CH1大气边界层

边 界 层 气 象 学

    施婷婷 应用气象学院 气象楼804＃ [email protected]

边界层气象学

Boundary Layer Meteorology

课程属性 : 专业课 学时/学分 : 51 / 3 预修课程 : 大气物理学、流体力学 成绩评定 ：笔试（80%）+ 平时成绩（20%）

教学目的和要求:

主要是研究大气边界层中的各种动力和物理过程。 大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下 的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的 层次，它与天气、气候以及大气环境研究有非常密切 的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发 生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、 农业、军事、交通、以及城市规划和生态环境保护等 紧密相关。

本课程重点介绍大气边界层物理最基本的内容， 包括大气边界层的特征，描述大气边界层的动力学方 程组，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、 定常与非定常条件下的边界层气象学等 通过本课程学习，希望能够使学生掌握大气边界 层物理的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气 候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下 基础。

应 用:

- 天气、气候

天气预报（强天气过程：暴雨、沙尘暴、大风等）、 气候预测、边界层气候 ……

- 大气环境

污染预报与控制、城市规划、核事故、反恐防恐 人体健康、生态保护 ……

- 工程气象

航空航天、水陆交通、室内环境、风能利用、 大型建筑、防风林、化工设备、大型电站 ……

内容提要

 第一章 大气边界层 大气边界层，风与湍流，泰勒假说， 相似性参数，边界层厚度与结构  第二章 大气边界层湍流基础 平均场与湍流场，湍流基本统计量， 大气湍流谱，湍流通量与输送，大气湍能  第三章 大气边界层支配方程 基本方程，平均量方程，湍流脉动量方程， 湍流方差的预报方程，湍流通量的预报方程  第四章 定常大气边界层 近地层相似理论，全边界层相似理论， 谱相似，半经验理论在边界层研究中的应用

 第五章 非定常大气边界层 地表强迫引起非定常变化， 对流边界层， 稳定边界层  第六章 非均一下垫面大气边界层 内边界层基础，粗糙度跃变对气流的影响， 地面热通量和温度跃变对气流的影响， 地形起伏对边界层的影响，城市边界层  第七章 大气边界层的数值模拟 （选择）

教材和主要参考书：

蒋维楣等：《边界层气象学基础》，南京大学出 版社，1994. 506pp Stull, R. B. ( 杨长新 译 ):《边界层气象学导 论》， 气象出版社, 1991. 738pp 赵鸣 编著：《大气边界层动力学》，高等教育 出版社，2004. 350pp

第一章

大气边界层

１．１　

大气边界层基本概念 １．２　大气边界层厚度与结构 １．３　边界层气象学研究

第一章 大 气 边 界 层

1.1 大气边界层基本概念

1.1.1 大气边界层定义（重点掌握） 1.1.2 风与气流（重点掌握） 1.1.3 湍流输送（重点掌握） 1.1.4 泰勒假说（掌握） 1.1.5 相似性参数（了解） 1.1.6 虚温、位温与虚位温（了解）

地球大气垂直分层

外逸层：温度低，气体粒子 外逸 热层：空气电离状态，电报 中间层：垂直对流，最低92℃ 平流层：空气稀薄、平流、 飞机；15-35km臭氧 对流层：75%大气、90%水蒸 汽；云、雨、雪等

1.1 大气边界层 1. Atmospheric/Panetary boundary layer 位于大气圈与地球表面交界区，离地1—2km

平流层

对流层 ~ 10 km 边界层 1~2 km

2. 边界层理论的提出 Prandtl（1904） 由于摩擦力的作用，两平板间气流速度： z du U u( z)  U  或者  h dz h

U

摩擦力（切应力）：

du    dz

μ：分子粘性系数 ν（=μ/ρ）：运动学粘性系数

u (z) ?

z

h

气流流进光滑平板，流体中边界层的形成与发展

u0 u=0.99u0 u=0.99u0 u=0.99u0 边 界 层 厚 度

受到固体边界的阻力作用，邻近固体界面的一薄层 流体，因受摩擦影响，产生速度梯度，这一层叫做边界 层。通常边界层的上边界定义为：

u  0.99u

 摩擦力（粘滞）作用，速度上下不均，形成渐厚边界层  边界层里速度梯度造成相当大的摩擦力（切应力 ）

3. 大气边界层(ABL)定义： （重点掌握） 大气边界层位于对流层的最底部，厚度为几百米到 几千米，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、物质扩散各种作用和地形的 影响，它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。

1.1.2 风与气流

1. 平均风、波动、湍流

10 风速（m/s） 8 6 4 2 0

平均风速

4

波动

风速（m/s）

风速（m/s）

2 0 -2 -4

6

湍流

3 0 -3 -6

2. 平均与扰动：

7 风速（m/s）

平均风速与脉动风速

平均风

波+湍流

6 5 4 3 2 0 20 40

u′

u′ 脉动风

u u平均

u  u  u'

v  v  v'

u′

60 80 时间(秒) 100 120

草地三维风速图

w  w  w'

风速（m/s）

8 6 4 2 0 -2 -4 15:00 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 时间（2009-4-16） Ux-1s Uy-1s Uz-1s

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。

边界层与风速

1.1.3 湍流输送

1. 湍流、

湍涡、湍流谱

• 自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态 层 流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍 流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则

(Oke, 1987)

湍流与我们的生活密切相关:

不 利

- 湍流使飞行器阻力急剧增加 - 晴空湍流使飞机失事 - 湍流诱发振动式桥梁倒塌 - 血液湍流导致心脏杂音 - 消防湍流不利于灭火

有 利

- 杯中湍流有利于糖的溶解 - 化工湍流有利于化学反应 - 近地层湍流有利于污染扩散 - 云中湍流有利于云滴增长 - 大尺度湍流有利于天气变化

湍流级串：

湍流如何传递能量？

大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。

L. F. 理查逊：

Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity

大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。

2. 湍流产生的能量来源

小尺度 （

水平和垂直风切变 热力不稳定性 地面粗糙度

中尺度 （10—1000km）

云形成过程中的潜热 释放 气流在地形、城市、 岛屿上方的流动 气流在具有明显特性 变化的下垫面上流 动，如陆-海风

大尺度 （>1000km）

由于太阳辐射加热造 成的纬向变化造成的 区域气流的水平不稳 定性

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 密度界面上的开尔文－亥姆霍兹波

1.1.4 泰勒假说（波动冻结假说）

对湍流的观测，两种途径： 1）固定时间，选取多个空间位置 ——困难 2）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔 ——较易

1.1.4 泰勒假说（波动冻结假说）

100m 10m/s 5℃ 湍涡

z y x z y x

10℃

5℃

10℃

湍涡

直径100m的湍涡，温差5℃

10秒后被10m/s风速吹至下风方

T  0.05 ℃/m xd

T T  U  xd t

一维空间温度的泰勒假说

T  0.5 ℃/s t

1.1.4 泰勒假说

出发点：定点长期观测较易、瞬时大范围观测较难。 Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间 的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的。 这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应 的空间上的测量。

6 u 5 4 3 2

6 5 4 3 2 u

时间变化的风速

t

空间变化的风速

x=ut

1.1.4 泰勒假说

对任一变量 ξ，当 而全导数

d  0 时，湍流凝固 dt

d      U V W dt t z y x

泰勒假说的一般形式：

     U V W z t x y

前提条件：各向同性、平稳湍流 湍涡变化极小，即湍强满

足

I x (

u

u

)  0.5

1.1.5 相似性参数

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

南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比250:1）

1.1.5 相似性参数

气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于 各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：

 雷诺数（Re）相似  罗斯贝数（Ro）相似  弗罗德数（Fr）相似（或理查逊数Ri相似）  普朗特数（Pr）相似  施密特数（Sc）相似

1.1.5 相似性参数

1. 雷诺数（Re）相似性

Re 

UL

惯性力 粘滞力



U：流速 L：特征线性尺度 v：运动学粘滞系数

高风速空气充分混合，湍流发展 粘滞力抑制不规则运动，抑制湍流 Re小（1）时，惯性力主导，气流呈湍流

1.1.5 相似性参数

2. 罗斯贝数（Ro）相似性

U Ro  fL

惯性力 柯氏力

f ：柯氏参数 （地转偏向力）

Ro大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响 可不计。Ro趋向无穷大Ro自行满足 Ro≤1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略

1.1.5 相似性参数

3. 弗罗德数（Fr）相似性

U2 Fr  gL

惯性力 g ：重力加速度 重力

Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或

1.1.6 位温、虚温、虚位温

1. 位温θ：气体从原有的压强与温度出发，绝热膨 胀或压缩到标准压强的温度。 Poisson方程

T0  P0    T P

0.286

0.286

T0、P0 ：参考高度的温度、大气压 T、P ：任一高度的温度、大气压

 P0    T   P

一级近似

θ、P0 ：位温、基准大气压 （如100 kPa或地面气压） T、P ：原有高度的温度、大气压

  T  g C p  z

g/Cp =0.0098 K m-1: 干绝热递减率的负值（9.8 ℃ km-1） z ：100 kPa（或地面）以上的高度

2. 虚温 Tv ：当气压不变时，与湿空气具有相同密度 的干空气所对应的温度。

e  Tv  T  1  0.378  P 

T ：实测的温度

e、P ：当时的水汽压、大气压

Tv > T

密度：水蒸汽 干空气

绝对温度T

虚温Tv

3. 虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有 云的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中 悬浮云滴的情况下，总是降低虚温的。对于饱和空气 而言（存在云的情况下），定义虚位温θv为：

 v    1  0.61 sat   L 

未饱和空气，虚位温θv为：

γ sat ：气块的饱和水汽混合比 γL ：液态水混合比

 v    1 0.61 

γ ：未饱和

气块的水汽混合比

【例子】

[问题]：已知在90kPa处测得的温度为25℃，混合比为 20g/kg，求虚位温？ [求解]：首先，求出位温，

  T 

 P0   P

0.286

 100   298.16     90 

0.286

 307.28K

因空气未饱和，可用下式求虚位温，

 v    1  0.61   307.28  1  0.61 0.020  311.03K

[讨论]：虚位温中考虑了湿度，本例中θv 比θ高 5 K， 在计算浮力时，不可忽略。

第一章 大 气 边 界 层

1.1 大气边界层基本概念

1.1.1 大气边界层定义（重点掌握） 1.1.2 风与气流（重点掌握） 1.1.3 湍流输送（重点掌握） 1.1.4 泰勒假说（掌握） 1.1.5 相似性参数（了解） 1.1.6 虚温、位温与虚位温（了解）

大气边界层(ABL)定义： （重点掌握） 大气边界层位于对流层的最底部，厚度为 几百米到几千米，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 各种作用和地形的影响，它响应地面作用的时间尺度 为1小时或更短。 风与气流：（重点掌握） 平均风、波动、湍流；平均风、脉动风 湍流输送： （重点掌握） 能量级串（大湍涡小湍涡粘滞耗散） 能量来源（机械或地面粗糙度的影响、水平 或垂直风切变、热力不稳定性）

泰勒假说： （掌握） Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平 移过传感器时间的情况下，当湍流平移过传感器时， 可以把它看成是凝固的。这样，风速就可以把本来作 为时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量。

相似性参数：Re、Ro、Fr(了解) 虚位温（了解）

第一章 大气边界层

1.2 大气边界层的厚度与结构

1.2.1 大气边界层垂直分层结构 （重点掌握） 1.2.2 边界层发展的日变化 （重点掌握） 1.2.3 大气稳定度与ABL结构 （掌握） 1.2.4 地面影响与边界层结构 （了解）

1.2.1 大气边界层垂直分层结构

对流层顶

10 k

自由大气 高 度 1k （ 米 ） 100

云 层 夹卷层 逆温层底

Zi 大 气 边 界 层

混合层

z≤0.1 Zi 近 地 面 层

局地自由对流层 片流子层 （粗糙度层）

10 1 0

动量 热量 水分 物质 交换

近地面层特征

 高度：z ≤ 0.1 Zi，受下垫面的直接影响  风速、温度等气象要素场随高度剧烈变化 地面粗糙度小尺度湍流，地面增热热力对流  常通量层，各种湍流通量随高度几乎不变 该层以上，湍流通量逐渐减弱  风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响

1.2.2

边界层发展的日变化

边界层的发展具有明显的日变化特点 (高压、小风、少云)

烟羽翻卷

虚位 温

风速

水汽

污染 物

1.2.2

边界层发展的日变化

边界层的发展具有明显

的日变化特点 (高压、小风、少云)

自由大气层 前夹卷层 残留层 稳定边界层

虚位温 夜间边界层的烟羽发展

1.2.2

边界层发展的日变化

边界层的发展具有明显的日变化特点 (高压、小风、少云)

--对流边界层--稳定边界层--中性边界层- 白天：对流边界层（混合层） 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(中性层结)  强风（>12m/s）或阴天条件：中性边界层

不稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990)

盖帽逆温 上部稳定层结中 的波动及下部大 对流湍涡

稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990) 湍流层较浅 层内存在显著平均梯 度,风速极值分布 湍涡尺度小,伴随叠加 重力波

1.2.3 大气稳定度与烟羽

高 度 温度 污染物浓度

a. 环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或 地形起伏区。 b. 圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风 多云。

c. 扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向有一定 侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。 d. 漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽充分扩 散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。 e. 屋脊形（上升型）：上中(或不稳)、下稳；上部烟羽沿主风向 呈屋脊形扩散，下部边缘清晰；傍晚。

烟羽型

1. 环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或 地形起伏区。 2. 圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风 多云。 3. 扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向 有一定侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。 4. 漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽 充分扩散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。 5. 屋脊形（上升型）：上中(或不稳)、下稳；上部烟羽沿主 风向呈屋脊形扩散，下部边缘清晰；傍晚。

1.2.4 地面影响与PBL结构（了解）

地面性质: 反照率、 辐射率、 粗糙度、 热传导率、 热容量、 渗透率、 植被阻抗 等 辐射平衡 动量通量 能量平衡 热量通量 地表粘滞 应力 湍流应力

边界层 结构 变化

水汽通量

1.3 边界层气象学研究

边界层和自由大气比较

气象现象与时空尺度

> 200km 台风 20km ~ 200km 低空急流 200m ~ 2m ~

小 尺 度 中 尺 度

2km ~ 20km 重力波、地形 Meso  尺度 20m ~ 200m 对流单体

边界层研究的主要方法：

理论研究、观测试验、数值模拟

不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线

FA: ML: RL: SBL: SL: SCL: 自由大气层 混合层 残留层 稳定边界层 近地层 云下

层

S7

作业：请根据晴天小风天气情况下从S1－S6时刻的位温垂直廓线 变化，分析大气边界层结构的日变化？

边 界 层 气 象 学

    施婷婷 应用气象学院 气象楼804＃ [email protected]

边界层气象学

Boundary Layer Meteorology

课程属性 : 专业课 学时/学分 : 51 / 3 预修课程 : 大气物理学、流体力学 成绩评定 ：笔试（80%）+ 平时成绩（20%）

教学目的和要求:

主要是研究大气边界层中的各种动力和物理过程。 大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下 的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的 层次，它与天气、气候以及大气环境研究有非常密切 的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发 生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、 农业、军事、交通、以及城市规划和生态环境保护等 紧密相关。

本课程重点介绍大气边界层物理最基本的内容， 包括大气边界层的特征，描述大气边界层的动力学方 程组，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、 定常与非定常条件下的边界层气象学等 通过本课程学习，希望能够使学生掌握大气边界 层物理的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气 候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下 基础。

应 用:

- 天气、气候

天气预报（强天气过程：暴雨、沙尘暴、大风等）、 气候预测、边界层气候 ……

- 大气环境

污染预报与控制、城市规划、核事故、反恐防恐 人体健康、生态保护 ……

- 工程气象

航空航天、水陆交通、室内环境、风能利用、 大型建筑、防风林、化工设备、大型电站 ……

内容提要

 第一章 大气边界层 大气边界层，风与湍流，泰勒假说， 相似性参数，边界层厚度与结构  第二章 大气边界层湍流基础 平均场与湍流场，湍流基本统计量， 大气湍流谱，湍流通量与输送，大气湍能  第三章 大气边界层支配方程 基本方程，平均量方程，湍流脉动量方程， 湍流方差的预报方程，湍流通量的预报方程  第四章 定常大气边界层 近地层相似理论，全边界层相似理论， 谱相似，半经验理论在边界层研究中的应用

 第五章 非定常大气边界层 地表强迫引起非定常变化， 对流边界层， 稳定边界层  第六章 非均一下垫面大气边界层 内边界层基础，粗糙度跃变对气流的影响， 地面热通量和温度跃变对气流的影响， 地形起伏对边界层的影响，城市边界层  第七章 大气边界层的数值模拟 （选择）

教材和主要参考书：

蒋维楣等：《边界层气象学基础》，南京大学出 版社，1994. 506pp Stull, R. B. ( 杨长新 译 ):《边界层气象学导 论》， 气象出版社, 1991. 738pp 赵鸣 编著：《大气边界层动力学》，高等教育 出版社，2004. 350pp

第一章

大气边界层

１．１　

大气边界层基本概念 １．２　大气边界层厚度与结构 １．３　边界层气象学研究

第一章 大 气 边 界 层

1.1 大气边界层基本概念

1.1.1 大气边界层定义（重点掌握） 1.1.2 风与气流（重点掌握） 1.1.3 湍流输送（重点掌握） 1.1.4 泰勒假说（掌握） 1.1.5 相似性参数（了解） 1.1.6 虚温、位温与虚位温（了解）

地球大气垂直分层

外逸层：温度低，气体粒子 外逸 热层：空气电离状态，电报 中间层：垂直对流，最低92℃ 平流层：空气稀薄、平流、 飞机；15-35km臭氧 对流层：75%大气、90%水蒸 汽；云、雨、雪等

1.1 大气边界层 1. Atmospheric/Panetary boundary layer 位于大气圈与地球表面交界区，离地1—2km

平流层

对流层 ~ 10 km 边界层 1~2 km

2. 边界层理论的提出 Prandtl（1904） 由于摩擦力的作用，两平板间气流速度： z du U u( z)  U  或者  h dz h

U

摩擦力（切应力）：

du    dz

μ：分子粘性系数 ν（=μ/ρ）：运动学粘性系数

u (z) ?

z

h

气流流进光滑平板，流体中边界层的形成与发展

u0 u=0.99u0 u=0.99u0 u=0.99u0 边 界 层 厚 度

受到固体边界的阻力作用，邻近固体界面的一薄层 流体，因受摩擦影响，产生速度梯度，这一层叫做边界 层。通常边界层的上边界定义为：

u  0.99u

 摩擦力（粘滞）作用，速度上下不均，形成渐厚边界层  边界层里速度梯度造成相当大的摩擦力（切应力 ）

3. 大气边界层(ABL)定义： （重点掌握） 大气边界层位于对流层的最底部，厚度为几百米到 几千米，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、物质扩散各种作用和地形的 影响，它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。

1.1.2 风与气流

1. 平均风、波动、湍流

10 风速（m/s） 8 6 4 2 0

平均风速

4

波动

风速（m/s）

风速（m/s）

2 0 -2 -4

6

湍流

3 0 -3 -6

2. 平均与扰动：

7 风速（m/s）

平均风速与脉动风速

平均风

波+湍流

6 5 4 3 2 0 20 40

u′

u′ 脉动风

u u平均

u  u  u'

v  v  v'

u′

60 80 时间(秒) 100 120

草地三维风速图

w  w  w'

风速（m/s）

8 6 4 2 0 -2 -4 15:00 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 时间（2009-4-16） Ux-1s Uy-1s Uz-1s

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。

边界层与风速

1.1.3 湍流输送

1. 湍流、

湍涡、湍流谱

• 自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态 层 流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍 流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则

(Oke, 1987)

湍流与我们的生活密切相关:

不 利

- 湍流使飞行器阻力急剧增加 - 晴空湍流使飞机失事 - 湍流诱发振动式桥梁倒塌 - 血液湍流导致心脏杂音 - 消防湍流不利于灭火

有 利

- 杯中湍流有利于糖的溶解 - 化工湍流有利于化学反应 - 近地层湍流有利于污染扩散 - 云中湍流有利于云滴增长 - 大尺度湍流有利于天气变化

湍流级串：

湍流如何传递能量？

大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。

L. F. 理查逊：

Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity

大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。

2. 湍流产生的能量来源

小尺度 （

水平和垂直风切变 热力不稳定性 地面粗糙度

中尺度 （10—1000km）

云形成过程中的潜热 释放 气流在地形、城市、 岛屿上方的流动 气流在具有明显特性 变化的下垫面上流 动，如陆-海风

大尺度 （>1000km）

由于太阳辐射加热造 成的纬向变化造成的 区域气流的水平不稳 定性

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 密度界面上的开尔文－亥姆霍兹波

1.1.4 泰勒假说（波动冻结假说）

对湍流的观测，两种途径： 1）固定时间，选取多个空间位置 ——困难 2）固定位置，长期连续观测，如气象观测塔 ——较易

1.1.4 泰勒假说（波动冻结假说）

100m 10m/s 5℃ 湍涡

z y x z y x

10℃

5℃

10℃

湍涡

直径100m的湍涡，温差5℃

10秒后被10m/s风速吹至下风方

T  0.05 ℃/m xd

T T  U  xd t

一维空间温度的泰勒假说

T  0.5 ℃/s t

1.1.4 泰勒假说

出发点：定点长期观测较易、瞬时大范围观测较难。 Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平移过传感器时间 的情况下，当湍流平移过传感器时，可以把它看成是凝固的。 这样，风速就可以把本来作为时间函数对湍流的测量变为相应 的空间上的测量。

6 u 5 4 3 2

6 5 4 3 2 u

时间变化的风速

t

空间变化的风速

x=ut

1.1.4 泰勒假说

对任一变量 ξ，当 而全导数

d  0 时，湍流凝固 dt

d      U V W dt t z y x

泰勒假说的一般形式：

     U V W z t x y

前提条件：各向同性、平稳湍流 湍涡变化极小，即湍强满

足

I x (

u

u

)  0.5

1.1.5 相似性参数

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

南京大学风洞试验（以北京芳古园小区为对象，相似比250:1）

1.1.5 相似性参数

气流相似（几何相似、运动学相似），那么作用于 各气流系统的各种作用力也要满足一定比例相似：

 雷诺数（Re）相似  罗斯贝数（Ro）相似  弗罗德数（Fr）相似（或理查逊数Ri相似）  普朗特数（Pr）相似  施密特数（Sc）相似

1.1.5 相似性参数

1. 雷诺数（Re）相似性

Re 

UL

惯性力 粘滞力



U：流速 L：特征线性尺度 v：运动学粘滞系数

高风速空气充分混合，湍流发展 粘滞力抑制不规则运动，抑制湍流 Re小（1）时，惯性力主导，气流呈湍流

1.1.5 相似性参数

2. 罗斯贝数（Ro）相似性

U Ro  fL

惯性力 柯氏力

f ：柯氏参数 （地转偏向力）

Ro大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响 可不计。Ro趋向无穷大Ro自行满足 Ro≤1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略

1.1.5 相似性参数

3. 弗罗德数（Fr）相似性

U2 Fr  gL

惯性力 g ：重力加速度 重力

Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或

1.1.6 位温、虚温、虚位温

1. 位温θ：气体从原有的压强与温度出发，绝热膨 胀或压缩到标准压强的温度。 Poisson方程

T0  P0    T P

0.286

0.286

T0、P0 ：参考高度的温度、大气压 T、P ：任一高度的温度、大气压

 P0    T   P

一级近似

θ、P0 ：位温、基准大气压 （如100 kPa或地面气压） T、P ：原有高度的温度、大气压

  T  g C p  z

g/Cp =0.0098 K m-1: 干绝热递减率的负值（9.8 ℃ km-1） z ：100 kPa（或地面）以上的高度

2. 虚温 Tv ：当气压不变时，与湿空气具有相同密度 的干空气所对应的温度。

e  Tv  T  1  0.378  P 

T ：实测的温度

e、P ：当时的水汽压、大气压

Tv > T

密度：水蒸汽 干空气

绝对温度T

虚温Tv

3. 虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有 云的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中 悬浮云滴的情况下，总是降低虚温的。对于饱和空气 而言（存在云的情况下），定义虚位温θv为：

 v    1  0.61 sat   L 

未饱和空气，虚位温θv为：

γ sat ：气块的饱和水汽混合比 γL ：液态水混合比

 v    1 0.61 

γ ：未饱和

气块的水汽混合比

【例子】

[问题]：已知在90kPa处测得的温度为25℃，混合比为 20g/kg，求虚位温？ [求解]：首先，求出位温，

  T 

 P0   P

0.286

 100   298.16     90 

0.286

 307.28K

因空气未饱和，可用下式求虚位温，

 v    1  0.61   307.28  1  0.61 0.020  311.03K

[讨论]：虚位温中考虑了湿度，本例中θv 比θ高 5 K， 在计算浮力时，不可忽略。

第一章 大 气 边 界 层

1.1 大气边界层基本概念

1.1.1 大气边界层定义（重点掌握） 1.1.2 风与气流（重点掌握） 1.1.3 湍流输送（重点掌握） 1.1.4 泰勒假说（掌握） 1.1.5 相似性参数（了解） 1.1.6 虚温、位温与虚位温（了解）

大气边界层(ABL)定义： （重点掌握） 大气边界层位于对流层的最底部，厚度为 几百米到几千米，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 各种作用和地形的影响，它响应地面作用的时间尺度 为1小时或更短。 风与气流：（重点掌握） 平均风、波动、湍流；平均风、脉动风 湍流输送： （重点掌握） 能量级串（大湍涡小湍涡粘滞耗散） 能量来源（机械或地面粗糙度的影响、水平 或垂直风切变、热力不稳定性）

泰勒假说： （掌握） Taylor (1938): 在湍涡发展的时间尺度大于其平 移过传感器时间的情况下，当湍流平移过传感器时， 可以把它看成是凝固的。这样，风速就可以把本来作 为时间函数对湍流的测量变为相应的空间上的测量。

相似性参数：Re、Ro、Fr(了解) 虚位温（了解）

第一章 大气边界层

1.2 大气边界层的厚度与结构

1.2.1 大气边界层垂直分层结构 （重点掌握） 1.2.2 边界层发展的日变化 （重点掌握） 1.2.3 大气稳定度与ABL结构 （掌握） 1.2.4 地面影响与边界层结构 （了解）

1.2.1 大气边界层垂直分层结构

对流层顶

10 k

自由大气 高 度 1k （ 米 ） 100

云 层 夹卷层 逆温层底

Zi 大 气 边 界 层

混合层

z≤0.1 Zi 近 地 面 层

局地自由对流层 片流子层 （粗糙度层）

10 1 0

动量 热量 水分 物质 交换

近地面层特征

 高度：z ≤ 0.1 Zi，受下垫面的直接影响  风速、温度等气象要素场随高度剧烈变化 地面粗糙度小尺度湍流，地面增热热力对流  常通量层，各种湍流通量随高度几乎不变 该层以上，湍流通量逐渐减弱  风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响

1.2.2

边界层发展的日变化

边界层的发展具有明显的日变化特点 (高压、小风、少云)

烟羽翻卷

虚位 温

风速

水汽

污染 物

1.2.2

边界层发展的日变化

边界层的发展具有明显

的日变化特点 (高压、小风、少云)

自由大气层 前夹卷层 残留层 稳定边界层

虚位温 夜间边界层的烟羽发展

1.2.2

边界层发展的日变化

边界层的发展具有明显的日变化特点 (高压、小风、少云)

--对流边界层--稳定边界层--中性边界层- 白天：对流边界层（混合层） 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(中性层结)  强风（>12m/s）或阴天条件：中性边界层

不稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990)

盖帽逆温 上部稳定层结中 的波动及下部大 对流湍涡

稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990) 湍流层较浅 层内存在显著平均梯 度,风速极值分布 湍涡尺度小,伴随叠加 重力波

1.2.3 大气稳定度与烟羽

高 度 温度 污染物浓度

a. 环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或 地形起伏区。 b. 圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风 多云。

c. 扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向有一定 侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。 d. 漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽充分扩 散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。 e. 屋脊形（上升型）：上中(或不稳)、下稳；上部烟羽沿主风向 呈屋脊形扩散，下部边缘清晰；傍晚。

烟羽型

1. 环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或 地形起伏区。 2. 圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风 多云。 3. 扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向 有一定侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。 4. 漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽 充分扩散，上部逆温顶盖；日出后，烟雾事件。 5. 屋脊形（上升型）：上中(或不稳)、下稳；上部烟羽沿主 风向呈屋脊形扩散，下部边缘清晰；傍晚。

1.2.4 地面影响与PBL结构（了解）

地面性质: 反照率、 辐射率、 粗糙度、 热传导率、 热容量、 渗透率、 植被阻抗 等 辐射平衡 动量通量 能量平衡 热量通量 地表粘滞 应力 湍流应力

边界层 结构 变化

水汽通量

1.3 边界层气象学研究

边界层和自由大气比较

气象现象与时空尺度

> 200km 台风 20km ~ 200km 低空急流 200m ~ 2m ~

小 尺 度 中 尺 度

2km ~ 20km 重力波、地形 Meso  尺度 20m ~ 200m 对流单体

边界层研究的主要方法：

理论研究、观测试验、数值模拟

不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线

FA: ML: RL: SBL: SL: SCL: 自由大气层 混合层 残留层 稳定边界层 近地层 云下

层

S7

作业：请根据晴天小风天气情况下从S1－S6时刻的位温垂直廓线 变化，分析大气边界层结构的日变化？