第一章 大氣邊界層與邊界層氣象學(xué)研究.

1、第一章第一章 大氣邊界層與邊界層大氣邊界層與邊界層氣象學(xué)研究氣象學(xué)研究第一節(jié)第一節(jié) 大氣邊界層及其特性大氣邊界層及其特性1.1 1.1 大氣邊界層（大氣邊界層（重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握） 10 km12 km自由大氣自由大氣平流層平流層邊界層邊界層流體力學(xué)的邊界層理論流體力學(xué)的邊界層理論 當(dāng)流體以當(dāng)流體以高雷諾數(shù)高雷諾數(shù)繞物體流動(dòng)時(shí)，在流體與物面完全分離以前，繞物體流動(dòng)時(shí)，在流體與物面完全分離以前，粘性和湍流的輸運(yùn)作用僅限于物體表面的薄剪切層內(nèi)粘性和湍流的輸運(yùn)作用僅限于物體表面的薄剪切層內(nèi)-邊界層內(nèi)，邊界層內(nèi)，而邊界層以外，速度和溫度梯度很小，粘性和湍流可以忽略。而邊界層以外，速度和溫度梯度很小，粘性

2、和湍流可以忽略。 邊界層內(nèi)：粘性流場(chǎng)（邊界層內(nèi)：粘性流場(chǎng)（NavierNavier-Stokes)-Stokes)； 邊界層外：無粘性邊界層外：無粘性( (歐拉方程歐拉方程).). 流體力學(xué)的邊界層厚度流體力學(xué)的邊界層厚度 ：即流體速度達(dá)到：即流體速度達(dá)到99%99%自由流體速度自由流體速度u u0 0的位置：的位置： 在這一邊界層，存在動(dòng)量虧損、能量虧損。在這一邊界層，存在動(dòng)量虧損、能量虧損。 流體力學(xué)邊界層的范圍很寬，如飛機(jī)機(jī)翼等不規(guī)則形狀。流體力學(xué)邊界層的范圍很寬，如飛機(jī)機(jī)翼等不規(guī)則形狀。用流體力學(xué)方法對(duì)大氣邊界層定義，可行嗎？用流體力學(xué)方法對(duì)大氣邊界層定義，可行嗎？1 1、實(shí)際大氣存在

3、地轉(zhuǎn)偏向力，風(fēng)速、風(fēng)向隨高度有剪切作用，、實(shí)際大氣存在地轉(zhuǎn)偏向力，風(fēng)速、風(fēng)向隨高度有剪切作用， 二維問題二維問題 變?yōu)樽優(yōu)?三維問題。三維問題。2 2、溫度層結(jié)的影響（大氣穩(wěn)定度）、溫度層結(jié)的影響（大氣穩(wěn)定度） 流體力學(xué)邊界層可以將動(dòng)力邊界層和熱力邊界層分別討論，而大氣邊界層動(dòng)流體力學(xué)邊界層可以將動(dòng)力邊界層和熱力邊界層分別討論，而大氣邊界層動(dòng)力與熱力作用共同存在，引入大氣穩(wěn)定度的概念。力與熱力作用共同存在，引入大氣穩(wěn)定度的概念。3 3、下墊面不均一，因地形變化，邊界層在流場(chǎng)方向做調(diào)整。、下墊面不均一，因地形變化，邊界層在流場(chǎng)方向做調(diào)整。4 4、邊界層頂云的影響、邊界層頂云的影響 與邊界層發(fā)展密

4、切相關(guān)的云有積云、層積云、層云等，天空有云時(shí)，輻射傳與邊界層發(fā)展密切相關(guān)的云有積云、層積云、層云等，天空有云時(shí)，輻射傳輸受影響。輸受影響。5 5、天氣系統(tǒng)的影響（目前較難研究）、天氣系統(tǒng)的影響（目前較難研究）6 6、邊界層內(nèi)湍流尺度分布、邊界層內(nèi)湍流尺度分布 最大邊界層厚度可達(dá)數(shù)公里，小到耗散尺度（幾個(gè)毫米的量級(jí)）最大邊界層厚度可達(dá)數(shù)公里，小到耗散尺度（幾個(gè)毫米的量級(jí)）大氣科學(xué)中小尺度分類大氣科學(xué)中小尺度分類 200km 臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng) Meso 尺度尺度20km 200km 低空急流低空急流 Meso 尺度尺度 2km 20km 重力波、地形重力波、地形 Meso 尺度尺度200m 2km 對(duì)流對(duì)

5、流 Micro 尺度尺度 20m 200m 對(duì)流單體對(duì)流單體 Micro 尺度尺度 2m 20m 煙氣擴(kuò)散煙氣擴(kuò)散 Micro 尺度尺度 2m 湍流湍流 Micro 尺度尺度 如何定義邊界層的上界，是一個(gè)很困難的問題。如何定義邊界層的上界，是一個(gè)很困難的問題。有時(shí)，上界很明顯，例如逆溫蓋，在蓋子以下大有時(shí)，上界很明顯，例如逆溫蓋，在蓋子以下大氣受下墊面影響很大，而在蓋子以上則未受影響。氣受下墊面影響很大，而在蓋子以上則未受影響。但在通常情況下這種明顯的界限是不存在的，下但在通常情況下這種明顯的界限是不存在的，下墊面的作用隨高度的增加只是緩緩減弱。一般地，墊面的作用隨高度的增加只是緩緩減弱。一般

6、地，類似于流體動(dòng)力學(xué)中邊界層厚度的定義，定義大類似于流體動(dòng)力學(xué)中邊界層厚度的定義，定義大氣邊界層的上界為在這個(gè)界面上氣邊界層的上界為在這個(gè)界面上 ，由地面作用導(dǎo)，由地面作用導(dǎo)致的湍流動(dòng)量通量以及熱通量均減小到地面值的致的湍流動(dòng)量通量以及熱通量均減小到地面值的很小一部分，例如很小一部分，例如1%1%。但有時(shí)也以逆溫層頂作為。但有時(shí)也以逆溫層頂作為大氣邊界層上界。大氣邊界層上界。有時(shí)有時(shí)ABL高度難以判斷高度難以判斷大氣邊界層特征：大氣邊界層特征： 地球表面向上并與地面有直接作用的氣層；地球表面向上并與地面有直接作用的氣層； 是地球表面與自由大氣間進(jìn)行物質(zhì)、能量、熱量和水氣交換是地球表面與自由大氣

7、間進(jìn)行物質(zhì)、能量、熱量和水氣交換必經(jīng)的氣層；必經(jīng)的氣層； 具有明顯的日變化規(guī)律；具有明顯的日變化規(guī)律； 與季節(jié)、天氣背景、高度等密切相關(guān)。如：按熱動(dòng)力學(xué)，有與季節(jié)、天氣背景、高度等密切相關(guān)。如：按熱動(dòng)力學(xué)，有不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定層結(jié)之分。不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定層結(jié)之分。 涉及面廣：空氣污染、環(huán)境、氣候變化等涉及面廣：空氣污染、環(huán)境、氣候變化等日變化：日變化： 不穩(wěn)定大氣邊界層，主尺度在空間上與邊界層厚度相當(dāng)，傳輸不穩(wěn)定大氣邊界層，主尺度在空間上與邊界層厚度相當(dāng)，傳輸快；快； 穩(wěn)定邊界層，主尺度小于邊界層厚度，可能出現(xiàn)湍流間歇性，穩(wěn)定邊界層，主尺度小于邊界層厚度，可能出現(xiàn)湍流間歇性，傳輸慢。傳輸慢。平

8、均風(fēng)速平均風(fēng)速波動(dòng)波動(dòng)湍流湍流1.2 1.2 風(fēng)與氣流風(fēng)與氣流 平均與擾動(dòng)：平均與擾動(dòng)：uuuvvvwww平均風(fēng)平均風(fēng)波波+湍流湍流平均風(fēng)平均風(fēng)：明顯的日變化：明顯的日變化 風(fēng)速和風(fēng)向及其相關(guān)邊界層屬性具有明顯的垂直梯度風(fēng)速和風(fēng)向及其相關(guān)邊界層屬性具有明顯的垂直梯度 一般量級(jí)：水平風(fēng)為米的量級(jí)一般量級(jí)：水平風(fēng)為米的量級(jí) 垂直風(fēng)為毫米垂直風(fēng)為毫米- -米的量級(jí)米的量級(jí)波動(dòng)：波動(dòng)：有規(guī)則和一定的周期變化，形式多樣，常見：有規(guī)則和一定的周期變化，形式多樣，常見： 重力波、慣性波重力波、慣性波湍流：湍流：大氣邊界層的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)大氣邊界層的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)，剪切和不穩(wěn)定特性等，剪切和不穩(wěn)定特性等， 湍流對(duì)

9、大氣邊界層的發(fā)展和演變有關(guān)鍵作用。湍流對(duì)大氣邊界層的發(fā)展和演變有關(guān)鍵作用。大氣湍流和波動(dòng)疊加在平均場(chǎng)上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動(dòng)。大氣湍流和波動(dòng)疊加在平均場(chǎng)上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動(dòng)。1.3 1.3 湍流輸送湍流輸送定義：定義： 湍流是疊加在平均風(fēng)上的陣風(fēng)，湍流是疊加在平均風(fēng)上的陣風(fēng)，是一種是一種隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。湍流響應(yīng)。湍流響應(yīng)地面作用及其變化，是地面作用及其變化，是動(dòng)量、熱量、動(dòng)量、熱量、水汽和物質(zhì)從地面反饋進(jìn)入大氣水汽和物質(zhì)從地面反饋進(jìn)入大氣并以并以時(shí)空混合的主要大氣過程。湍流以時(shí)空混合的主要大氣過程。湍流以各各種尺度相互疊加種尺度相互疊加的湍渦形式存在。的湍渦形式存在。湍流

10、產(chǎn)生的能量來源湍流產(chǎn)生的能量來源小尺度小尺度（1000km）水平和垂直風(fēng)切變水平和垂直風(fēng)切變熱力不穩(wěn)定性熱力不穩(wěn)定性地面粗糙度地面粗糙度云形成過程中的潛熱云形成過程中的潛熱釋放釋放氣流在地形、城市、氣流在地形、城市、島嶼上方的流動(dòng)島嶼上方的流動(dòng)氣流在具有明顯特性氣流在具有明顯特性變化的下墊面上流動(dòng)，變化的下墊面上流動(dòng)，如陸如陸-海風(fēng)海風(fēng)由于太陽輻射加熱造由于太陽輻射加熱造成的緯向變化造成的成的緯向變化造成的區(qū)域氣流的水平不穩(wěn)區(qū)域氣流的水平不穩(wěn)定性定性 按照能量學(xué)的觀點(diǎn)，大氣湍流的按照能量學(xué)的觀點(diǎn)，大氣湍流的存在和維持有三大類型：存在和維持有三大類型： 機(jī)械的或地面粗糙度的影響機(jī)械的或地面粗糙度

11、的影響 熱力不穩(wěn)定性熱力不穩(wěn)定性 地表加熱或冷卻地表加熱或冷卻 水平和垂直風(fēng)切變波產(chǎn)生湍流水平和垂直風(fēng)切變波產(chǎn)生湍流 密度界面上的開爾文亥姆霍茲波密度界面上的開爾文亥姆霍茲波1.4 1.4 泰勒假說（波動(dòng)凍結(jié)假說）泰勒假說（波動(dòng)凍結(jié)假說）對(duì)湍流的觀測(cè)，兩種途徑：對(duì)湍流的觀測(cè)，兩種途徑：1）固定時(shí)間，選取多個(gè)空間位置）固定時(shí)間，選取多個(gè)空間位置 困難困難2）固定位置，長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，如氣象觀測(cè)塔）固定位置，長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，如氣象觀測(cè)塔 較易較易1.4 泰勒假說泰勒假說時(shí)間變化的風(fēng)速時(shí)間變化的風(fēng)速空間變化的風(fēng)速空間變化的風(fēng)速出發(fā)點(diǎn)：出發(fā)點(diǎn)：定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)較易、瞬時(shí)大范圍觀測(cè)較難。定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)較易、瞬時(shí)大

12、范圍觀測(cè)較難。Taylor (1938): 在湍渦發(fā)展的時(shí)間尺度大于其平移過傳感器時(shí)間在湍渦發(fā)展的時(shí)間尺度大于其平移過傳感器時(shí)間的情況下，當(dāng)湍流平移過傳感器時(shí)，可以把它看成是凝固的。的情況下，當(dāng)湍流平移過傳感器時(shí)，可以把它看成是凝固的。這樣，風(fēng)速就可以把本來作為時(shí)間函數(shù)對(duì)湍流的測(cè)量變?yōu)橄鄳?yīng)這樣，風(fēng)速就可以把本來作為時(shí)間函數(shù)對(duì)湍流的測(cè)量變?yōu)橄鄳?yīng)的空間上的測(cè)量。的空間上的測(cè)量。1.4 泰勒假說泰勒假說5 10100mxyz湍渦湍渦直徑直徑100m的湍渦，溫差的湍渦，溫差505. 0dxT/m5 1010m/sxyz湍渦湍渦10秒后被秒后被10m/s風(fēng)速吹至下風(fēng)方風(fēng)速吹至下風(fēng)方5 . 0tT/sdT

13、TUtx 一維空間溫度的泰勒假說一維空間溫度的泰勒假說1.4 泰勒假說泰勒假說對(duì)任一對(duì)任一變量變量 ，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，湍流凝固時(shí)，湍流凝固而全導(dǎo)數(shù)而全導(dǎo)數(shù)dUVWdttxyz0dtd泰勒假說的一般形式：泰勒假說的一般形式：zWyVxUt前提條件：各向同性、平穩(wěn)湍流前提條件：各向同性、平穩(wěn)湍流 湍渦變化極小，即湍強(qiáng)滿足湍渦變化極小，即湍強(qiáng)滿足5 . 0)(uIux1.5 1.5 相似性參數(shù)相似性參數(shù) 物理實(shí)驗(yàn)（風(fēng)洞、水槽等）中，為保證得物理實(shí)驗(yàn)（風(fēng)洞、水槽等）中，為保證得到正確結(jié)果而且與實(shí)際大氣系統(tǒng)可比較，到正確結(jié)果而且與實(shí)際大氣系統(tǒng)可比較，則需要滿足相似性條件則需要滿足相似性條件 幾何相似幾何相似

14、 運(yùn)動(dòng)學(xué)相似運(yùn)動(dòng)學(xué)相似 動(dòng)力學(xué)相似動(dòng)力學(xué)相似 熱力學(xué)相似熱力學(xué)相似 邊界條件相似邊界條件相似 座落于南京大學(xué)浦口校區(qū)的座落于南京大學(xué)浦口校區(qū)的NJUNJU大氣環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)景照片大氣環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)景照片 邊界層研究的主要方法邊界層研究的主要方法南京大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)（以北京芳古園小區(qū)為對(duì)象，相似比南京大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)（以北京芳古園小區(qū)為對(duì)象，相似比250:1250:1）1.5 相似性參數(shù)相似性參數(shù) 雷諾數(shù)（雷諾數(shù)（Re）相似）相似 羅斯貝數(shù)（羅斯貝數(shù)（Ro）相似）相似 弗羅德數(shù)（弗羅德數(shù)（Fr）相似（或理查遜數(shù)）相似（或理查遜數(shù)Ri相似）相似） 普朗特?cái)?shù)（普朗特?cái)?shù)（Pr）相似）相似 施密特?cái)?shù)（施密特

15、數(shù)（Sc）相似）相似 氣流相似（幾何相似、運(yùn)動(dòng)學(xué)相似），那么作用于氣流相似（幾何相似、運(yùn)動(dòng)學(xué)相似），那么作用于各氣流系統(tǒng)的各種作用力也要滿足一定比例相似：各氣流系統(tǒng)的各種作用力也要滿足一定比例相似：1.5 相似性參數(shù)相似性參數(shù)1. 雷諾數(shù)（雷諾數(shù)（Re）相似性）相似性ULRe慣性力慣性力粘滯力粘滯力U：流速：流速L：特征線性尺度：特征線性尺度v：運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù)：運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù)高風(fēng)速高風(fēng)速空氣充分混合，湍流發(fā)展空氣充分混合，湍流發(fā)展粘滯力粘滯力抑制不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，抑制湍流抑制不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，抑制湍流Re?。ㄐ。?）時(shí)，慣性力主導(dǎo)，氣流呈湍流）時(shí)，慣性力主導(dǎo)，氣流呈湍流1.5 相似性參數(shù)相似性參數(shù)2. 羅

16、斯貝數(shù)（羅斯貝數(shù)（Ro）相似性）相似性fLURo 慣性力慣性力柯氏力柯氏力f ：柯氏參數(shù)：柯氏參數(shù) （地轉(zhuǎn)偏向力）（地轉(zhuǎn)偏向力）Ro大大柯氏加速度影響小，風(fēng)切變（旋轉(zhuǎn)所致）的影響柯氏加速度影響小，風(fēng)切變（旋轉(zhuǎn)所致）的影響可不計(jì)?？刹挥?jì)。Ro趨向無窮大趨向無窮大Ro自行滿足自行滿足Ro1，柯氏力影響較大，地球旋轉(zhuǎn)作用不可忽略，柯氏力影響較大，地球旋轉(zhuǎn)作用不可忽略1.5 相似性參數(shù)相似性參數(shù)3. 弗羅德數(shù)（弗羅德數(shù)（Fr）相似性）相似性gLUFr2慣性力慣性力重力重力g ：重力加速度：重力加速度Fr大（大（1），重力影響小），重力影響小Fr小（?。?或或 T密度：水蒸汽密度：水蒸汽 干空氣干空氣絕

17、對(duì)溫度絕對(duì)溫度T虛溫虛溫TvQh森林森林-10月月14日日Qe12m/s12m/s）或陰天條件：中性邊界層）或陰天條件：中性邊界層不同時(shí)刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線不同時(shí)刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線FA: FA: 自由大氣層自由大氣層ML: ML: 混合層混合層RL: RL: 殘留層殘留層SBL: SBL: 穩(wěn)定邊界層穩(wěn)定邊界層SL: SL: 近地層近地層CL: CL: 云層云層SCL: SCL: 云下層云下層S7 分析大氣邊界層結(jié)構(gòu)變化特征，具分析大氣邊界層結(jié)構(gòu)變化特征，具體問題具體分析。體問題具體分析。 考慮考慮天氣條件天氣條件，下墊面下墊面，地形地形以以及及季節(jié)、層結(jié)穩(wěn)定度條件季節(jié)、層結(jié)

18、穩(wěn)定度條件等的變化對(duì)等的變化對(duì)大氣邊界層的影響。大氣邊界層的影響。2.2 2.2 愛克曼螺線和愛克曼層愛克曼螺線和愛克曼層( (了解了解) ) 在中性層結(jié)、下墊面水平均勻、大氣定常，在中性層結(jié)、下墊面水平均勻、大氣定常，且粘滯系數(shù)為常數(shù)的情況下所求得的風(fēng)隨且粘滯系數(shù)為常數(shù)的情況下所求得的風(fēng)隨高度變化的解，即為經(jīng)典的高度變化的解，即為經(jīng)典的EkmanEkman風(fēng)廓線解。風(fēng)廓線解。 可定性給出邊界層運(yùn)動(dòng)的一些性質(zhì)，可定性給出邊界層運(yùn)動(dòng)的一些性質(zhì)，但并非很合適的解。但并非很合適的解。 穩(wěn)定度，用穩(wěn)定度，用M-O長(zhǎng)度長(zhǎng)度L作為依據(jù)作為依據(jù) L ： 負(fù)值負(fù)值 無窮大無窮大 正值正值 對(duì)流（不穩(wěn)定）、中性

19、、穩(wěn)定對(duì)流（不穩(wěn)定）、中性、穩(wěn)定2.3 2.3 大氣穩(wěn)定度與大氣穩(wěn)定度與ABLABL結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)（逐漸掌握逐漸掌握） 不穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象不穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自。（引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990) 穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自。（引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990)蓋帽逆溫蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結(jié)上部穩(wěn)定層結(jié)中的波動(dòng)及下中的波動(dòng)及下部大對(duì)流湍渦部大對(duì)流湍渦湍流層較淺湍流層較淺層內(nèi)存在顯著平均層內(nèi)存在顯著平均梯度梯度, ,風(fēng)速極值分布風(fēng)速極值分布湍渦尺度小湍渦尺度小, ,伴隨疊伴隨疊加重力

20、波加重力波 大氣穩(wěn)定度與煙羽大氣穩(wěn)定度與煙羽溫度溫度高度高度污染物濃度污染物濃度a.a.環(huán)鏈形：不穩(wěn)定；湍流強(qiáng)，擴(kuò)散迅速；白天晴朗小風(fēng)或環(huán)鏈形：不穩(wěn)定；湍流強(qiáng)，擴(kuò)散迅速；白天晴朗小風(fēng)或地形起伏區(qū)。地形起伏區(qū)。b.b.圓錐形：中性；水平垂直方向擴(kuò)散均勻；平坦郊野大風(fēng)圓錐形：中性；水平垂直方向擴(kuò)散均勻；平坦郊野大風(fēng)多云。多云。c.c. 扇形：穩(wěn)定；湍流受抑，垂直擴(kuò)散小，水平沿主導(dǎo)風(fēng)向有一定扇形：穩(wěn)定；湍流受抑，垂直擴(kuò)散小，水平沿主導(dǎo)風(fēng)向有一定側(cè)向擴(kuò)散；夜間小風(fēng)或凌晨強(qiáng)逆溫。側(cè)向擴(kuò)散；夜間小風(fēng)或凌晨強(qiáng)逆溫。d.d. 漫煙形（熏煙形、陷阱型）：上穩(wěn)、下不穩(wěn)；下部煙羽充分?jǐn)U漫煙形（熏煙形、陷阱型）：上穩(wěn)、下不穩(wěn)；下部煙羽充分?jǐn)U散，上部逆溫頂蓋；日出后，煙霧事件。散，上部逆溫頂蓋；日出后，煙霧事件。e.e. 屋脊形（上升型）：上中屋脊形（上升型）：上中( (或不穩(wěn)或不穩(wěn)) )、下穩(wěn)；上部煙羽沿主風(fēng)向、下穩(wěn)；上部煙羽沿主風(fēng)向呈屋脊形擴(kuò)散，下部邊緣清