第一章-大气边界层与边界层气象学研究

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。

大气边界层特征及其对气象现象的影响当我们仰望天空，感受着风的吹拂，体验着气温的变化，观察着云朵的飘动，这些看似平常的气象现象背后，都有着大气边界层的“身影”。

大气边界层，这个在气象学中占据重要地位的概念，它的特征以及对气象现象的影响，值得我们深入探究。

大气边界层，简单来说，就是靠近地球表面、受到下垫面强烈影响的大气层。

它的厚度从几百米到一两千米不等，就像是地球的“外衣”，与我们的日常生活息息相关。

大气边界层的一个显著特征就是风的变化。

在这一层中，风的速度和方向都会受到地表粗糙度、地形等因素的影响。

比如在城市中，高楼大厦林立，地表粗糙度大，风在流经时会受到阻碍，风速会减小，风向也可能发生改变。

而在开阔的平原地区，地表粗糙度小，风能够较为顺畅地流动，风速相对较大。

这种风的变化对于污染物的扩散、风能的利用等都有着重要的影响。

如果风在城市中流动不畅，污染物就容易积聚，导致空气质量下降；而在风能丰富的地区，准确把握风的特征则有助于高效地开发和利用风能。

大气边界层中的温度分布也是其重要特征之一。

在白天，太阳辐射强烈，地表受热升温快，靠近地面的空气温度较高，形成温度随高度升高而降低的“递减层结”。

这时候，大气处于不稳定状态，容易产生对流，将热量向上传递，形成对流云甚至雷雨等天气现象。

而在夜间，地表散热快，温度下降，形成温度随高度升高而升高的“逆温层结”。

逆温层就像一个盖子，阻止了上下层空气的交换，使得污染物难以扩散，容易造成雾霾等恶劣天气。

大气边界层中的水汽含量也是变化多端的。

靠近地表的水汽含量通常较高，这是因为地表的水体蒸发、植物蒸腾等作用会向大气中补充水汽。

当水汽充足且遇到合适的条件时，就会形成云、雾、降水等天气现象。

比如在山区，由于地形的抬升作用，空气上升冷却，水汽凝结形成降雨，这就是地形雨的形成机制。

大气边界层的湍流特征也不容忽视。

湍流就像是大气中的“搅拌器”，使得大气中的热量、水汽、污染物等得以混合和交换。

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。

气象条件对大气边界层高度变化的影响研究当我们向着天空仰望的时候，似乎只能看到无垠的蓝天。

然而，在那看似无限的蓝海之上存在着一个重要的地球层，那就是大气边界层。

大气边界层是指地球上最接近地表的大气层，它对气候、环境、生态系统等有着重要的影响。

而大气边界层的高度变化又受到气象条件的影响。

首先，气象条件中的温度变化对大气边界层高度的变化有着直接的影响。

温度是表示物体热量状态的物理量，正常情况下，随着海拔的升高温度会逐渐降低。

当处于温度递减层时，大气边界层的高度也会随之升高。

这是因为冷空气密度较大，容积较小，所以冷空气下沉，使得边界层的高度增加。

相反，当处于温度递增层时，大气边界层的高度会相对较低。

其次，气象条件中的风速变化也会影响大气边界层的高度。

风是一种由气压差形成的运动，它可以通过将气体混合来影响大气层的分布和运动。

当风速较小时，大气边界层的高度相对较低。

这是因为相对较弱的风无法有效地将不同层次的空气混合在一起，导致大气边界层的高度减小。

相反，当风速较大时，大气边界层的高度相对较高。

这是因为强风可以有效地将空气混合在一起，使得边界层的高度增加。

此外，湿度是影响大气边界层高度变化的另一个重要气象条件。

湿度是指空气中水蒸气含量的多少，它对边界层中的水汽的释放和吸收起着重要作用。

当湿度较高时，大气边界层的高度相对较低。

这是因为空气中的水蒸气含量增加，导致边界层中的水汽释放增多，从而使得边界层的高度减小。

相反，当湿度较低时，大气边界层的高度相对较高。

这是因为空气中的水蒸气含量减少，边界层中的水汽吸收减少，导致边界层的高度增加。

在研究大气边界层高度变化时，还需要考虑到其他气象条件的综合影响。

例如，太阳辐射、大尺度天气形势等因素也会对大气边界层高度的变化产生重要影响。

太阳辐射能量的变化会影响边界层热平衡，从而进一步导致边界层高度的变化。

大尺度天气形势的变化会使边界层的垂直运动发生变化，也会影响边界层高度的变化。

大气边界层结构及其与气象现象的关系大气边界层是指从地面开始到大气中高度约为20公里的一层空间，它是地球上各种气象现象的重要发生地。

大气边界层的结构和特性对于理解和预测天气变化以及气候演变起着重要的作用。

本文将从大气边界层的结构入手，分析其与常见气象现象的关系。

一、大气边界层的结构大气边界层的结构呈现多层分布，从地面向上分别为地面层、对流层、平流层和中性层。

各层的特性和气候现象与其结构密切相关。

1. 地面层地面层是大气边界层的最底层，厚度约为100-200米。

它直接受到地表的热状况、地形和植被等因素的影响。

在地表层中，气温和湿度的变化剧烈，大气动力学力量较强，垂直混合强烈。

地面层常常产生雾、霾等天气现象。

2. 对流层对流层是大气边界层的第二层，大约高度在10公里以内。

它是气象现象最活跃的层次，气象要素随高度的变化相对较小。

由于太阳辐射和地表的热状况不均匀，对流层中产生了大量的对流运动，形成云、降水等现象。

风向、风速的变化明显。

3. 平流层平流层是对流层之上的一层，高度约在10-20公里之间。

平流层稳定，温度随高度变化不大，并且风向和风速相对稳定。

这一层通常没有云层的形成，降水少。

4. 中性层中性层是大气边界层的最顶层，高度在20公里之上。

大气中的各种气象现象几乎不再发生，很少产生明显的变化。

二、大气边界层与气象现象的关系大气边界层的结构和特性直接影响着气象现象的发展和演变。

以下是大气边界层与几种常见气象现象的关系：1. 降雨大气边界层的对流层是降水的主要形成层次。

当对流层中的气温不规则分布，湿度较大时，容易形成对流云，进而产生降雨。

2. 大风大风通常与较大的垂直风切变有关，而垂直风切变也是大气边界层结构的重要特征之一。

当大气边界层中垂直风切变较大时，容易形成强风。

3. 雾、霾地面层是雾和霾的主要发生层次。

在地面层，气温、湿度以及大气动力学力量的影响导致了雾、霾等现象的产生。

4. 逆温层逆温层是大气边界层的一个现象，指的是大气温度随高度逐渐升高的层次。

大气边界层中的风速和风向变化大气边界层是指大气与地表相互作用的区域，也是气象学中研究风向和风速变化的重要领域。

本文旨在探讨大气边界层中风速和风向的变化规律，分析其对气象现象和人类活动的影响。

一、风速的变化大气边界层中的风速变化受到多种因素的影响，包括地形、地表特征、时间尺度等。

以下是一些相关因素的介绍：1.地形地形是影响大气边界层风速变化的重要因素之一。

在山地地区，由于地表的高低起伏，风速会受到地形的阻挡和加速效应影响，形成各种地形风。

如山谷风由于谷道内空气的密度高于山脊上方的空气而形成，导致风速增大。

而在山脊附近，则会出现下脊风，即山脊上方风速减小的现象。

2.地表特征地表特征也对大气边界层风速变化产生显著影响。

例如，海洋表面上的风速较内陆地区要大。

这是因为海洋表面没有高耗散的陆地面层，风在海上没有遇到阻碍，加之海洋表面的蒸发和释放的热量也会增加风速。

3.时间尺度大气边界层中的风速还会因不同时间尺度上的气象系统而有所变化。

在日常尺度上，太阳辐射的变化会导致风速的日变化，即白天风速较大，夜晚风速较小。

而在季节尺度上，地球周围的大气环流系统如洋流，冷暖气团的运动等都会对风速产生影响。

二、风向的变化风向是指风的来向，同样也受到多种因素的影响。

以下是一些相关因素的介绍：1.地理环境地理环境是影响风向变化的重要因素之一。

比如，赤道附近的地区因受到地球自转和辐射的影响，形成一气候带风向恒定的副高系统，即信风。

信风会导致风向常年保持相对稳定，一般为东北风或偏东风。

2.气象系统大气环流系统也是风向变化的重要原因。

例如，在某些地区，气候带风向的变化受到季风的影响，即冬季风与夏季风的交替引起了风向的变化。

冬季时，这些地区的风向主要来自陆地，而夏季时则来自海洋。

3.地表特征地表特征也会对风向的变化产生影响。

山地、平原或沙漠等地的地表特征会对风向形成阻挡和改变的作用。

其结果是在山地、平原或沙漠等地区，风向会出现不稳定的变化。