第9章 大气边界层

大气边界层结构对建筑风环境的影响与改善大气边界层结构是指地球表面与大气层之间的边界区域，在这个区域内，气象因素会对建筑物及其周围环境产生显著的影响。

本文将探讨大气边界层结构对建筑风环境的影响，并提出一些改善的方法。

一、大气边界层结构对建筑风环境的影响1. 风速分布大气边界层结构的不同层次对风速分布起着决定性的影响。

通常来说，随着高度的增加，风速会逐渐增大。

这意味着建筑物在不同高度可能会受到不同强度的风力作用。

对于高层建筑来说，顶部往往面临较高的风速，需要采取适当的措施来抵御风力的影响。

2. 风向变化大气边界层结构也会导致风向在空间和时间上的变化。

风向的变化会影响建筑物的通风和换气效果，对室内温度和空气质量有直接的影响。

因此，在设计建筑物时，需要考虑周围风向的变化，合理设置通风口和气流调节设备，以提供舒适的室内环境。

3. 气压分布大气边界层结构还会导致气压在垂直和水平方向上的分布不均匀。

气压的变化会引起风的生成和运动，对建筑物施加压力。

不均匀的气压分布可能导致建筑物出现结构变形和破坏的风险，因此在建筑设计中需要对气压变化进行准确的模拟和预测。

二、改善建筑风环境的方法1. 建筑形态设计通过合理的建筑形态设计，可以减小大气边界层结构对建筑物的影响。

例如，在高层建筑中采用逐层退台的设计，可以减小风速对建筑物顶部的冲击；而在低层建筑中，可以设置护坡和护栏来减小风力的作用。

此外，建筑物的朝向和周围环境也应该被充分考虑，以减小风的影响。

2. 风道设计在建筑物附近设置风道，可以引导和平缓风的流动，减小对建筑物的压力。

通过在建筑周围建造屏风或围墙，可以形成微风区域，提供舒适的户外活动场所。

风道设计需要结合建筑和环境的特点，采用适当的形状和尺寸，以实现最佳的效果。

3. 通风与空调系统建筑物的通风与空调系统可以通过控制气流的流动和温度的变化，改善室内的空气质量和温度分布。

通过合理设置通风口和调节装置，可以实现室内外气流的互换和流通。

大气边界层的垂直结构解释说明以及概述1. 引言1.1 概述大气边界层是指大气与陆地或海洋接触的那一部分，它对于气候系统以及人类活动具有重要的影响。

大气边界层垂直结构的研究是了解大气运动、传输过程和能量交换的关键所在。

通过深入了解大气边界层的垂直结构，我们可以更好地理解和预测天气现象，并对环境保护和工业污染控制等方面提供科学依据。

1.2 文章结构本文将首先介绍大气边界层的定义和特征，包括其高度范围、温度和湿度变化规律以及风速和风向变化特点等。

然后，我们将讨论影响大气边界层垂直结构的因素，如地表状况、太阳辐射、大尺度环流等。

随后，我们将介绍常用的测量方法，包括探空观测、激光雷达和卫星遥感等技术手段。

在此基础上，我们将解释说明垂直结构中温度、湿度、风速和风向变化的规律，并探讨热力过程对垂直结构的影响机制。

接下来，我们将概述现有的研究成果，介绍典型的研究案例并总结其结果和讨论。

最后，我们将对当前研究进行评估，指出研究中存在的不足之处，并展望未来可能的发展方向。

1.3 目的本文旨在全面了解大气边界层垂直结构，并提供一个综合性的概述。

通过对该领域的深入探索和分析，我们可以更好地理解大气运动、能量交换和风险传播等过程，并为相关学科的发展提供科学依据。

此外，本文还旨在总结现有研究成果并揭示其中不足之处，为未来进一步深入研究提供参考和指导。

2. 大气边界层的垂直结构2.1 定义和特征大气边界层是指地球表面上方高度大约为0-10公里之间的一层大气区域，与其上方的自由大气相隔开来。

它是地球上最接近地面的一层大气，并且具有明显的特征和变化。

大气边界层的垂直结构可以分为以下几个层次：地面边界层、混合层、风向风速级和逆温层等。

- 地面边界层：位于地表附近，高度约为0-1公里。

在这一层中，空气受到地表摩擦的作用而发生湍流运动，形成了强烈的垂直湍流混合，在这个过程中热量、湿度和颗粒物等物质被混合扩散。

- 混合层：位于地面边界层之上，高度约为1-3公里。

大气边界层结构与气象条件对机场运行的影响引言：机场作为一个重要的航空交通枢纽，其运行受到大气边界层结构和气象条件的影响不可忽视。

大气边界层结构是指大气从地面到边界层顶的垂直分布特征，而气象条件则涉及温度、湿度、风速等因素。

本文将探讨大气边界层结构与气象条件对机场运行的影响。

一、大气边界层的结构特征大气边界层通常分为对流层和平流层两个层次。

对流层以地表为底部，顶部为对流层顶，其特点是温度随高度下降，湿度较高，风速较大。

平流层通常在对流层顶以上，温度随高度逐渐升高，湿度较低，风速较小。

大气边界层的高度和特征对机场运行有很大影响。

对流层的存在使得机场运行受到不稳定的气流影响，导致起飞和降落困难。

同时，大气边界层高度低于机场起降高度时，机场运行也会受到限制，因为飞行器需要在较低的高度区域内进行操作。

二、气象条件对机场运行的影响1. 温度和密度对机场运行的影响温度和密度是机场起降运行中最显著的气象因素之一。

随着温度升高和密度下降，飞机需要更长的跑道长度才能起飞或着陆。

这是因为空气稀薄造成升力减小，飞机需要更大的速度来产生足够的升力，从而需要更长的跑道。

在高温条件下，机场可能需要限制起飞和降落的重量，以确保安全操作。

2. 风速和风向对机场运行的影响风速和风向是机场起降运行中另一个关键的气象因素。

风速过大会对飞机的起飞和降落产生不利影响，因为它会对飞机的稳定性和机动性造成影响。

此外，风向的改变可能导致机场跑道的选择发生变化，因为飞机通常需要顺风起飞和降落以减少飞行时间和燃料消耗。

3. 大气湿度对机场运行的影响大气湿度也会对机场运行产生一定影响。

在高湿度的条件下，机场的气动性能可能会受到影响，导致飞机起飞和降落距离的增加。

此外，湿度还会影响机场的能见度，低能见度条件下飞行操作将受到限制。

三、气象预报在机场运行中的重要性了解大气边界层结构和气象条件对机场运行的影响，气象预报的准确性和及时性变得非常重要。

机场需要掌握当前和预测的气象情况，以便采取相应的措施，确保飞行安全和机场运行的顺利进行。

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。

风电场大气边界层特性及影响因素分析【大气边界层与风电场】风电场是现代清洁能源的重要组成部分，它为人们提供了可再生、环保的电力资源。

然而，在风电场的建设过程中，我们需要考虑大气边界层的特性和其对风能的影响因素。

这里，让我们来深入分析一下风电场大气边界层的特性及其影响因素。

【大气边界层的定义与特性】大气边界层是指大气与地球表面之间的最低层，它的高度通常在100-2000米之间。

大气边界层具有以下的特性：1. 温度递减层: 大气边界层内的温度会随着高度的增加而递减，这种递减是由于地表与大气之间的能量交换所导致的。

这一特性对风能的产生和传输有着重要的影响。

2. 高度变化: 大气边界层的高度并不固定，它随着时间和地域的变化而改变。

这种变化会导致风能分布的不均匀性，对风电场的规划和布局提出了一定的挑战。

3. 空气稳定度: 大气边界层内空气的稳定度影响着风能的转换效率。

当空气稳定度较低时，风能转换效率较高；而在空气稳定度较高时，风能转换效率较低。

4. 湍流强度: 大气边界层中存在着各种各样的湍流，其强度会对风机的性能产生影响。

较大的湍流强度可能会降低风机的发电效率，并增加机械损耗。

【影响大气边界层特性的因素】大气边界层特性的形成和变化受多个因素的影响，以下是其中几个主要因素：1. 地貌和地形: 地貌和地形是影响大气边界层特性的重要因素之一。

山地、河谷、平原等地貌的存在会造成风速和风向的变化，从而影响风电场的风能转化效率。

2. 太阳辐射: 太阳辐射对大气边界层的加热是导致温度递减层形成的主要原因。

太阳辐射较强的地区，大气边界层的温度递减层较为明显，从而为风能的转化提供了更好的条件。

3. 气象要素的交互作用: 大气边界层中的温度、湿度、风速等气象要素之间存在着复杂的相互作用。

它们的交互作用会对大气边界层特性的形成和变化产生重要影响。

【风电场对大气边界层的影响】风电场的建设和运营会对大气边界层产生一定的影响：1. 热量的释放: 风电场中风机的运转会产生一定的热量，这会影响大气边界层的温度递减层特性。

大气边界层案例分析1. 由下图分析晴天白天和夜间典型的风温垂直分布。

分析：大气边界层中温度层级起着重要作用，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中气象要素的垂直分布(廓线)。

图1.3.1是晴天白天和夜间典型的理想的风温垂直分布。

在贴近地面的薄气层内(近地层SL)，白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即是/0z θ∂∂<，风速则随高度递增。

再向上，在边界层的大部分范围内θ有一个不随高度变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。

其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减小，造成均匀分布。

在边界层以上的自由大气(FA)中，温度恢复为自由大气的递减率，位温则随高度而增，风则接近地转风速。

在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各气象要素由边界层值逐渐过渡到自由大气。

此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透边界层与自由大气间的逆温而进入自由大气。

同样，湍流、重力波等亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进行着边界层与自由大气间的各种交换。

典型夜间的风温廓线从图 1.3.1可看出在地面附近有一个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T 和θ上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成地面温度低于大气造成，在其上则是一个θ随高度变化很小的“残留层”(RL)，从成因来说，白天的对流边界层在夜间由于地面降温而在近地面形成逆温，但上部一段却保持着白天混合层的特征，使θ近于随高度不变，并且在残留层与自由大气间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地面脱离关系，其中湍流得不到发展的动力而逐渐衰减。

夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦力减小，风速与白天比得到加强，因而呈现出有最大风在某高度出现。

2. 大气边界层是与人类活动关系最为密切的一层，大气边界层具有哪些基本特点？ 分析：大气边界层的基本特点有：（1）运动的湍流性大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。

大气边界层温度垂直剖面特征分析大气边界层是指大气和地表之间的相互作用层，在这个层次中，气象要素的分布和变化对于气候、天气以及污染物的扩散都有着重要影响。

其中，温度是大气边界层中最基本、最重要的气象要素之一。

温度垂直剖面特征的分析可以帮助我们更好地了解大气边界层的结构和变化规律。

大气边界层的温度垂直剖面主要受到以下几个因素的影响：1.日辐射和地表条件：白天，太阳辐射使得地表温度升高，导致边界层底部温度升高；夜间，地表冷却使得边界层底部温度降低。

2.湍流传输：由于边界层中的气流湍动，热量通过湍流传输导致温度的空间和时间变化。

3.大尺度气流：大气边界层受到上层气体的影响，而上层气体的温度分布受到地球自转和纬度的影响，因此大尺度气流也对温度垂直剖面产生影响。

根据这些影响因素，大气边界层温度垂直剖面通常呈现如下特征：1.日变化特征：白天，由于地表受到太阳辐射的加热，边界层底部温度逐渐升高，垂直温度梯度较小；夜间，地表冷却导致边界层底部温度逐渐降低，垂直温度梯度增大。

这种日变化特征是大气边界层中温度垂直剖面最明显的特征之一。

2.反射性特征：在晴朗无风的夜晚，由于地表辐射冷却迅速，边界层底部的温度比上层冷，呈现出反射性温度递减特征。

这种反射性特征使得边界层中的温度剖面呈现出相对稳定的状态。

3.湍流混合特征：由于大气边界层中的气流湍动，温度会发生湍流混合，导致温度在垂直方向上的变化较为均匀。

这种湍流混合特征使得边界层中的温度垂直剖面呈现出一定的平滑性。

4.季节变化特征：随着季节的变化，大气边界层中的温度垂直剖面也发生相应的变化。

在夏季，边界层底部温度较高，湿度较大，形成较为稳定的大气条件；而在冬季，边界层底部温度较低，湿度较小，形成较为不稳定的大气条件。

这种季节变化特征对大气环流和天气变化都有一定的影响。

总之，大气边界层温度垂直剖面的特征分析可以帮助我们更好地了解大气层结构和变化规律。

而这些规律的研究不仅对于气候和天气预报具有重要意义，也对于环境污染物的扩散和控制有一定的指导作用。