一大气边界层与边界层气象学研究.pptVIP

第一节 大气边界层及其特性 1－1 大气边界层（重点掌握） 大气边界层(ABL) Atmospheric boundary layer 行星边界层(PBL) Planetary boundary layer. 流体力学定义 Prandtl（1904）首次引入空气动力学 大气运动尺度分析角度定义 定义：大气边界层位于对流层的最底部，由于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩散各种交换作用和地形的影响，致使湍流应力成为重要因子而不可忽略，与之相联系形成ABL。即直接受地面影响的那部分对流层，它响应地面的作用而且时间尺度为1小时或者更短。 1－2 风与气流（重点掌握） 1－3 湍流输送（重点掌握） 定义： 湍流是叠加在平均风上的阵风，是一种随机的不规则运动。湍流响应地面作用及其变化，是动量、热量、水汽和物质从地面反馈进入大气并以时空混合的主要大气过程。湍流以各种尺度相互叠加的湍涡形式存在。 按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型： 机械的或地面粗糙度的影响 热力不稳定性 地表加热或冷却 水平和垂直风切变－波产生湍流 密度界面上的开尔文－亥姆霍兹波 1-4 泰勒假说（掌握） 主要内容 适用条件： 各向同性湍流、平稳湍流、X方向空间均匀条件下可靠，湍强不太大 1－5 相似性参数（了解） 物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得到正确结果而且与实际大气系统可比较，则需要满足相似性条件 几何相似 运动学相似 动力学相似 热力学相似 边界条件相似 座落于南京大学浦口校区的NJU大气环境风洞试验段内景照片 1-7 大气能量收支与温度（理解） (1)辐射平衡 (2) 能量平衡 白天和夜间的能量平衡 3 低层大气温度 气温垂直分布三种情形： ① 气温随高度递减 ② 气温随高度基本不变 ③ 气温随高度逆增 1-8 有关概念（重点掌握） 二 应力 雷诺应力定义 三 温度、位温、虚位温…（自学）四 Boussinesq近似（自学） 五 准静力平衡（自学） 重点（理解，掌握） 大气边界层 边界层中的风与气流 湍流 泰勒假说 湍流通量 雷诺应力 第二节 大气边界层结构 2-1大气边界层分层及结构(重点) 垂直分层 日变化 高压 低压－边界层 对流边界层，稳定边界层，中性边界层 白天：对流边界层 近地面层、混合层、夹卷层 夜间：稳定边界层 近地面层、稳定边界层、残留层 强风（12m/s）或阴天条件：中性边界层 PBL结构变化特征： 见书上P31－34：⑴⑵⑶⑷⑸⑹ 总之：分析大气边界层结构变化特征，具体问题具体分析。 考虑天气条件，下垫面，地形以及季节、层结稳定度条件等的变化对大气边界层的影响。 2-2 爱克曼螺线和爱克曼层(了解) 在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常，且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随高度变化的解，即为经典的Ekman风廓线解。 可定性给出边界层运动的一些性质，但并非很合适的解。 2-3 大气稳定度与PBL结构（逐渐掌握） 稳定度，采用M-O长度L作为判据 不稳定（对流）、中性、稳定 2-4 地面影响与PBL结构（了解） 下垫面不同，边界层结构不同！！！ 城市边界层、海洋边界层、极地边界层、沙漠边界层、绿洲边界层………. 第三节 边界层气象学研究 边界层和自由大气比较 边界层研究主要方法（掌握） 理论研究 观测试验 物理模拟 数值模拟 动量、热量、 水分、物质交换 夹卷层 大气边界层的概念化分层 粗糙度层 混合层 近地面层 zi 局地自由对流层 1/10zi 近地面层(near surface layer)主要特征（P28） ①大气边界层最下面部分，受到下垫面影响最直接 ②层内风速、温度和其余气象要素场随高度变化十分剧烈，存在有由地面粗糙度或摩擦作用产生的小尺度湍流以及地面增热造成的热力对流活动。 ③各种湍流通量传输随高度变化而数值不变，称常通量层。一旦脱离该层，各个湍流通量传输将逐渐减弱，直至大气边界层顶的极值 ④风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响 激光雷达观测气溶胶粒子垂直分布 表面层 表面层 表面层 中午 日落 午夜 中午 日出 稳定 ( 夜间 ) 边界层 夹 卷 层 残余层 夹卷层 云层 自由大气 盖顶逆温 大涡对流 混合层 混合层 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。 高度 (m) 2000 1000 0 边界层的发展具有明显的日变化特点（高压区、小风、无云