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1、常见问题解答1. 大气边界层的概念。答：大气边界层可定义为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面相互作用的层次，更精确地说，应是在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，因为如果时间尺度更长，下垫面影响的高度会更高。或：(ABL: Atmospheric Boundary Layer)是离地面约1km以下的大气层，这层大气受地表面热力和动力影响很大，不能忽略（而边界层以上的大气受地面影响微弱，可以忽略，称为自由大气）。 注：重点是说明大气边界层受下垫面的动力和热力影响巨大，不容忽略。2. 大气边界层分哪些层？各层分别具有何特点？答：大气边界层一般可分为粘性副层，近地层（常通量层）， Ekman层（
2、上部摩擦层）三层。粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一层的典型厚度1cm几个cm，因此对多数实际问题而言，可以忽略它。近地层（常通量层）：从粘性副层到50-100m，这一层大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。由于近地层中湍流强烈混合的结果，该层中各物理属性的铅直输送通量近似为常值，故又称为常通量层。Ekman层（上部摩擦层）：从近地层以上到1-1.5km。湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。3. 大气边界层的研究方法有哪些？各有何优缺点？答：研究大气边界层从方法上说，主要运用解析方法，数值模拟和实验
3、方法。由于大气边界层方程组有很高的非线性，因此解析研究需要适当的假定，这就影响了精确性，但可以清楚看出动力学过程；数值模拟可以少作假定，较为现实地再现边界层过程，但物理上不如解析方法清晰；前两种方法需要有实际观测的支撑和验证，三者相互支撑。 4. 列举说明，目前大气边界层的研究在在哪些方面存在困难？答：关于大气边界层的研究已经取得了一定成果，同时也面临着一些问题，主要有：1）.非均匀和复杂下垫面边界层非均匀下垫面和复杂下垫面不仅会造成大气边界层结构和运动状态在时间和空间上的重大差异,而且给大气模式的边界层参数化造成极大困难,自然界中的非均匀或复杂下垫面可归纳为3大类。（1)下垫面性质非均匀分布
4、由于植被分布不均匀或土壤性质变化造成的不均匀性,最突出的有海陆分布、干旱荒漠区中绿洲和湖泊分布。这种非均匀性不仅存在各子系统之间的相互作用,内边界层特征也是很显著的,对后者我们正在做一些工作。（2)地形起伏和山脉的作用复杂地形对边界层结构也有突出影响,它使确定数值模式网格点上的有效粗糙度问题变得极为困难。（3)城市大气边界层城市面积不断扩大,使得城市边界层影响日益重要,并且随着城市向高空发展,城市边界层更加复杂,城市冠层的输送,建筑物阻力和尾流湍流,多重反射,粗糙度的确定以及日益普及的空调和汽车的热源效应的影响等,都是当今的难点问题。2）.特殊地区边界层特征由于缺乏有效的基本观测资料,一些极端
5、气候区的边界层研究和认识都还很不足,其中两大区域值得我们注意。（1）干旱荒漠区的大气边界层特征干旱区范围广,与全球大多数区域对比强烈,通过边界层对大气加热作用,对气候和大气环流影响较大。绿洲等引起的非均匀使干旱区边界层结构也比较复杂,我们已经初步发现干旱区的边界层厚度非常特殊。（2）青藏高原寒区边界层特征它是全球最大的地形,对大气环流影响极大,但研究很不充分。3）.沙尘暴等特殊天气边界层特征由于沙尘暴等特殊天气事件出现概率比较少,在边界层观测中很少捕捉到这些过程,并且对它们的观测还存在一些技术上的困难。然而,沙尘暴天气的风沙大气边界层的观测是有重要意义的,其特殊性主要表现在对大气边界层两个特殊
6、的强迫上:强的干对流活动引起的宏观垂直运动对边界层结构的强迫作用和对输送过程的贡献。 大气边界层内超常沙尘分布对辐射过程的强迫作用。4）.边界层与云和降水的作用边界层与云和降水的相互作用表现在多方面,上世纪90 年代起这方面的研究开始增加,但很多问题仍不清楚,主要有以下几个方面。积云和对流降水等中尺度过程产生的中尺度通量如何在边界层进行参数化? 水汽在边界层相变时引起的潜热释放的热量强迫作用。 水汽在边界层的辐射强迫效应。强的湿对流过程对边界层的动力强迫作用。5）.湍流如何在模式中更合理的参数化湍流闭合仍未彻底解决,所以才出现五花八门的闭合技术。有没有彻底闭合方法? 非线形热力学会不会是条途径
7、,还需要进一步去研究。6）.大气湍流问题大气湍流研究面临的问题,主要有以下3 个方面: (1) 到目前为止,我们对大气湍流认识到什么程度? 事实上给湍流一个严格的定义都很困难。对大气湍流从最基础理论另劈蹊径去研究仍然十分必要。(2) 湍流机制和湍流本质研究如何突破,非线性动力学真的能解决湍流的问题吗? 这其中的疑点仍然很多。(3) 间歇性湍流等一些特殊湍流问题并没有取得最终的结论,如何去进一步深入,至今仍困绕着我们。7）.地-气之间界面的物质和能量交换问题随着地球系统科学的提出,大气与陆地和海洋等其它系统的相互作用越加引起人们的重视。全球变化通过大气与地球表面相互作用来响应和实现,气候异常也往
8、往潜伏着地气能量交换的异常表现。为了能较好地表达地气交换过程,将边界层研究的最新理论进展及时用于建立大气和海洋以及大气和陆地的耦合过程是十分必要的。由于界面物理过程的复杂性,尤其因陆面涉及生态、水文、地质和人类活动等多种过程因素,建立完善的大气与陆地或大气与海洋耦合过程比较困难。因此,陆气界面的交换甚至已发展成为一个相当热门的研究领域即陆面过程。但目前陆面过程模式变得越来越复杂,引进的不确定参数也不断增加。我们会不会仍在层层参数的迷宫中打转? 陆面过程可否有简洁明了的公式可以表达?8）.局地实验结果的代表性由于财力和人力有限,只能在个别具有代表性的地方进行大气边界层和陆面过程试验,然而,这些局
9、地试验成果能否用于数值模式的网格尺度? 到底是卫星遥感资料还是细网格数值模拟能帮助我们解决这一问题? 都等待我们去研究、去回答。5. 说明大气边界层中的湍流输送过程及其作用。答：大气边界层的运动形式主要是湍流运动，而大气边界层内主要的物理过程就是湍流运动引起的各种物理量，包括热量、水汽、动量和各种物质如污染物的湍流交换和输送，这种湍流交换过程决定了边界层内各种变量的空间分布和时间变化。湍流输送类似分子输送，但强度比分子输送大几个量级，湍流输送的结果是将各种量由高值区向低值区输送，例如热量由高温输向低温，水汽由高水汽浓度区输向低水汽浓度区，动量（风速）由风速大的区域输向风速小的区域，污染物由源区
10、输向低污染区。在大气中水平方向的平流输送主要由风来完成，它比水平方向的湍流输送大很多，但垂直方向的输送主要由湍流输送来完成。地表蒸发的水汽由湍流进入大气边界层，受太阳辐射加热的地表将热量由湍流输送到边界层内，而由于风速一般总是边界层上部更大（地表风速为零），动量输送一般由上向下。湍流的强弱决定了湍流输送过程的强弱，因而湍流输送过程与层结，风速都有密切的关系。湍流输送过程不仅起输送作用，它也在大气的能量平衡中起重要作用。大气中不断发生着能量由平均运动转换成湍流运动及湍流运动把湍流能量变为分子内能的过程，单纯从大气运动的角度说，边界层内的湍流对大气运动起着摩擦消耗的作用。大气中的湍流交换过程决定于
11、层结和风等影响湍流的诸多因子，而同时湍流交换的结果造成了动量、热量、水汽等的重新分布，因而也决定了风、温、湿等诸要素的分布。因此大气边界层的状态正是湍流与气象要素相互适应、调整的结果。6. 大气边界层在大气中有哪些作用？答：因为湍流主要存在于大气边界层中，而湍流又对大气起着输送、交换和摩擦的作用，因而大气边界层在大气中起了非常重要的作用。 地表面特别是海洋是大气中水汽的来源，蒸发进入大气的水汽由湍流输送进入更高处，并通过各种形式的垂直运动输送到自由大气，形成云雨。同样是海面，由于不同的边界层状态，蒸发量可以有很大的不同，不同地区的不同蒸发决定了大气的水汽源和潜热收入的差别，成为区域性天气、气候
12、乃至全球气候的重要影响因子。 由于地气之间有温差，就会在地气之间有感热交换，这种感热交换也是大气的重要热源和热汇。下垫面性质的不同会影响地表面的热平衡，影响地气间的感热交换，产生不同的局地气候并影响更大范围的天气气候。如沙漠、绿洲下垫面的巨大差异，感、潜热通量的巨大差异，就产生不同的小气候状态，从而影响局地环境和气候状态。类似的还有城市下垫面，在这些情况下，边界层内的过程起了主要作用。 边界层内的湍流对大气运动的动能起了摩擦消耗作用，因而边界层是大气动能的主要“汇区”，对大气运动产生重要影响，在大气模式中也必须考虑这种作用。 在自由大气中，大气运动主要受气压梯度力和科氏力控制，在大气边界层中还
13、要考虑湍流摩擦力，在这三种力作用下，边界层内的风速除了随高度向上增加外，风向还会随高度增加向右偏转(北半球)，在边界层顶变为由气压梯度力和科氏力决定的地转风，因而在近地面处风向与地转风之间有一交角，北半球等压线右侧为高压，因此边界层内风向是指向低压的，这样就会形成向低压区的质量辐和并产生垂直运动，造成气压场的变化，进一步影响环流及天气的演变。由于边界层中湍流运动的特性，因此边界层对大气运动的各种形式的波动、锋面、不同的气压系统等均有重要的影响。总的说，大气边界层在整个大气的演变过程中都起着重要的作用。 另一方面，就边界层本身而言，它本身也发生一些特殊的运动形式，如海陆界面附近的海陆风，地形起伏
14、地区的山谷风等，都是边界层内的气象现象，有些也会产生天气现象，如海陆风辐和引起的局地降水。强不稳定的对流边界层也可能会触发强对流，引起局地雷暴。大气边界层在对大气的气象要素进行湍流输送的同时，也对其中的污染物进行着输送和扩散。污染物从污染源排放出来，通过风、湍流进行着输送、扩散过程，由此造成不同地区的污染。空气污染气象学可以定量计算污染物的浓度分布与时间演变，需要依据边界层中的湍流状态，因此大气边界层在天然及人为排放的污染物的散布、运动、转化中也是一个关键的区域。7. 常用的平均方法有哪些？分别怎么得到？答：常用的平均方法有：时间平均、体积平均和总体平均。（1）时间平均 可以在某一空间点s平台
15、上，安装在测杆或观测塔之类的传感器而得到。 例如，在某一定点的观测可取某一时段内的平均，这种平均常是几十分钟的平均，这样涵盖了大部分各种频段湍涡的贡献。（2）空间平均 在某一时刻，通过部署一系列包括线、面和体的气象传感器可得到空间平均。 （3）总体平均： 定义：随机变量在相同条件下重复若干次（很多次）实验后所作的平均。室内实验可能得到总体平均，通过重复基本试验，总体平均可以减少随机试验误差。8. 试说明基于什么样的困难及合理性有了用平均量方程研究湍流平均态变化的构想。答：大气边界层运动是湍流运动，最好的办法就是对上节的瞬时量方程进行积分。然而湍流量瞬息万变，而湍流运动的尺度范围又非常宽广，要抓
16、住微小尺度的湍流变化，数值积分时格距要很小，时间步长要非常短，即使在计算机运算速度日益增长的今天，靠积分瞬时方程来研究时空变化仍是不可能的，因此就有了用平均量方程研究湍流平均态变化的构想。这源于雷诺平均的概念，即将瞬时量看成平均量和脉动量的叠加，对瞬时方程进行处理，得到平均量和脉动量的方程。然后研究平均方程的解，得到平均场的各种性质，这是研究湍流的主要方法。再说，湍流量是随机变化的，有实际意义的也往往是其平均状态，如平均风速，平均温度等。9. 闭合问题是如何产生的？如何解决？答：在导出描写边界层运动的平均运动的控制方程组时，方程内出现了由湍流脉动量组成的统计量，例如，项。于是，方程所包括的未知量超过了方程的个数，必须要给出和项，方程组才能求解。 然而，当建立起有关二阶相关矩和方程时，方程中又出现了脉动量
