L02边界层气象学

边界层理论的发展历程和基本概念边界层，顾名思义，即处于粘性流场中的物体其表面存在的流动薄层。

边界层的概念在科研中具有很广泛的应用，如气象学家所熟知的大气边界层，治理空气污染时所用到的边界层等等。

今天我们要谈的是空气动力学中的边界层，下面跟着我一起回顾边界层理论的发展历程和基本概念。

边界层概念的提出边界层的概念最早可以追溯到十九世纪末，当时的流体力学主要存在两个研究方向，有趣的是这两个方向实际上毫无共同之处。

其中一个方向是理论流体动力学，它从无摩擦、无粘性流动的欧拉运动方程出发，并达到了高度完善的程度。

然而，却与实验结果有明显的矛盾，尤其对于管道中流体的流动难以解释压力损失和流场中物体的阻力问题，流体的粘性力相对于其他外力很小，人们很难理解仅仅是忽视掉了粘性，为什么理论与实验结果会相差如此之大。

其实，当时人们早就知道了有摩擦流动的完整的运动方程（N-S方程），只不过受限于当时的条件，求解方程极其困难，故实验与理论的巨大差距一直难以解释。

这也就引出了从实际出发而形成的一门高度经验性学科，当时被称为水力学。

水力学以大量的实验数据为基础，避开了理论上的计算，而且在方法和研究对象上都与理论流体动力学大相径庭，但仅仅依靠经验终究是不够的，故其也具有一定的局限性。

路德维格·普朗特（Ludwig Prandtl）在这个时代背景下，路德维格·普朗特 (Ludwig Prandtl) 提出了流动边界层的概念，他在1904年的一次数学讨论会上宣读了论文“具有很小摩擦的流体运动”，在这篇论文中，普兰特借助于理论研究和几个简单的实验（普朗特水槽），证明了绕固体的流动可以分成两个区域：一是，物体附近很薄的一层（即流动边界层），其中摩擦（粘性）起着主要的作用；二是，该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。

边界层概念的提出解决了当时的许多问题，以此为前提，当时的人们对数学上的困难做了很大程度的简化。

基本概念——边界层提到边界层不得不提到另一个流体力学中的概念——雷诺数，用以判断粘性流体流态，同时影响着边界层的厚度。

an introduction to boundary layermeteorology篇幅较长，请耐心阅读。

引言：边界层气象学是气象学中一门重要的分支领域，研究大气中接触地球表面的那一层空气，称为边界层。

边界层的特性对气象的各个方面都有着重要影响，如天气现象、能量交换和大气环流等。

本文将详细介绍边界层气象学的基本概念、形成机制、结构特征以及对气象现象的影响。

一、基本概念边界层是指大气中与地表直接接触的那一层空气，其厚度通常在几百米到几千米之间。

它是大气的底层，也是大气与地表之间交换能量、质量和动量的重要界面。

边界层气象学研究的是这一层空气的性质、运动和动力学过程。

二、形成机制边界层的形成主要受地表特性和大气的垂直运动的影响。

大气的垂直运动包括对流、辐射冷却和湍流。

而地表特性指的是地形、土壤类型和植被等。

这些因素共同作用，导致边界层的形成与发展。

1. 对流运动当地表受到太阳辐射而变暖时，空气会受热膨胀，产生上升的气流，称为热对流。

这种上升气流在边界层内不断形成，导致边界层内形成对流的垂直运动。

2. 辐射冷却夜间，地表辐射能量会减少，导致地表变冷。

此时，边界层中的空气也会受到冷却，从而形成下沉气流。

3. 湍流地表和大气之间存在着湍流运动。

湍流是指流体中涡旋运动的不规则运动形式，它使得边界层中的空气不断混合、扩散和交换。

三、结构特征边界层的结构特征包括温度、风速和湍流等方面的变化规律。

1. 温度边界层中的温度变化主要表现在垂直方向，通常呈现降温的趋势。

接近地表的地方，温度变化比较显著，趋于稳定。

而在边界层顶端，温度变化相对较小。

2. 风速边界层内的风速和风向变化较大。

对流运动导致的上升气流和下沉气流使得风速具有垂直剖面变化的特点。

接近地表的地方，风速较小，但上升至较高高度后，风速会逐渐增大。

3. 湍流边界层中湍流的运动非常活跃。

湍流运动混合了不同层次的空气，使得水平和垂直上的质量、能量和动量交换得以实现。

文章编号:1006-7639(2003)-03-0074-05大气边界层气象学研究综述张　强(中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃兰州　730020)摘　要:文中回顾了大气边界层气象学的发展历史,总结了目前大气边界层气象学的主要进展,并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题,以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议,同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。

关键词:大气边界气象学;研究进展;主要问题;发展方向中图分类号:P404 文献标识码:A引　言什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。

具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。

大气边界层厚度,一般白天约为1.0km ,夜间大约在0.2km 左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。

大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。

全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。

1　大气边界层气象学发展历史大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科,大气边界层气象学的发展,不仅受到观测系统和探测技术的制约,也受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响,并随着它们的发展而发展。

大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,研究大气和它下垫面(陆面和洋面)相互作用以及地球—大气之间物质和能量交换的一门新型气象学科分支。

什么是湍流?英文湍流为“turbulence ”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。

从1915年由Taylor [1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley [2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。

边界层的概念和特点边界层是指在地球物理学中，大气界面和地面之间的一层气体。

在气象学上，边界层是指从地面到一定高度范围内，风速、温度、湿度等各种大气参数发生显著变化的区域。

边界层的高度通常为未来数小时预报所需要的范围内。

1. 逐渐递减的风速：在边界层内，风速逐渐递减。

开始时，风速最大并且逐渐降低。

具体的风速变化取决于地面和大气层的性质和情况。

2. 温度和湿度梯度：边界层内的温度和湿度呈现出明显的梯度变化。

一般来说，地面处温度最高，高层温度逐渐降低。

除此之外，空气湿度在边界层内也会发生变化。

具体变化也是因地而异的。

3. 乱流增大：边界层内的乱流比较显著。

在这里空气流动不是平稳的，而是发生着强烈的乱流。

气体不能在水平方向上自由扩散，而是在各种水平方向逐渐混合。

4. 光学特性不同：由于边界层内存在着大量悬浮的尘埃和气体，它具有不同于上层大气的光学特性。

这使得大气边界层对光的透过率发生了变化。

边界层在气象、环境科学、气候变化等领域具有重要意义。

较为典型的是它与交通工具有关的影响。

由于边界层内的风速变化大，乱流强，而车辆在受到这种影响的同时会发生摩擦热，从而可以推测车辆的燃油效率、稳定性和舒适性。

在电力行业，边界层的变化也会影响线路的温度和表面附着物的变化，从而影响电力传输的效率和稳定性。

同样，边界层的湿度和风速也会对农业和林业造成影响。

总之，边界层是一个非常重要和复杂的概念。

对于气象学家、大气化学家、环境工程师、天气预报员、交通工程专家等专业人士来说，了解边界层的基本原理、特点和影响就显得尤为重要。

边界层理论知识点总结边界层是指在地表和自由大气之间存在着较为复杂的物理、化学、动力和能量过程的气体层，其厚度一般在几十米到几百米之间。

边界层的存在对于大气环流、气候、水循环等方面都有着重要的影响。

边界层理论是研究边界层的物理过程和结构的学科，在气象学、地理学、环境科学等领域都有着重要的应用。

边界层的结构边界层的结构是指边界层内部的物理特征和过程。

一般来说，边界层的结构可以分为水平结构和垂直结构两个方面。

水平结构在地表上，由于地形的不同，边界层的结构也会有所不同。

在平坦地区，边界层结构比较简单，可以分为地表边界层和大气边界层两部分。

地表边界层是指在地表之上0-1000米内的边界层，大气边界层是指在地表之上1000米以上的边界层。

在山地或者海洋等地形复杂的地区，边界层的结构也会有所不同，有时候边界层内部会出现多层结构。

垂直结构边界层内部的垂直结构一般可以分为三层。

地表边界层（0-100米）是指最近地表的一层，其内部的风速和风向受到地表粗糙度影响较大。

中层边界层（100-1000米）是指地表上方100-1000米的一层，其内部的风速和风向受到大气稳定度影响较大。

大气边界层（1000米以上）是指在1000米以上的一层，其内部的风速和风向受到大气环流影响较大。

边界层的动力过程边界层的动力过程是指边界层内部的气体动力学过程，主要包括湍流、辐射、湍流输送、地转偏向、辐散、螺旋上升等过程。

湍流湍流是边界层内部流体的一种不规则运动状态，其特点是速度、密度和压力都不断发生变化，同时也存在着不规则的旋转运动。

湍流是边界层内部动能输送和质量输送的重要机制。

辐射辐射是指太阳光的热辐射在地表和大气中的传播和吸收过程。

在白天，地表吸收太阳光，导致地表温度升高，然后通过热传导和对流作用将热量传递给大气，形成边界层内部的热辐射。

在晚上，地表失去热量，导致地表温度下降，然后通过热传导和对流作用将热量传递给大气，形成边界层内部的冷辐射。

一、名词解释 (每小题 6 分，共 30 分)1. 雷诺数Re ≡UL/v=特征惯性力/特征粘性力。

Re 数是判断两粘性流体运动是否相似的重要判据之一。

2. 总体理查逊数3. 雷诺平均对于任一物理量，当定义平均值后，可将湍流运动表示为 湍流运动=平均运动+脉动运动。

而将任意实际物理量表示为：，则为雷诺平均。

4. 大气边界层大气的最低部分直接受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。

大气边界层厚度的时空差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。

还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。

大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气：（1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用；（2）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周期的循环。

5. 定常湍流如果这些湍流统计参数不随时间变化，就称为平稳湍流或定常湍流；此时，足够长时间的平均即接近于总体平均。

6. 均匀湍流≡如果统计参数不随空间变化，称之为均匀湍流；此时，足够大的空间平均也接近于总体平均。

7. 普朗特混合长湍流运动中，单位质量的流体微团含有某种特性量q ，如果① q 是被动的，即不影响流体的运动情况； ② q 是保守的，即在运行距离 之后，q 值守恒。

在湍流运动过程中特性量q 保持不变（失去原有特性）前所走过的距离，称之为混合长。

8. 常值通量层近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层。

常值通量层通常指的是动量常值通量层。

9. Monin-Obukhov 长度10. 动力内边界层上游来流为中性大气，气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度的下垫表面，在地面的动力强制作用下，在新的下垫面上空将形成一个内边界层，即动力内边界层。

边界层气象学教程边界层气象学是研究大气中近地面层分布与变化的学科。

它不仅对于气象学研究具有重要意义，而且对于污染物扩散预测、环境保护等方面也有着广泛的应用。

下面就让我们来了解一下边界层气象学的基础知识。

一、边界层气象学的基本概念边界层气象学是指研究大气中近地面层上升下沉运动、温度、湿度、风速、风向等的变化规律和特征的学科。

二、边界层的形成和特征边界层是指大气中接近地面的一层空气，其厚度一般为数百米到数千米。

边界层对气象要素有明显的影响，如溶质扩散、光学传输、人体健康等。

三、边界层的分层结构边界层的分层结构可以分为三层，即表层、中层和底层。

其中表层的高度约为地表摩擦层，中层高度在数百到数千米之间，底层高度则由地形、时间、季节等因素决定。

四、边界层的物理过程边界层的物理过程包括热力过程和动力过程。

热力过程包括辐射传热、湍流传热、热传输等，动力过程包括地表摩擦力、气旋运动、惯性力等。

五、边界层的观测和模拟方法边界层的观测方法主要有风廓线雷达、气象探空等。

模拟方法主要包括数值模拟、解析模拟等。

这些方法可以提供边界层物理过程的详细信息，为边界层预报和研究提供了支持。

六、边界层的预报和应用边界层在气象、环境、能源等领域中具有广泛的应用前景。

边界层的预报可以用来预测城市污染物扩散、风力发电等。

此外，边界层研究还与农业、航空、海洋等领域有关。

总结：边界层气象学研究大气中近地面层分布与变化的学科，对气象、环境保护等领域具有广泛的应用。

了解边界层形成和特征、分层结构、物理过程、观测和模拟方法以及预报和应用等方面，有助于我们更深入地了解其重要性。