大气边界层风速垂直分布规律研究

ekma曲线及其应用
Ekman曲线是描述顶部和底部边界层中风速剖面的经验公式。

它是由瑞典海洋物理学家Vagn Walfrid Ekman所提出的。

在
大气科学和海洋学中，Ekman曲线被广泛应用于研究气体和
液体中的运动。

以下是关于Ekman曲线及其应用的一些说明：
1. 基本原理：Ekman曲线描述了在受到垂直辐散效应的影响下，风速在边界层中的变化。

根据Ekman流理论，风吹过水
面时，由于底部的阻力，上层水体受到较小的影响，因此，风速逐渐减小，直至达到底部水体的表面。

这种变化可以用Ekman曲线来近似描述。

2. 曲线形状：Ekman曲线通常具有拱形形状，最大风速通常
在水体表面下几十米处，而顶部较高处的风速较小。

3. 应用：Ekman曲线在气象学和海洋学中有许多应用。

在气
象学中，它被用于描述大气边界层中风速的变化。

在海洋学中，Ekman曲线常用于研究海洋表面风场的垂直分布、海洋环流
的形成和混合层的形状。

4. 准确性：尽管Ekman曲线是基于观测数据得出的经验公式，但它在描述大气和海洋中风速的变化方面具有一定的准确性。

然而，它仍然是简化模型，没有考虑到其他因素的复杂影响，因此在实际应用中，可能需要结合其他观测数据和模型来得出更准确的结果。

总之，Ekman曲线是描述大气和海洋边界层中风速剖面变化
的经验公式，广泛应用于气象学和海洋学中。

它有助于理解和研究风场的垂直分布和运动。

大气边界层的国内外研究现状宁志远;刘厚凤【摘要】对大气边界层的理论基础、确定方法、特征要素、影响因子、时空变化特征以及与大气污染间的相互作用进行总结,得出以下结论:大气边界层的理论体系较为完备,但理论研究进展缓慢;廓线测量是确定大气边界层结构最常用的方法,雷达、数值模拟等方法仍需对比验证;大气边界层日变化、季节变化特征十分明显,海陆间边界层变化特征差异明显,戈壁、高原等地区的大气边界层特征较为特殊;大气边界层结构,尤其是风速风向、混合层高度对大气环境有明显的影响;大气污染对大气边界层的影响和区域大气边界层特征的研究较少,可作为今后的研究重点.【期刊名称】《中国环境管理干部学院学报》【年(卷),期】2017(027)002【总页数】4页(P22-25)【关键词】大气边界层;理论基础;确定方法;时空变化特征;大气边界层结构与大气污染的相互影响【作者】宁志远;刘厚凤【作者单位】山东师范大学地理与环境学院, 山东济南 250014;山东师范大学地理与环境学院, 山东济南 250014【正文语种】中文【中图分类】X51大气边界层（Atmospheric Boundary Layer，ABL）位于大气圈与地球表面交界区，是对流层下部直接受地面影响的部分，平均高度约为1～2 km，也是大气热量、动量和各种物质（水汽、污染物）上下输送的重要通道，能在一小时或更短时间内响应地面作用[1]，影响因素包括地表摩擦、热量输送、污染物排放及地形扰动等，对某区域的大气环境质量有着至关重要的作用。

20世纪初，Prandtl、Ekman提出的边界层理论和Ekman螺线奠定了大气边界层理论基础[2]；20世纪中期，随着Monin-Obukhov相似性理论和自由对流大气湍流理论的提出，经典湍流理论基本形成[3]。

20世纪60年代，Lorenz发现了新的湍流发生机制[4]；70年代，Deardorff、Wyngaard和Dyer等人将相似性原理引入混合层和对流层的研究并逐渐完善，使其有了极大的应用价值[5]。

边界层混合高度对大气污染物分布的影响研究气候变化和环境问题一直备受关注，尤其是大气污染。

大气污染物的排放对空气质量和人们健康产生严重影响。

科学家们一直在努力研究大气污染物在不同高度的分布情况，以期能更好地理解其传输和扩散的规律，从而制定针对性的环境保护政策。

边界层混合高度是边界层中的一个重要参数，它代表了大气中不同层次物质运动和混合的程度。

混合层高度的变化可以影响大气污染物的分布和浓度。

通过对边界层混合高度与大气污染物关系的研究，我们可以更好地理解大气层的环流模式和大气污染物的输送过程。

研究发现，边界层混合高度与大气污染物浓度之间存在着密切的关系。

边界层混合高度高时，空气层内的大气污染物更容易混合扩散，因此大气污染物的浓度相对较低。

而边界层混合高度低时，大气污染物往往受限于较低空气层内，难以扩散，因此大气污染物的浓度相对较高。

边界层混合高度的变化会受到多种因素的影响。

一方面，地表温度是影响边界层混合高度的关键因素之一。

当地表温度升高时，热对流作用增强，边界层混合高度往往会相应增加。

另一方面，大气环流模式也会对边界层混合高度产生影响。

例如，在高压系统的控制下，边界层混合高度会相对较低；而在低压系统的影响下，边界层混合高度则会相对较高。

除此之外，地理条件也会对边界层混合高度产生一定影响。

海洋和山地等地理环境对边界层的形成和发展有重要的影响。

海洋气团通常具有较高的湿度，能够提供足够的水汽来维持边界层混合高度的稳定。

而山地的复杂地形则会明显改变边界层的发展，使边界层混合高度在不同地点存在明显差异。

随着技术的进步，科学家们能够更准确地测量和预测边界层混合高度。

利用现代气象观测设备，我们可以实时监测大气层中的温度、湿度和风向风速等参数，从而推算得出边界层混合高度的信息。

这有助于我们更精确地了解大气污染物的扩散路径和浓度分布，为环境保护决策提供科学依据。

然而，边界层混合高度对大气污染物分布的影响研究仍处于初级阶段，还有很多待解决的问题。

大气边界层高度估算方法比较研究引言：大气边界层是地球表面与大气层中相互交换物质和能量的区域，其高度对于气象、环境和气候研究至关重要。

然而，由于大气边界层的复杂性和多样性，精确估算大气边界层高度一直是一个挑战。

本文将比较不同的大气边界层高度估算方法，并探讨其优缺点。

一、气象观测方法：气象观测方法是最常用的估算大气边界层高度的方法之一。

通过测量温度、湿度、风速和风向等参数，可以得出边界层的特征。

例如，大气边界层中的温度逐渐下降，湿度逐渐上升，风速和风向发生剧烈变化。

然而，由于气象观测方法需要实时监测和数据分析，存在时间和人力成本高的问题。

二、大气比湿垂直廓线法：大气比湿垂直廓线法是一种基于大气中比湿垂直分布的估算方法。

比湿垂直廓线法利用气象雷达获取大气比湿垂直分布，并通过分析比湿的垂直梯度来确定边界层的高度。

相比于气象观测方法，大气比湿垂直廓线法具有时间和空间分辨率更高的优势。

然而，该方法仍然需要依赖气象雷达，且无法获得具体的边界层高度数值。

三、稳定度指数法：稳定度指数法是通过分析大气层中的稳定度来估算边界层高度的方法。

稳定度指数是指大气层中各层之间温度的差异和相对湿度的差异。

当稳定度指数较大时，大气边界层高度较低；当稳定度指数较小时，大气边界层高度较高。

稳定度指数法的优点在于不需要过多的观测设备，且计算相对简单。

然而，该方法对于大尺度和复杂天气条件下的边界层高度估算精度较低。

四、大气波动参数法：大气波动参数法是一种基于大气中湍流波动参数的估算方法。

波动参数指的是大气中垂直风速的平均二阶矩和湍流动能的垂直分布。

通过对这些参数的分析，可以得出边界层的高度。

相比于其他方法，大气波动参数法对于复杂的地理和气候条件具有较高的适应性和准确性。

然而，该方法需要测量和计算大量的参数，且数据处理复杂。

结论：综上所述，大气边界层高度估算方法各有优缺点。

气象观测方法是最常用的方法，但存在时间和人力成本高的问题。

大气比湿垂直廓线法具有时间和空间分辨率更高的优势，但仍然需要依赖气象雷达。

大气边界层中湍流运动与大气稳定度关系研究在大气科学中，大气边界层是指地球表面与大气中上层之间的区域。

大气边界层的运动特征对于天气现象和气候变化具有重要的影响。

其中，湍流运动是大气边界层中最为重要的运动形式之一，而大气的稳定度则与湍流运动密切相关。

本文将探讨大气边界层中湍流运动与大气稳定度之间的关系。

大气边界层中湍流运动是指由大气中的离散气团形成的无规则、不规则的气流运动。

湍流运动的产生主要是由于大气中的温度、湿度和风速等因素的不均匀分布引起的。

这种不均匀分布使得大气中的气团受到不同的力量作用，从而形成了各种不同尺度的湍流现象。

湍流运动的存在使得大气边界层中的空气混合更加充分，有助于热量和动量的传递，对于气象、环境和空气质量等方面都有着至关重要的影响。

大气稳定度是描述大气中的温度垂直分布和湿度垂直分布的一种指标。

在大气边界层中，温度和湿度的变化会影响空气的密度，从而影响湍流运动的形成和发展。

当大气稳定度较强时，空气的密度变化较小，空气层间的垂直运动受到抑制，湍流运动的发展相对较弱。

反之，当大气稳定度较弱时，空气的密度变化较大，空气层间的垂直运动增强，湍流运动更加活跃。

在大气科学研究中，大气边界层中湍流运动与大气稳定度之间的关系已经得到了广泛的关注。

许多研究表明，湍流运动的发展与大气稳定度存在着一定的正相关关系。

当大气稳定度较强时，湍流运动受到抑制，对流层内的垂直混合减弱，从而影响了温度和湿度的垂直分布。

这种不利于垂直混合的情况可能导致空气污染物在低层积累，形成大气污染。

相反，当大气稳定度较弱时，湍流运动增强，对流层更加深厚，有利于空气的垂直混合，有助于净化大气环境。

然而，湍流运动与大气稳定度之间的关系并不是简单的线性关系。

在某些特定的气象条件下，如冬季晴朗无风的夜晚，大气稳定度非常强，湍流运动几乎完全被抑制。

而在另一些情况下，如热带地区的热带风暴，大气稳定度较弱，湍流运动非常活跃。

因此，湍流运动与大气稳定度之间的关系是复杂且多变的，在不同的气象条件下表现出不同的特征。

边界层概念及特点边界层是地球大气层中的一个重要区域，位于地面和大气中的对流层之间。

这个区域的特点是空气的运动非常复杂，甚至可以说是混乱不堪。

因此，边界层的研究一直是大气科学研究的重要领域之一。

在此，我们将重点介绍边界层的概念及其特点。

一、概念边界层也称境界层，是指地面和大气层之间的一个非常薄的区域，距离地面高度约为20-2000米。

在这个区域中，气流的方向和速度都会发生剧烈的变化，形成了一系列的涡旋和湍流动。

这些涡旋和湍流动会影响大气层中的气象现象，例如气温、风向、风速等。

二、特点1.湍流流动边界层中的气流非常不稳定，容易形成湍流。

湍流在空气中形成了不规则的涡旋运动，导致了空气的动能和温度的混合，从而使得温度和其他气象参数分布变得非常复杂。

因此，边界层中的天气现象也就难以预测。

2.垂直差异边界层中的气象参数随着高度的增加而发生明显的变化。

通常可以将边界层分为三个部分：表层、中间层和上层。

表层高度为0-10米，通常受到地表温度的影响，会形成相对暖的气流。

中间层高度为10-1000米，受到太阳辐射的影响较大，温度分布呈现出一定的周期性变化。

上层高度为1000-2000米，稳定的气流运动主要由大气层中的高空风流所驱动。

3.表面效应由于地表的特殊性质，边界层中的气象参数会受到地表效应的影响。

例如，当地表温度很高时，气流运动会形成相对暖的气流，从而导致大气透明度变差。

这种影响不仅涉及到日常的天气变化，还会对气候变化和大气层污染等方面产生影响。

4.气体混合当空气在不同的速度和方向下运动时，它们会相互混合。

这种混合使得边界层中的气体分子运动难以预测。

这种混合是由于边界层中涡旋的形成和气流的不规则运动所致。

5.散卡效应散卡效应是边界层中另一个非常重要的效应。

它指的是当空气流动速度增大时，越来越多的空气分子被抛到了边界层的外层，也就是远离地面的上层大气层中。

因此，地面与空气中的物质和能量交换也减少了。

这种效应常常被称为“瓶颈效应”，对边界层的研究和预测具有很大的困难性。

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。

简述大气边界层中近地层的主要特点？行星边界层一般分为两层：近地层和Ekman层。

近地面层是大气边界层的底层，一般为几十米，约为大气边界层高度的1/10 ，随大气边界层厚度的增加或减薄而相应变化。

近地面层中，科氏力和气压梯度力的作用相对于湍流切应力可略去不计，大气结构主要依赖于垂直湍流输送。

①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;②大气受地球表面的动力和热力的强烈影响，气象要素的垂直变化激烈，比边界层的中、上部更为显著；③运动尺度较小，科氏力可略去不计，风向随高度几乎无变化。

在Ekman层，湍流粘性力和柯氏力及气压梯度力同样重要，三者具有相同量级，风向随高度的切变不能忽略，气象要素随高度的变化比较平缓。

通常推导大气边界层基本方程的基本思想是什么？（1）边界层的基本控制方程（2）雷诺平均：把方程中的因变量展开成平均和脉动量两部分（3）求方程的雷诺平均的湍流平均变量的方程（4）利用连续性方程通量形式的方程（5）从步骤3方程中减去步骤5方程，得到偏离平均的湍流脉动量方程、方差方程和协方差方程的基础方程（6）将湍流脉动量方程乘以速度脉动量湍流通量方程（7）将基础方程乘以2倍的湍流脉动量方差方程（湍流能量方程）请说明流边界层的基本特征。

（1）对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变导致的动力驱动，地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来源。

（2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于强烈的混合作用，对流边界层的主体部分气象要素梯度很小；在中等以上不稳定时，温度和风随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。

（3）对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入边界层，形成了卷夹层；卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。

（4）对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致对流边界层内各气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。

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。