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1、第一章第一章 大气边界层与边界层气象大气边界层与边界层气象学研究学研究1第一节第一节 大气边界层及其特性大气边界层及其特性1 11 1 大气边界层（大气边界层（重点掌握重点掌握） 10 km12 km自由大气自由大气平流层平流层边界层边界层2大气边界层大气边界层(ABL)(ABL) Atmospheric boundary layerAtmospheric boundary layer行星边界层行星边界层(PBL)(PBL) Planetary boundary layer.Planetary boundary layer.流体力学定义流体力学定义 PrandtlPrandtl（1904190
2、4）首次引入空气动力学）首次引入空气动力学大气运动尺度分析角度定义大气运动尺度分析角度定义3大尺度大尺度中尺度中尺度小尺度小尺度大尺度大尺度大尺度大尺度中尺度中尺度中尺度中尺度中尺度中尺度小尺度小尺度小尺度小尺度小尺度小尺度macro- macro- meso- meso- meso- micro- micro- micro-10000km200010000km2002000km20200km220km200m2km20m200m20m水平尺度水平尺度水平尺度Orlanski(1975)Orlanski(1975)尺度定义尺度定义4大气科学中小尺度分类大气科学中小尺度分类 200km 台风台风
3、 Meso 尺度尺度20km 200km 低空急流低空急流 Meso 尺度尺度 2km 20km 重力波、地形重力波、地形 Meso 尺度尺度200m 2km 对流对流 Micro 尺度尺度 20m 200m 对流单体对流单体 Micro 尺度尺度 2m 20m 烟气扩散烟气扩散 Micro 尺度尺度 12m/s12m/s）或阴天条件：中性边界层）或阴天条件：中性边界层38不同时刻，大气边界层平均位温廓线不同时刻，大气边界层平均位温廓线作业：请根据晴天、小风天气情况下作业：请根据晴天、小风天气情况下从从S1S1S6S6时刻的位温垂直廓线变化分时刻的位温垂直廓线变化分析大气边界层结构的日变化析大
4、气边界层结构的日变化FA: FA: 自由大气层自由大气层ML: ML: 混合层混合层RL: RL: 残留层残留层SBL: SBL: 稳定边界层稳定边界层SL: SL: 近地层近地层SCL: SCL: 云下层云下层S739PBLPBL结构变化特征：结构变化特征：见书上见书上P31P313434： 总之：分析大气边界层结构变化总之：分析大气边界层结构变化特征，具体问题具体分析。特征，具体问题具体分析。 考虑考虑天气条件天气条件，下垫面下垫面，地形地形以以及及季节、层结稳定度条件季节、层结稳定度条件等的变化对等的变化对大气边界层的影响。大气边界层的影响。402-2 2-2 爱克曼螺线和爱克曼层爱克曼
5、螺线和爱克曼层( (了解了解) ) 在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常，在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常，且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随高度变化的解，即为经典的高度变化的解，即为经典的EkmanEkman风廓线解。风廓线解。 可定性给出边界层运动的一些性质，可定性给出边界层运动的一些性质，但并非很合适的解。但并非很合适的解。 412-3 2-3 大气稳定度与大气稳定度与PBLPBL结构（结构（逐渐掌握逐渐掌握）稳定度，采用稳定度，采用M-O长度长度L作为判据作为判据 不稳定（对流）、中性、稳定不稳定（对流）、中性、稳定42 不稳定边界层结构及其流
6、场图象不稳定边界层结构及其流场图象。（引自。（引自Wyngaard, 1990)Wyngaard, 1990) 稳定边界层结构及其流场图象稳定边界层结构及其流场图象。（引自。（引自Wyngaard, 1990)Wyngaard, 1990)盖帽逆温盖帽逆温上部稳定层结上部稳定层结中的波动及下中的波动及下部大对流湍涡部大对流湍涡湍流层较浅湍流层较浅层内存在显著平均层内存在显著平均梯度梯度, ,风速极值分布风速极值分布湍涡尺度小湍涡尺度小, ,伴随叠伴随叠加重力波加重力波4344452-4 2-4 地面影响与地面影响与PBLPBL结构（结构（了解了解）辐射平衡辐射平衡能量平衡能量平衡地表粘滞地表粘
7、滞应力应力湍流应力湍流应力动量通量动量通量热量通量热量通量水汽通量水汽通量地面的性质地面的性质反照率、反照率、辐射率、辐射率、粗糙度、粗糙度、热传导率、热传导率、热容量、热容量、渗透率、渗透率、植被阻抗植被阻抗等等边界层边界层结构结构变化变化46下垫面不同，边界层结构不同！城市边界层、海洋边界层、极地边界层、沙漠边界层、绿洲边界层.47第三节第三节 边界层气象学研究边界层气象学研究边界层和自由大气比较边界层和自由大气比较48边界层研究主要方法（掌握）边界层研究主要方法（掌握）理论研究理论研究观测试验观测试验物理模拟物理模拟数值模拟数值模拟 大气边界层的研究方法通常是采用大气边界层的研究方法通常
8、是采用理论和实验理论和实验相结合，并以实验为主相结合，并以实验为主，理论上有以混合长理论，理论上有以混合长理论和相似理论（量纲分析）为基础的和相似理论（量纲分析）为基础的半经验理论半经验理论及及以概率论数理统计为基础的以概率论数理统计为基础的湍流统计理论湍流统计理论。 在应用中又以半经验理论为主。实验方法则是在应用中又以半经验理论为主。实验方法则是以野外观测及室内模型实验同时进行。以野外观测及室内模型实验同时进行。 近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大气边界层的气边界层的数值模拟研究方法数值模拟研究方法成为一种常用的研成为一种常用的研究手段。究手段。 49
