大气边界层与边界层气象学研究

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1、第一章大气边界层与边界层气象学研究第一节大气边界层及其特性1－1大气边界层（重点掌握）~10km1~2km自由大气平流层边界层大气边界层(ABL)Atmosphericboundarylayer行星边界层(PBL)Planetaryboundarylayer.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大尺度中尺度小尺度α大尺度β大尺度α中尺度β中尺度γ中尺度α小尺度β小尺度γ小尺度macro-αmacro-βmeso-αmeso-βmeso-γmicro-αmicro-β

2、micro-γ>10000km2000~10000km200~2000km20~200km2~20km200m~2km20m~200m20m水平尺度水平尺度水平尺度Orlanski(1975)尺度定义大气科学中小尺度分类>200km台风Meso尺度20km~200km低空急流Meso尺度2km~20km重力波、地形Meso尺度200m~2km对流Micro尺度20m~200m对流单体Micro尺度2m~20m烟气扩散Micro尺度<2m湍流Micro尺度定义：大气边界层位于对流层的最底部，由于直

3、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。有时ABL高度难以判断1－2风与气流（重点掌握）平均风波动湍流平均风：明显的日变化风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度一般量级：水平风为米的量级垂直风为毫米-米的量级波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：重力波、惯性波湍流：大气边界层的主要运动形态，剪切和不稳定特

4、性等，湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。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）欧拉，拉格朗日方法

5、主要内容出发点:某点长时间观测易于瞬时大范围观测Taylor(1938):在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的.这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量适用条件：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

6、试验段内景照片边界层研究的主要方法南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比250:1）PIV测量技术（ParticleImageVelocimetry)本质上是图像分析技术的一种。首先向流场中均匀播散示踪粒子，用脉冲激光照明流场中某一截面上的粒子，然后由CCD摄像系统曝光粒子的位置，从图像平面中粒子的位移可以确定流场中的位移。在获取了粒子图像之后，通过计算两次记录的相似程度来确定粒子的位移对流边界层结构的水槽模拟实验1-7大气能量收支与温度（理解）(1)辐射平衡太阳短波辐射－向下地表反射短波辐射－向上

7、地球表面长波辐射－向上大气长波辐射－向下辐射四分量仪(2)能量平衡下垫面能量平衡分配：－QS+QA=QH+QE-QG＋△QS净辐射人为热源感热潜热储热冠层内储存热量QG－QSQHQE夜间QG－QSQHQE白天白天和夜间的能量平衡condensationevaporationThinboundary3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气温随高度逆增温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。低层大气的温度变化1-8有关概念（重点掌握）一通量通

8、量：单位面积，单位时间某个量的输送热通量和水汽通量：风速分量乘以热量和水汽含量,表示通过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。热通量水汽通量动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向的动量输送，因而具有二阶张量性质。湍流通量二应力粘滞切应力雷诺应力只有当气体处于湍流