测高度最高探测高度最低探测高度最低探测高度垂直空间分辨率垂直空间分辨率测量范围测量范围精精 度度测量平均时间测量平均时间风：风：20002000～～5000m5000m温：温：10001000～～2000m2000m100m100m 60m 60m风速：风速：0 0～～40m/s40m/s温度：温度：-30-30～～50℃50℃风向：风向：<10°<10°风速：风速：<1m/s<1m/s温度：温度：<1℃<1℃风向：风向：<10°<10°3 3～～60min60min《大气边界层概述》PPT课件相控阵声雷达相控阵声雷达（（PA2PA2））法国法国RemtechRemtech公司公司最高探测高度最高探测高度最低探测高度最低探测高度垂直空间分辨率垂直空间分辨率测量范围测量范围精精 度度测量平均时间测量平均时间1000m1000m60m60m2020～～200m200m水平风分量：水平风分量：0 0～～30m/s30m/s垂垂 直直 风风 分分 量量 ：：±15m/s±15m/s水平风：水平风：0.2m/s0.2m/s垂直风：垂直风：<5cm/s<5cm/s2 2～～60min60min《大气边界层概述》PPT课件无线电声雷达无线电声雷达(RASS)(RASS)意大利意大利IroneIrone公司公司最高探测高度最高探测高度最低探测高度最低探测高度垂直空间分辨率垂直空间分辨率测量范围测量范围精精 度度测量平均时间测量平均时间1000m1000m100m100m10m10m-30-30～～40℃40℃0.1℃0.1℃3 3～～30min30min《大气边界层概述》PPT课件法国法国 REMTECH公司最先进的低公司最先进的低层大气风速、温层大气风速、温度廓线测量仪度廓线测量仪《大气边界层概述》PPT课件国际上最先进的边界层雷达（国际上最先进的边界层雷达（LAP5000））《大气边界层概述》PPT课件汽艇可移动小塔湿度脉动仪超声风速仪《大气边界层概述》PPT课件第一代第一代FA-11FA-11型型第二代第二代UAT-1UAT-1型型LAPCLAPC自行研制的超声风速仪自行研制的超声风速仪自行研制的超声风速仪自行研制的超声风速仪《大气边界层概述》PPT课件红外水汽脉动仪红外水汽脉动仪《大气边界层概述》PPT课件 湍湍 流流 通通 量量 仪仪(FLUXMETER,REMTECH公司)可全天候长期稳可全天候长期稳定的测量定的测量 : 等高阶湍流统计量等高阶湍流统计量《大气边界层概述》PPT课件水水 槽槽 试试 验验《大气边界层概述》PPT课件《大气边界层概述》PPT课件危险天气条件下的边界层结构（北京）危险天气条件下的边界层结构（北京）高高 度度时时 间间最大风速：最大风速：33.8m/s33.8m/s《大气边界层概述》PPT课件遥感探测青藏高原边界层结构遥感探测青藏高原边界层结构《大气边界层概述》PPT课件北极地区的边界层结构北极地区的边界层结构2～～3成流冰成流冰开阔海域开阔海域3～～4成冰成冰浮冰海域浮冰海域6～～7成冰成冰浮冰海域浮冰海域当年冰当年冰大浮冰大浮冰多年冰多年冰大浮冰大浮冰中性边中性边界层界层《大气边界层概述》PPT课件卫星遥感观测结果卫星遥感观测结果20002000年年7 7月月3030日日5 5时时3636分北京城近郊区热岛状况遥感监测图分北京城近郊区热岛状况遥感监测图《大气边界层概述》PPT课件大气边界层结构可归纳在下面的模型图中大气边界层结构可归纳在下面的模型图中 《大气边界层概述》PPT课件。