现代大气探测学-第11讲-大气边界层探测简介(南京信息工程大学 大气探测学)课件.ppt

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1、南京信息工程大学夏俊荣现代大气探测学致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授以及南京信息工程大学大气物理学院王成刚博士、姜海梅博士的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。第十一讲大气边界层探测技术简介大气垂直分层~10km1~2km对流层平流层边界层整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层湍流输送给大气气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层霜、露和最高最低温度预报，实际上都是边界层预报雾发生在边界层中污染物大部分被阻挡在边界层中大气边界层的重要作

2、用（一）作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的云中的凝结核也是通过边界层输送上去的雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气大约50％的大气动能被耗散在边界层中海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一…...……大气边界层的重要作用（二）大气边界层又称行星边界层，是指存在着湍流性特征的低层大气，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的能量、热量、水汽及其它物质的输送起着重要的作用。地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日

3、周期的循环。大气边界层一般可分为二层，近地层和上面的Ekman层。近地层又称表面层（SurfaceLayer），是边界层的最低层，直接与地表接触，受地面强烈影响的一层大气，其厚度约比整个行星边界层小一个量级，因行星边界层厚度变化一很大，故近地层厚度变化也大，一般几十米，这是平均情况；在近地层，大气受地球表面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度激烈变化，运动尺度小，柯氏力可略去不计；由于近地层很薄，可以近似地认为该层中动量、热量和水汽的铅直湍流输送通量几乎不随高度变化，即，其为常通量层。Ekman层是大气边界层的上层，在Ekman层，湍流粘性力

4、和柯氏力及气压梯度力同等重要大气边界层的定义什么是湍流？——湍流现象杂乱、随机、无序达芬奇描绘的湍流火山爆发§1大气边界层的特点及湍流量的表征方法大气边界层是指从地面至500m到1.5km高度的最低层大气，它直接受地球表面的影响，并与地表进行热量、动量和水汽及其它物质成份的交换，湍流运动是该层大气的最基本特征。由于湍流是大气边界层的最基本的特性，所以大气边界层测量可分为平均量测量和脉动量测量两种，测量传感器也可分为慢响应传感器和快响应传感器两种。慢响应传感器用于测量平均量，而快响应传感器用于测量脉动量。典型边界层的结构及其日变化（Stull,

5、1988）§2近地层气象塔测量气象塔是大气边界层测量的重要手段，根据测量的目的不同，塔的高度及塔上安装的仪器也有所不同。近地层、农田小气候等研究中使用的气象塔一般为几米或几十米高，为了大气边界层的研究和边界层模式验证，需要更高的气象塔，一般为100-300m，甚至更高。架设一个数百米高的气象塔是相当昂贵的，所以在有些情况下，可以将电视发射塔、电力输送线的高塔兼作气象塔使用。中国科学院大气物理所325米气象塔（北京）15层§2近地层气象塔测量——平均量测量仪器的安装高度中性条件下近地层风速随高度可用对数廓线近似表示式中的u为z高度上的风速，u*为

6、摩擦速度，z0为粗糙度高度，κ为卡门（Karman）常数，一般取0.35-0.40之间的某个数值。所以在近地层梯度测量中仪器的架设高度一般按对数律设置。在几十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0m等高度，有时为了与气象站测风高度一致，在10m高度上也安装有风速、风向传感器。§2近地层气象塔测量——平均温度廓线的测量温度廓线的测量要求精度为0.01℃，分辨率为0.005℃。设计良好的铂电阻、热敏电阻、热电偶和晶体温度仪，一般都能满足以上精度及分辨率的要求。铂电阻及晶体温度传感器以其稳定性好经常被选用，其中晶体温度

7、传感器的精度最高，稳定性也最好。大多数情况下将其封装在金属或玻璃壳内，以增加传感器的时间常数。使用时间常数较大的传感器，对于廓线的测量来讲这并不是件坏事。晶体温度传感器的输出量为频率，测量一段时间的频率计数求得平均温度，有利于提高测量精度。石英晶体温度元件及测量原理框图§2近地层气象塔测量——平均风速廓线的测量风速廓线的测量一般使用风杯式风速传感器及螺旋浆式风向传感器，其中风杯式风速传感器使用最为广泛。风杯式风速传感器有很多优点，一是风杯式风速传感器能够感应水平方向360°各个方向的风，且对垂直方向的风速不太敏感，二是结构简单、牢固，可长时间工

8、作。精确地测量近地层的风速廓线，要求风速传感器的启动风速要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s。§2近地层气象塔测量——平均湿度廓线的测量湿度可能