邊界層理論與陸面過(guò)程

1、邊界層理論與陸面過(guò)程1課程簡(jiǎn)單介紹對(duì)流層下部有一層直接與下墊面作用，有摩擦（動(dòng)力）、熱交換（熱力）、水汽交換等作用。2 大氣邊界層是指離地面12公里范圍的大氣層最底下的一個(gè)薄層，它是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次，它與天氣、氣候以及大氣環(huán)境研究有非常密切的關(guān)系。由于人類(lèi)的生命和工程活動(dòng)絕大多數(shù)都是發(fā)生在這一層次內(nèi)，所以大氣邊界層的研究又與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、以及城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等緊密相關(guān)。動(dòng)量、熱量、水分、物質(zhì)交換3（大氣）邊界層理論主要研究發(fā)生在大氣邊界層中的各種動(dòng)力和物理過(guò)程。 下邊界：陸面過(guò)程主要研究發(fā)生陸面的基本過(guò)程及其與大氣間的相互作用。大氣邊界層：大氣與下墊面（陸地、

2、海洋） 之間形成的一個(gè)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)特殊的區(qū)域。4第一部分：（大氣）邊界層理論 闡述大氣邊界層基本概念和介紹理論、方程的基礎(chǔ)上，講解大氣邊界層研究的的特征、規(guī)律，試圖給出大氣邊界層分析的一般方法。大氣邊界層概述大氣邊界層湍流基礎(chǔ)大氣邊界層（大氣湍流）的控制方程和穩(wěn)定性參數(shù)近地層氣象學(xué)及近地層相似理論 （定常大氣邊界層）下墊面的能量平衡和熱力強(qiáng)迫地表湍流通量的計(jì)算方法非定常大氣邊界層（大氣邊界層） 非均勻下墊面大氣邊界層大氣邊界層的數(shù)值模擬和邊界層參數(shù)化簡(jiǎn)介課程講授計(jì)劃一5本部分重點(diǎn)介紹大氣邊界層物理最基本的內(nèi)容，包括大氣邊界層的特征，描述大氣邊界層的主要數(shù)學(xué)物理工具，大氣湍流理論，大氣邊界層的半經(jīng)驗(yàn)

3、相似理論、數(shù)值模擬等。參考書(shū)目：楊長(zhǎng)新譯 Rolad B. Stull邊界層氣象導(dǎo)論 氣象出版社1991 Stull, R.B. 1988： An introduction to boundary layer meteorology Kluwer Academic Publishers Garratt, J. R. 1992： The atmospheric boundary layer Cambridge University Press趙 鳴等 邊界層氣象學(xué)教程 氣象出版社 1991蔣維楣等 邊界層氣象學(xué)基礎(chǔ) 南京大學(xué)出版社 1994趙 鳴 大氣邊界層動(dòng)力學(xué) 氣象出版社 20046第二部分

4、 陸面過(guò)程 介紹陸面狀況的基本特征、陸面過(guò)程及陸氣相互作用的概念、原理；陸面參數(shù)化方案和陸面模擬的原理和方法。課程講授計(jì)劃二參考材料： 孫菽芬 陸面過(guò)程的物理、生化機(jī)理和參數(shù)化模型氣象出版社 2005 陸面過(guò)程概述陸面過(guò)程的重要性陸面過(guò)程參數(shù)化的主要內(nèi)容和陸面模式的發(fā)展陸面的能量平衡陸面的水分平衡陸面的其他過(guò)程（植被的生物物理、生物化學(xué)過(guò)程、積雪、凍土過(guò)程）代表性陸面模式介紹陸面過(guò)程模擬陸面過(guò)程研究的最新進(jìn)展和動(dòng)態(tài)7第1講 大氣邊界層概述內(nèi)容提要: 大氣邊界層的基本概念、基本特征；大氣邊界層的基本過(guò)程、作用及其大氣邊界層研究的重要意義；大氣邊界層的基本特征、結(jié)構(gòu)；大氣邊界層研究的歷史回顧、方法

5、和應(yīng)用情況。8一、大氣邊界層的基本概念1、大氣邊界層的含義大氣邊界層：大氣與下墊面（陸地、海洋）之間形成的一個(gè)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)特殊的區(qū)域。流體力學(xué)邊界層：9大氣的最低部分受地面影響的一層，平均厚度為地面以上1km范圍，以湍流運(yùn)動(dòng)為主要特征。大氣邊界層又稱(chēng)行星邊界層，是指存在著連續(xù)性湍流的低層大氣：（1）湍流是邊界層大氣的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)，對(duì)地表面與大氣間的動(dòng)量、熱量、水汽及其他物質(zhì)的輸送起著重要作用；（2）地球表面熱力強(qiáng)迫的日變化通過(guò)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(ABL)：Atmospheric boundary layer行星邊界層(PBL)：Planetary boun

6、dary layer.大氣邊界層的定義：102、大氣邊界層的主要特征：（1）大氣運(yùn)動(dòng)的湍流性大氣邊界層的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)一般是湍流：不規(guī)則性和脈動(dòng)性。風(fēng)和氣流的三種主要形態(tài)：平均風(fēng)速波 動(dòng)湍 流11大氣邊界層湍流：（1）機(jī)械湍流：風(fēng)切變，機(jī)械運(yùn)動(dòng)（2）熱力湍流：輻射特性的差異 白天：不穩(wěn)定夜間： 穩(wěn) 定12（2）大氣邊界層的日變化氣象要素的空間分布具有明顯的日變化（Diurnal Cycle)13下墊面的作用: 表面加熱和冷卻的日循環(huán)引起熱力穩(wěn)定度的日變化，從而影響湍流混合和動(dòng)量交換過(guò)程，進(jìn)而邊界層中風(fēng)的分布。不穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（Wyngaard, 1990) 穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖

7、象。（Wyngaard, 1990)14邊界層結(jié)構(gòu)明顯的日變化15二、大氣邊界層過(guò)程、作用和重要性1、邊界層過(guò)程：湍流過(guò)程 （1）湍流輸送；（2）大氣能量平衡；（3）層結(jié)和風(fēng)2、大氣邊界層在大氣中的重要作用（1）水汽通量 （2）感熱通量 （3）摩擦消耗 （動(dòng)量、動(dòng)能匯區(qū)）氣象要素的輸送 + 大氣污染物的輸送163、研究邊界層的意義（重要性） 大氣邊界層研究與天氣、氣候、生態(tài)環(huán)境以及人類(lèi)的生命和工程活動(dòng)密切相關(guān)。大氣的基本能源是太陽(yáng)輻射，而太陽(yáng)輻射的大部分是穿過(guò)大氣后被地面吸收，然后通過(guò)邊界層湍流輸送給大氣；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

8、界層中；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(guò)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一.17三、大氣邊界層的分層、厚度和垂直結(jié)構(gòu)1. 大氣邊界層的分層(1).粘性副層（微觀層）(2).近地層（常通量層）(3).Ekman層（上部摩擦層）18大氣邊界層的分層(1).粘性副層（微觀層）：分子輸送過(guò)程處于支配地位，分子切應(yīng)力遠(yuǎn)大于湍流切應(yīng)力。在這一層中，由分子輸送的熱通量可表示為： 其中，為分子熱擴(kuò)散率（空氣的分子熱擴(kuò)散率為210-5m/s）。典型的熱通量值為0.2Km/s

9、，由此計(jì)算的溫度梯度為1.0104K/m，這相當(dāng)于穿過(guò)1毫米厚的微觀層的溫差為10度。19(2).近地層（常通量層）：大氣受地表動(dòng)力和熱力影響強(qiáng)烈，氣象要素隨高度變化激烈，運(yùn)動(dòng)尺度小，科氏力可略。由于近地層很薄和湍流擴(kuò)散強(qiáng)烈混合的結(jié)果，該層中動(dòng)量、熱量和水汽的鉛直輸送通量不隨高度變化，同樣原因，近地層中風(fēng)向也不隨高度變化。 (3).Ekman層（上部摩擦層）：在這一層里，湍流粘性力、科氏力和氣壓梯度力同等重要，需要考慮風(fēng)隨高度的切變。20 海洋上：由于海水上層強(qiáng)烈混合使海面溫度日變化很小。此外，海水熱容量大，海面溫度日變化不明顯，邊界層厚度變化十分緩慢。邊界層厚度的變化重要是由天氣、中尺度垂直

10、運(yùn)動(dòng)和不同氣團(tuán)平流引起的。 邊界層厚度的時(shí)空變化很大，空間范圍從幾百米到幾千米。2. 大氣邊界層的厚度和結(jié)構(gòu) 陸地上，邊界層具有輪廓分明、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。21陸地高壓區(qū)邊界層主要包括三層：強(qiáng)湍流混合層、弱湍流殘留層和有分散湍流的夜間穩(wěn)定邊界層。 （1）混合層： （2）殘留層：日落前半小時(shí)，湍流在混合層中衰減形成的空氣層，屬中性層結(jié)。 （3）穩(wěn)定邊界層：夜間，與地面接觸的殘留層底部逐漸變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。其特點(diǎn)為在靜力穩(wěn)定大氣中有零散的湍流，雖然夜間近地面層風(fēng)速常常減弱或靜風(fēng)，但高空200m 左右，風(fēng)卻由于低空急流或夜間急流能達(dá)到超地轉(zhuǎn)風(fēng)速。22大氣邊界層的分類(lèi)與特征不穩(wěn)定邊界層（對(duì)流邊界層Co

11、nvective boundary layer CBL, 混合層Mixed layer ML）穩(wěn)定邊界層（Stable boundary layer, Nocturnal boundary layer）中性邊界層（Neutral boundary layer）不同類(lèi)型陸地邊界層的基本特征23四、大氣邊界層研究的發(fā)展歷史、方法和意義1900 - 1910 Development of laminar boundary layer theory（Prandtl 1904). Ekman (1905,1906) Theory of laminar Ekman layer.1910 - 1940 Ta

12、ylor develops basic methods for examining and understanding turbulent mixing Mixing length theory, eddy diffusivity - von Karman, Prandtl, Lettau1940 - 1950 Kolmogorov (1941) similarity theory of turbulence1950 - 1960 Buoyancy effects on surface layer (Monin and Obuhkov, 1954) Early field experiment

13、s Turbulent flux measurements1960 - 1970 The Golden Age of BLM. Accurate observations of a variety of boundary layer types. Verification/calibration of surface similarity theory.1、大氣邊界層研究的歷史241970 - 1980 Introduction of resolved 3D computer modeling of BL turbulence (large-eddy simulation or LES). A

14、pplication of higher-order turbulence closure theory.1980 - 1990 Major field efforts in stratocumulus-topped boundary layers and land-surface, vegetation parameterization. Meso-scale modeling.1990 - The Age of Technology New surface remote sensing tools (lidar, cloud radar) and extensive space-based

15、 coverage of surface characteristics; LES as a tool for improving parameterizations and bridging to observations. Coupled ocean-atmosphere-ice-biosphere and medium-range forecast models create stringent accuracy requirements for BL parameterizations. Accurate meso-scale modeling for urban air flow; coupling to air pollution. Boundary layer - deep convection interactions25通常是采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并以實(shí)驗(yàn)為主。理論上有以混合長(zhǎng)理論和相似理論（量綱分析）為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)理論及以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的湍流統(tǒng)計(jì)理論；在應(yīng)用中又以半經(jīng)驗(yàn)理論為主。實(shí)驗(yàn)方法則是以野外觀測(cè)及室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。近幾十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)速度的不斷提