chapter4大气边界层

第三章大气污染的气象过程小尺度大气边界层自由大气1大气边界层的特征1.1、大气边界层定义1.2 大气边界层垂直分层结构粘性副层（微观层）近地边界层（=近地面层+冠层，常通量层）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）层流、紊流1.3 边界层发展的日变化海洋陆地大气边界层的分类与特征1.4 大气边界层特征：温度、风和湍流空气的增热和冷却大气中的非绝热过程传导：贴地气层辐射（主要长波）：地面与空气间对流与乱流：气层之间由于地表性质差异受热不均等引起的空气大规模有规则的升降运动，称对流。

（高低层）小规模不规则的涡旋运动称乱流，又称湍流。

（近地层大气热量交换的重要方式）水相变化：潜热交换蒸发吸热，蒸发所带水分多于凝结，大气获得热量，热带（对流层下半部）大气中的绝热过程没有热量交换，由于压力的变换（1）干绝热过程干空气或未饱和的湿空气块，进行垂直运动时，与外界没有热量交换，只因体积膨胀（或收缩）作功引起内能增减和温度变化过程，称为干绝热过程。

气块绝热上升单位距离时的温度降低值，称绝热垂直减温率，简称绝热直减率干空气或未饱和的湿空气，绝热上升单位距离时的温度降低值，称干绝热直减率，r d据计算：r d=0.98℃／100 m≌1℃／100 m。

（2）湿绝热过程饱和湿空气作垂直湿绝上升运动时的绝热变化过程，称湿绝热过程饱和湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值，称湿绝热直减率，用γm表示。

γm＜γd（上升时水汽凝结所放出热量补偿了部分气块膨胀消耗的内能）γm是一个变量，它随气温升高和气压降低而减小。

高温时的γm比低温时的γm小（气温高时，空气达到饱和时的水汽含量较大）气压高的饱和空气块的γm大于气压低的（气压高时空气密度大，释放的潜热所起的补偿增温作用要小一些）低层大气温度的垂直分布日变化气温直减率的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。

低层大气温度的垂直分布（1）大气的绝热过程（2）干绝热直减率rd=-(dT i/dZ)d=g/C pｇ－重力加速度ｇ＝9.81 m／s2C p－干空气定压比热，C p＝1005 J／(kg．K)下标i--表示空气块下标d--表示干空气一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称为它的位温。

边边界界层层重重要要知知识识点点归归纳纳第第一一章章大气边界层的定义：大气的最低部分受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。

大气边界层的厚度差异很大，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。

大气边界层的主要特征：（1）大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性（2）大气边界层的日变化：气象要素的空间分布具有明显的日变化。

【大气边界层湍流：①机械湍流：风切变，机械运动；②热力湍流：辐射特性的差异；】大气边界层的分层：(1)粘性副层（微观层）(2)近地层（常通量层）(3)Ekman 层（上部摩擦层）【(1).粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。

(2).近地层（常通量层）：大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略。

(3).Ekman 层（上部摩擦层）：在这一层里，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。

】大气边界层厚度：边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。

海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。

陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。

大气边界层结构：（1）混合层： （2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结。

（3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。

其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速常常减弱或静风，但高空200m 左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风。

第二章湍流：流体运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化。

雷诺数：——湍流判据，特征Re 数定义： =特征惯性力/特征粘性力；它表示了流体粘性在流动中的相对重要性：（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； ν/Re UL ≡（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；湍流的基本特征：（1）随机性；（2）非线性；（3）扩散性；（4）涡旋性；（5）耗散性湍流的定量描述：湍流运动的极不规则性和不稳定性，并且每一点的物理量随时间、空间激烈变化，湍流的杂乱无章极随机性可以用概率论及数理统计的方法加以研究。

第三章大气污染的气象过程小尺度大气边界层自由大气1大气边界层的特征1.1、大气边界层定义1.2 大气边界层垂直分层结构粘性副层（微观层）近地边界层（=近地面层+冠层，常通量层）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）层流、紊流1.3 边界层发展的日变化海洋陆地大气边界层的分类与特征1.4 大气边界层特征：温度、风和湍流空气的增热和冷却大气中的非绝热过程传导：贴地气层辐射（主要长波）：地面与空气间对流与乱流：气层之间由于地表性质差异受热不均等引起的空气大规模有规则的升降运动，称对流。

（高低层）小规模不规则的涡旋运动称乱流，又称湍流。

（近地层大气热量交换的重要方式）水相变化：潜热交换蒸发吸热，蒸发所带水分多于凝结，大气获得热量，热带（对流层下半部）大气中的绝热过程没有热量交换，由于压力的变换（1）干绝热过程干空气或未饱和的湿空气块，进行垂直运动时，与外界没有热量交换，只因体积膨胀（或收缩）作功引起内能增减和温度变化过程，称为干绝热过程。

气块绝热上升单位距离时的温度降低值，称绝热垂直减温率，简称绝热直减率干空气或未饱和的湿空气，绝热上升单位距离时的温度降低值，称干绝热直减率，r d据计算：r d=0.98℃／100 m≌1℃／100 m。

（2）湿绝热过程饱和湿空气作垂直湿绝上升运动时的绝热变化过程，称湿绝热过程饱和湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值，称湿绝热直减率，用γm表示。

γm＜γ d （上升时水汽凝结所放出热量补偿了部分气块膨胀消耗的内能）γm是一个变量，它随气温升高和气压降低而减小。

高温时的γm比低温时的γm小（气温高时，空气达到饱和时的水汽含量较大）气压高的饱和空气块的γm大于气压低的（气压高时空气密度大，释放的潜热所起的补偿增温作用要小一些）低层大气温度的垂直分布日变化气温直减率的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。

低层大气温度的垂直分布（1）大气的绝热过程（2）干绝热直减率rd= -(dT i/dZ)d=g/C pｇ－重力加速度ｇ＝9.81 m／s2C p－干空气定压比热，C p＝1005 J／(kg．K)下标i--表示空气块下标d--表示干空气一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称为它的位温。

第三章对流启动的影响因子分析强对流等中小尺度天气的分析和预报历来是气象业务的难点，各种动力和热力不稳定的存在是对流发展的前提，位势和层结不稳定是强对流活动最重要的基本条件，对流能量的大小决定了对流发展的程度。

因此，分析大气位势和层结不稳定、计算对流能量成为分析和预报强对流天气过程的十分重要的问题。

本章着重研究了几个与强对流有关的参数并结合实例进行分析。

3．1．1边界层厚度BLD(BoundaryLayerDepth)大气边界层是指靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。

大气流过地面时，地面上的各种粗糙元都会使大气流动受阻，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、地形以及地面粗糙度等变化，大致为300-1000m。

3．1．2自由对流高度LFC(Level ofFreeConvection)某一高度以下气层稳定，气块只能在外力作用下才能强迫抬升，当上升到这一高度后，气块温度高于环境温度，气块能从环境大气中获取不稳定能量自由上升，这个高度即为自由对流高度。

在"T-logP 图上，用地面温度、气压和露点作状态曲线，它与层结曲线相交点所在的高度即为自由对流高度。

3．13对流有效位能CAPE(ConvectiveAvailablePotential Energy)对流有效位能CAPE是从自由对流高度(气块温度超过其环境温度，气块相对于其环境是不稳定的高度)到平衡高度(环境温度超过气块的温度，气块相对其周围环境是稳定的高度)自由对流层内累积浮力能垂直积分的指数。

是判断大气是否发生对流最常用的参数。

根据这种考虑，引入对流有效位能CAPE 的概念：dz Tve Tve Tv g CAPE zezc ⎰-= 式中，zc 为自由对流高度，Ze 为平衡高度，Tv 为气块的虚温，Tve 为环境大气的虚温.CAPE 为在自由对流高度之上，气块可从正浮力作功获得的能量。

大气边界层是地球一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。

由于人类生活在大气底层一大气边界层中,因此人体健康与大气环境密切相关。

天气、气候的变化往往会影响到人体对疾病的抵御能力,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的气象条件又使病毒、细菌等对人体有害的生物繁殖、传播,使人们感染而患病。

在城市尤其是大城市,人口、机动车、燃煤量的增加,以及城市工业化的发展,大量生产中的废气、尘埃和汽车尾气排放到大气中加上高大建筑的增加,改变了城市的小气候,使城市在无强冷空气活动的情况下,大气扩散能力极差,造成大气质量不断恶化,从而危害到人体健康,影响人类的正常生活。

因此,边界层尤其是城市边界层大气结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。

边界层定义为直接受地面影响的那部分对流层,它响应地面作用的时间尺度为小时或更短.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。

这些作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响气流变化的建筑物和地形等。

边界层一般白天约为1 km,夜间大约在200 m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。

地面典型吸收率约为90%,其结果使大部分太阳能被地面吸收。

正是地面为响应太阳辐射而变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程而变化。

边界层内气流或风可以分为平均风速、湍流和波动三大类。

边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在水平方向上受平均风速支配,在垂直方向上受湍流支配平均风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。

边界层中一的水平风速2~10 m是常见的。

在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量方面却有着显著的作用。

许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的,例如白天阳光充足,地面的太阳加热使暖空气热泡上升,这种热泡就是大湍涡。