現(xiàn)代大氣探測學(xué)第十一講邊界層簡介

第十一講

大氣邊界層探測技術(shù)簡介大氣垂直分層整個(gè)大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過大氣后再被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣氣團(tuán)實(shí)際上就是全球不同地區(qū)與下墊面平衡的邊界層霜、露和最高最低溫度預(yù)報(bào)，實(shí)際上都是邊界層預(yù)報(bào)霧發(fā)生在邊界層中污染物大部分被阻擋在邊界層中大氣邊界層的重要作用（一）

作物在邊界層中生長，花粉在邊界層中輸送和擴(kuò)散到達(dá)自由大氣的全部水汽，都是依靠邊界層輸送上去的云中的凝結(jié)核也是通過邊界層輸送上去的雷暴和颶風(fēng)的發(fā)展要依靠邊界層輸送濕的空氣大約50％的大氣動(dòng)能被耗散在邊界層中海上大氣邊界層風(fēng)切變是海洋的主要能源之一

…...……大氣邊界層的重要作用（二）大氣邊界層又稱行星邊界層，是指存在著湍流性特征的低層大氣，是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次。湍流是邊界層大氣的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)，對地表面與大氣間的能量、熱量、水汽及其它物質(zhì)的輸送起著重要的作用。地球表面熱力強(qiáng)迫的日變化通過湍流混合擴(kuò)散使得邊界層中氣象要素呈現(xiàn)日周期的循環(huán)。大氣邊界層一般可分為二層，近地層和上面的Ekman層。近地層又稱表面層（SurfaceLayer），是邊界層的最低層，直接與地表接觸，受地面強(qiáng)烈影響的一層大氣，其厚度約比整個(gè)行星邊界層小一個(gè)量級，因行星邊界層厚度變化一很大，故近地層厚度變化也大，一般幾十米，這是平均情況；在近地層，大氣受地球表面的動(dòng)力和熱力的強(qiáng)烈影響，氣象要素隨高度激烈變化，運(yùn)動(dòng)尺度小，柯氏力可略去不計(jì)；由于近地層很薄，可以近似地認(rèn)為該層中動(dòng)量、熱量和水汽的鉛直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化，即，其為常通量層。Ekman層是大氣邊界層的上層，在Ekman層，湍流粘性力和柯氏力及氣壓梯度力同等重要大氣邊界層的定義§1大氣邊界層的特點(diǎn)及湍流量的

表征方法

大氣邊界層是指從地面至500m到1.5km高度的最低層大氣，它直接受地球表面的影響，并與地表進(jìn)行熱量、動(dòng)量和水汽及其它物質(zhì)成份的交換，湍流運(yùn)動(dòng)是該層大氣的最基本特征。

由于湍流是大氣邊界層的最基本的特性，所以大氣邊界層測量可分為平均量測量和脈動(dòng)量測量兩種，測量傳感器也可分為慢響應(yīng)傳感器和快響應(yīng)傳感器兩種。慢響應(yīng)傳感器用于測量平均量，而快響應(yīng)傳感器用于測量脈動(dòng)量?！?近地層氣象塔測量

氣象塔是大氣邊界層測量的重要手段，根據(jù)測量的目的不同，塔的高度及塔上安裝的儀器也有所不同。近地層、農(nóng)田小氣候等研究中使用的氣象塔一般為幾米或幾十米高，為了大氣邊界層的研究和邊界層模式驗(yàn)證，需要更高的氣象塔，一般為100-300m，甚至更高。架設(shè)一個(gè)數(shù)百米高的氣象塔是相當(dāng)昂貴的，所以在有些情況下，可以將電視發(fā)射塔、電力輸送線的高塔兼作氣象塔使用?！?近地層氣象塔測量

——平均量測量儀器的安裝高度

中性條件下近地層風(fēng)速隨高度可用對數(shù)廓線近似表示

式中的u為z高度上的風(fēng)速，u*為摩擦速度，z0為粗糙度高度，κ為卡門（Karman）常數(shù)，一般取0.35-0.40之間的某個(gè)數(shù)值。所以在近地層梯度測量中儀器的架設(shè)高度一般按對數(shù)律設(shè)置。在幾十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0m等高度，有時(shí)為了與氣象站測風(fēng)高度一致，在10m高度上也安裝有風(fēng)速、風(fēng)向傳感器?！?近地層氣象塔測量

——平均溫度廓線的測量

溫度廓線的測量要求精度為0.01℃，分辨率為0.005℃。設(shè)計(jì)良好的鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶和晶體溫度儀，一般都能滿足以上精度及分辨率的要求。鉑電阻及晶體溫度傳感器以其穩(wěn)定性好經(jīng)常被選用，其中晶體溫度傳感器的精度最高，穩(wěn)定性也最好。大多數(shù)情況下將其封裝在金屬或玻璃殼內(nèi)，以增加傳感器的時(shí)間常數(shù)。使用時(shí)間常數(shù)較大的傳感器，對于廓線的測量來講這并不是件壞事。晶體溫度傳感器的輸出量為頻率，測量一段時(shí)間的頻率計(jì)數(shù)求得平均溫度，有利于提高測量精度。石英晶體溫度元件及測量原理框圖§2近地層氣象塔測量

——平均風(fēng)速廓線的測量

風(fēng)速廓線的測量一般使用風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器及螺旋漿式風(fēng)向傳感器，其中風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器使用最為廣泛。風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，一是風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器能夠感應(yīng)水平方向360°各個(gè)方向的風(fēng)，且對垂直方向的風(fēng)速不太敏感，二是結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可長時(shí)間工作。精確地測量近地層的風(fēng)速廓線，要求風(fēng)速傳感器的啟動(dòng)風(fēng)速要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s?！?近地層氣象塔測量

——平均濕度廓線的測量

濕度可能是測量最為因難的要素之一，濕度測量的方法很多，所以用于氣象塔廓線測量的濕度傳感器也比較多，主要有干濕球法、露點(diǎn)濕度計(jì)和高分子吸濕材料制作的濕度傳感器。其中干濕球測濕法是野外實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用的一種方法，該類儀器的價(jià)格不貴，測量原理簡單，在0－25℃的溫度范圍，相對濕度為20－80%的范圍內(nèi)有相當(dāng)高的精度，但是該儀器在0℃以下，濕球會(huì)凍結(jié)，測量誤差隨之急劇增加，因此冬季不宜采用干濕球法進(jìn)行濕度的測量。濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖§2近地層氣象塔測量

——溫度脈動(dòng)量的測量

鉑電阻絲、熱電偶、熱敏電阻和超聲風(fēng)速溫度儀都可測量溫度脈動(dòng)量鉑電阻絲——體積小、高頻特性好鉑電阻絲必須裸露于自由空氣中（高頻響應(yīng)，但易受風(fēng)、雨、雪及沙塵的損壞）超聲風(fēng)速溫度儀——受濕度等因素影響，在溫度脈動(dòng)大的白天測量時(shí)，誤差較大§2近地層氣象塔測量

——風(fēng)速脈動(dòng)量的測量

風(fēng)速脈動(dòng)量測量儀器主要有熱線風(fēng)速儀和超聲風(fēng)速溫度儀，從頻率響應(yīng)特性來講，熱線風(fēng)速儀是比較理想的風(fēng)速脈動(dòng)量的測量儀器，該類風(fēng)速傳感器的體積非常小，可做到微米量級，因此具有非常好的頻率響應(yīng)特性，可以說沒有任何一種其它類型的傳感器能與熱線風(fēng)速儀的高頻分辨率相比擬。但是該儀器也有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，一是受到大氣污染后其標(biāo)定值易偏離，二是極易損壞。所以該類儀器不宜于長時(shí)間的野外觀測。熱線風(fēng)速儀超聲風(fēng)速溫度儀雙向風(fēng)標(biāo)和三軸風(fēng)速表§2近地層氣象塔測量

——濕度脈動(dòng)量的測量

濕度脈動(dòng)量測量主要有三種不同的方法，它們是水汽對紫外輻射的吸收（Lyman-α濕度計(jì)），水汽對紅外輻射的吸收（紅外濕度計(jì)）和微波折射與濕度的依賴關(guān)系（微波折射儀）。這三種類型的儀器中最為簡單也是最為常用的是Lyman-α濕度計(jì)

Lyman-α濕度計(jì)原理示意圖§3大氣邊界層廓線測量