大气行星边界层

2.若大氣較不穩定或是呈中性，邊界層就會較高，可達3㎞。

一般來說，平均邊界層高度約1㎞。

3.大氣在夏天因比在冬天較不穩定，所以邊界層較高；同樣地，白天時大氣比晚上時不穩定，因此也有較厚的邊界層。

物理意義：PBL 處的垂直速度約正比於ξg ，所以 ()ξg e D w ∝。

如圖5-8，邊界層和其上的自由大氣是藉由這樣的一個次環流所聯繫著：地面的低壓因摩擦力造成PBL 內的輻合，產生一向上的運動，因此在高層為一輻散場。

1. 由渦度方程可知，因為高層輻散 ↓⇒+⇒f ξ高空低壓減弱2. 由運動方程可知，因為高空的輻散受到科氏力影響而有順時鐘運動的傾向，因此會減低原渦旋逆時針旋轉的旋度，此即為spin down 的作用。

實例：一盛水的杯子在旋轉時，因有往外的離心力，故必須有向內的氣壓梯度力來平衡，所以水位一定會向中央凹下，呈一拋物面。

但杯底的摩擦力會使近杯底處的水流速度漸小，意味著下層的離心力小於上層之，所以在下層離心力無法平衡氣壓梯度力而產生一輻合，於此，次環流生成，為低層輻合，高層輻散。

此作用和大氣的次環流生成過程有點類似，但有兩處不同：1. 在大氣中為氣壓梯度力和科氏力的平衡，而科氏力是有方向性的；2. 大氣中摩擦力主要是eddy viscosity ，而上例的摩擦力是來自分子摩擦力。

相形之下，如果在沒有對流存在時（積雲對流可以將對流層內的動量和熱量作有效率且十分快速的傳送），邊界層所引發的spin-down process破壞旋轉系統的渦度要比diffusive effect來得有效率得多。

圖5-9為正壓大氣下，由邊界層內的摩擦力所造成的次環流分佈情形。

2.Stably-stratified Baroclinic Atmosphere一般來說，大氣是呈stably-stratified，氣塊之垂直發展受到大氣分層的效應所抑制（負浮力之故），據此，如圖5-10，次環流的垂直發展範圍有一限度。

因此，Ekman layer頂部的渦度spin-down最多，但高層較不會受到影響。

大气边界层气流过地面时，地面上各种粗糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后便可忽略。

此高度称为大气边界层厚度，它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化，大致为300～1000米。

直接受到地表作用力影响的大气对流层，有时也称为行星边界层。

这些作用力包括摩擦，加热，蒸发，蒸散和地形影响等。

大气边界层的厚度随时间空间变化而有明显差异，可由数百公尺至一，二公里。

大气边界层之上成为自由大气。

白天地表受到太阳照射加热，温度升高；晚上则因为地表长波辐射冷却作用而降温，使得接近地表的气温呈现日变化，这种日变化是陆地上大气边界层的主要特征。

由于海水的比热大，以及海洋上层海水强烈的混合作用，使得海水表面温度日变化不明显，所以海上大气边界层的日变化也不明显。

气温日变化的振幅大小随着高度的增加而很快减小，自由大气的日变化则很小。

乱流旺盛也是大气边界层的重要特性。

无论在陆上或海上，在高压区域因为气流沉降，边界层厚度通常比在低压区小。

在陆上高压区域，大气边界层的日夜演化，结构常比较清晰，主要包括混合层，剩余层和稳定边界层。

日出后地表受热，热空气上升，冷空气下降，对流逐渐加强，各种性质近乎均匀的混合，古称之为混合层，也称为对流边界层。

在混合层内为不稳定的大气，其乱流主要有对流作用主导。

日出后混合层很快发展，到了下午一，二点左右，混合层高度达到最高。

日落后，地表受热停止，使得混合层内的乱流强度减弱，原来为不稳定的大气，逐渐转为中性的大气；此为白天混合层的残余，故称之为剩余层。

日落后，地表以长波辐射冷却，逐渐降温，在地表形成逆温，发展成为夜间地面逆温层，这一层大气非常稳定，故称之为稳定边界层，层内的乱流强度很微弱。

在稳定边界层之上即为剩余层。

夜间地面的风通常是微风或静风，但在稳定边界层顶常会出现很强的风速，这种现象称为夜间低层喷流。

无论在混合层或稳定边界层，从地表到约十分之一边界层厚度附近的热通量，水气通量和应力随高度的变化不大，这一层被称为地面层，或等通量层。

动力气象学习题集一、名词解释1.地转平衡：2.f平面近似：3.地转偏差：4.尺度分析法：5.梯度风：6.地转风：7.正压大气：8.斜压大气：9.大气行星边界层：10.旋转减弱：11.埃克曼抽吸：12.波包迹：13.环流：14.环流定理：15.埃克曼螺线：16.梯度风高度：17.非频散波：18.微扰法（小扰动法）：19.声波：20.重力外波：21.Boussinesq近似：22.正压不稳定：23.斜压不稳定：二、判断题1.中纬度地转运动准水平的原因之一是重力场的作用使大气质量向靠近地球固定边界一薄层中堆积，从而制约了铅直气压梯度，限制了大气运动的铅直尺度。

2.等压面图上，闭合高值等高线区域，等压面是下凹的，在闭合低值等高线区域，等压面是上凸的。

3.小尺度运动不满足静力平衡条件，但仍然可以用p坐标系运动方程组描述他们的运动规律。

4.压高公式说明，气层厚度正比于平均温度，气压随高度按指数单调递减，且平均温度愈低，气压随高度递减愈慢，反之亦然。

5.如果运动是绝热、无摩擦和定常运动，且周围无水汽交换，那么单位质量湿空气的显热能、位能、动能、潜热能之和守恒。

6.有效位能是动能唯一的“源”，但不是唯一的“汇”。

7.风随高度分布的对数定律是指在不稳定条件下，近地面层的风速分布特征。

8.不规则湍涡运动会引起动量和其它物理量的输送，它的最小单位是分子。

9.动力气象学是流体力学的一个分支。

10.物理量的空间分布称为物理量场。

11.气压梯度力反比于气压梯度。

12.速度散度代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。

13.笛卡尔坐标系中的三个基本方向在空间中是固定的，球坐标系中的三个基本方向随空间点是变化的。

14.大气运动被分成大、中、小尺度是按照时间尺度划分的。

15.当f处于系数地位不被微商时，取f=f0；当f处于对y求微商地位时，取d f/d y=常数，此种处理方法称为β平面近似。

16.连续方程一级简化后，说明整层大气是水平无辐散的。

1.大气边界层的定义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。

2.大气边界层的主要特征 （1）大气运动的湍流性（2）大气边界层中的风温廓线 （3）大气边界层的日变化（4）大气边界层的风向有规则地随高度右旋（北半球）—地球自转而形成的柯氏力的影响。

（5）大气边界层比一般流体边界层更为复杂。

不仅有动力作用、还存在热力作用——温度分布影响着湍流脉动动能。

3.特征Re 数定义： =特征惯性力/特征粘性力（1）Re 》1，粘性力相对小（可忽略），大Re 数流体，弱粘性流； （2）Re 《1，惯性力相对小（可忽略），小Re 数流体，强粘性流； （3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流； 4.湍流的基本特征（1）随机性：湍流是非规则的，混乱的、不可预测的； （2）非线性：湍流是高度非线性的。

当流动达到某一特定状态，例如Reynolds 数或Richardson 数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度； （3）扩散性：湍流会引起动量、热量及流动中的其他物质快速扩散；（4）涡旋性：利用湍流的可视化，例如将几滴颜料注入湍流运动的水中，表明湍流结构可设想成由无数大小不同的湍涡组成，它们分裂、合并、拉长、旋转。

最大的湍涡可达到整个湍流层的宽度，小的可到毫米的量级。

它们相互叠加在一起，构成湍流的涡旋结构； （5）耗散性：湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散成为热能。

行星大气层的层次结构行星是宇宙中自然存在的天体，它们有着多种不同的特征和组成部分。

其中，行星大气层是行星的外部气体包围层，它在行星表面和外层空间之间形成了一个重要的界面。

行星大气层的层次结构是指大气层按照高度、密度或组成进行划分和分类的方式。

本文将介绍行星大气层的层次结构，包括地球大气层、火星大气层和木星大气层。

地球大气层是我们最为熟悉的大气层之一。

它由五个主要层次构成：对流层、平流层、臭氧层、中间层和外层空间。

对流层是地球大气层最底部的一层，它从地球表面延伸到约10至15公里的高度。

对流层的上边界被称为对流层顶，其中包含了大气中的绝大部分水蒸气和气候现象的发生。

平流层是对流层之上的一层，高度约为15至50公里，其特点是大气温度逐渐递减。

臭氧层位于约20至50公里的高度，其中富集了大气中的臭氧分子，作为对太阳紫外线的吸收屏障。

中间层的上边界通常在约85公里处，此后的大气逐渐转变成外层空间。

火星是太阳系中的一颗行星，它的大气层也有自己特殊的层次结构。

火星的大气层包含了三个主要层次：底层大气层、中层大气层和顶层大气层。

底层大气层位于火星表面的低空区域，厚度约为10公里，它富含二氧化碳和稀薄的氧气。

中层大气层延伸到约60至80公里的高度，其中包含了一些尚未完全理解的气体成分。

顶层大气层则延伸到更高的高度，然后逐渐过渡到火星外层空间。

木星是太阳系中最大的行星，它的大气层也是非常复杂的。

木星的大气层可以划分为数个主要层次：底层云层、夹层大气层、顶层云层和外层大气层。

底层云层是木星大气层最底部的一层，主要由氨气和甲烷组成，呈现出斑点状的云层结构。

夹层大气层是介于底层云层和顶层云层之间的一层，其中包含了各种复杂的大气现象和循环系统。

顶层云层是木星大气层的最上层，由氨冰和硫磺颗粒组成，呈现出明显的带状结构。

外层大气层则逐渐过渡到木星外部的空间环境。

综上所述，行星大气层的层次结构在不同行星上有着不同的特征和组成。

大气温度层结在地球的大气圈中，存在着各种各样的温度层结，它们的存在有着特定的含义。

大气温度层结就是指不同高度上的大气具有不同温度的分布状况。

通过对大气层结构的探索研究，人类逐渐了解了它们的形成原因。

研究表明，地球上空的大气从上到下可以划分为四个温度带：行星边界层，平流层，中间层和电离层。

最靠近地面的是行星边界层，厚度大约只有几百米；在其外围的是平流层，大约只有十几千米厚；再往上就是中间层了，这里是外大气层的底部，约有一万至三万千米；然后向上就进入电离层，大约有五万千米。

自从19世纪初开始，天文学家通过研究太阳光谱发现，从行星边界层到中间层的范围内，出现了一个极不稳定的区域。

大多数的天文学家认为这个区域就是对流层，这也是人类首次提出的正式名称。

但是到了20世纪50年代末，人们才意识到了这种现象与对流层并没有必然联系，因此开始称之为“大气层结”。

随着对大气温度分布的不断了解，人们发现，大气温度层结的变化情况在不同的地理位置上存在着很大的差别。

比如说，同一高度上的空气温度有的地方高，有的地方低；甚至不同的地点，空气的温度也不相同。

例如，在北半球的中纬度地区，大气温度层结呈明显的带状分布，冬季时大气的温度要比夏季低得多。

由于大气温度层结的差异性，我们把同一高度上空气温度的差异称为温度层结的垂直结构。

对于某个区域来讲，它的温度层结受到很多因素的影响，比如说海拔高度、风速、湍流混合等。

所以，某个地点的空气温度，是介于同一高度上的不同温度层结之间的过渡状态，我们将其称为平衡状态。

而这种局面一直延续到80年代初期。

一系列的卫星观测数据揭示出，整个大气温度分布在垂直方向上的结构是不均匀的，越向高处，气温越低，温度的层结也越复杂，反映出的是空气密度、温度、压力等诸多物理量的空间分布情况。

从卫星观测图中可以看到，气温的垂直分布在垂直方向上呈波状起伏，这就是大气温度层结的分带结构。

科学家们在对大气温度层结的长期观测研究基础上，不断完善着大气温度层结的研究方法。

大气科学名词1、均质层（Homosphere）：地面到85 km之间大气成分保持定常的大气层。

2、非均质层（Heterosphere）：均质层顶110 km以上，空气成分随高度而变化的大气层。

3、均质层顶（Homopause）：均质层与非均质层之间的过渡层，距地面高度85~110 km。

4、大气边界层（Atmoshperic Boundary Layer）：又称“行星边界层（Planetary Boundary Layer）”、“摩擦层（Friction Layer）”。

大气圈的最底层，其上界离地面约600~800 m。

5、均质大气（Homogeneous Atmosphere）：假设密度不随高度变化的一种模式大气。

6、湿球温度（Wet-Bulb Temperature）：暴露于空气中而不受太阳直接照射的湿球温度表上所读取的数值。

7、干球温度（Dry-Bulb Temperature）：暴露于空气中而不受太阳直接照射的干球温度表上所读取的数值。

8、外场观测（Field Observation）：为完成某一试验计划在野外进行的现场专门观测。

9、定点观测（Fixed Point Observation）：在固定地点进行的气象观测。

10、地基观测（Ground-Based Observation）：在地表观测平台上进行的气象观测。

11、观测场（Observation Site）：安装气象仪器进行气象观测的场地。

12、观测误差（Observational Error）：又称“测量误差”。

观测值与真值之间的差。

13、地面资料（Surface Data）：地面气象观测获取的并经过整理的数据。

14、直接辐射表（Pyrheliometer）：测量给定平面上法向直射辐照度的辐射表。

15、总辐射表（Pyranometer）：测量从2π立体角落在水平面上的总辐射（太阳直接辐射与散射辐射之和）的仪器。

16、天空辐射表（Sky Radiometer Diffusometer）：测量天空散射辐射的仪器。

动力气象学习题集难度分为：A-很难、B-较难、C-一般、D-容易一、填空1．在大气行星边界层中，近地面层又称为(1)，上部摩擦层又称为(2)。

【知识点】：8.1【参考分】：4【难易度】：D【答案】：(1) 常值通量层(2) 埃克曼层2．在埃克曼层中，风速随高度增加(1)，风向随高度增加(2)。

【知识点】：8.2【参考分】：4【难易度】：C【答案】：(1) 增大(2) 顺转3．定常情况下，埃克曼层中的三力平衡是指(1)、(2)、和(3)之间的平衡。

【知识点】：8.3【参考分】：6【难易度】：D【答案】：(1) 水平气压梯度力(2) 科里奥利力(3) 湍流粘性应力4．理查孙数是湍流运动发展的重要判据，其定义式为i R =(1)。

【知识点】：8.5【参考分】：2【难易度】：B【答案】： (1) 2ln z V zg ∂∂∂∂θ5．旋转层结大气中可能出现的四种基本波动是（1）、（2）、（3）和（4）。

【知识点】：9.1【参考分】：8【难易度】：D【答案】：(1) 声波(2) 重力波(3) 惯性波(4) 罗斯贝波6．声波是由大气的（1）造成的，重力内波生成的必要条件是大气层结（2）。

【知识点】：9.3【参考分】：4【难易度】：C【答案】：(1) 可压缩性(2) 是稳定的7．大气中两种存在两种最基本的动力学过程，即（1）过程和（2）过程。

【知识点】：10.2【参考分】：4【难易度】：C【答案】：(1) 地转适应(2) 准地转演变8．Rossby 变形半径的表达式为(1)，当初始非地转扰动的水平尺度为(2)时，风场向气压场适应。

【知识点】：10.3【参考分】：4【难易度】：B【答案】： (1) 000f c L = (2) 0L L >>9．正压适应过程的物理机制是（1），适应的速度主要依赖于（2）和（3）。

【知识点】：10.3【参考分】：6【难易度】：A【答案】：(1) 重力惯性外波对初始非地转扰动能量的频散(2) 重力惯性外波的群速（3）初始非地转扰动的水平尺度和强度10．第一、二类准地转运动出现的条件分别是（1）和（2）。