大气物理学课件

1、1,第九章 大气边界层,大气边界层的定义 大气边界层的热力学特征 大气边界层的动力学特征 大气边界层的结构 大气边界层湍流 大气边界层中的特殊效应 大气边界层与大气污染,2,1、大气边界层的定义,大气边界层（Atmospheric boundary layer, ABL）指的是大气和地球表面相接触的这一层，厚度通常在1-2公里之间，但随时间和地点变化。边界层以上的大气层通常称为自由大气。 大气边界层也可以定义为：存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要作用并导致气象要素日变化显著的低层大气。,3,大气边界层图例之一,右图的水面和云底之间是稳定的边界层， 边界层之上，大气不太稳定，有对流运动产生，出

2、现弱的淡积云。,4,激光雷达测出的大气边界层气溶胶,注意：上图显示的不是真正的气溶胶浓度，而是气溶胶颗粒对激光探测仪 发出的激光束的后向散射强度，散射强度越强，说明气溶胶浓度越高。,5,大气边界层的重要性,大气边界层虽然是很薄的一层，它对人类和地球生物圈有着最为直接的影响，所以是非常重要的一层。大气边界层与天气、气候、生态环境以及人类活动等密切相关。 整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部分是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层大气运动输送给上层大气， 地球和大气的水汽交换，也是通过边界层输送上去的， 污染物的大部分被阻挡在边界层中。,6,2、大气边界层的热力学特征,我们知道地表温度

3、在昼夜之间有着很大的变化。晴朗的白天，由于太阳辐射，地表温度升高，其温度比边界层大气温度还要高。晴朗的夜晚，地面降温比边界层大气降温快，所以地表温度通常比边界层大气的温度低。 所以，边界层大气的垂直温度廓线有着明显的日变化。,7,边界层内、外大气温度日变化,边界层内,边界层外,8,近地面层大气昼、夜之间温度廓线的差别,下午：温度随高度降低,夜间：温度随高度升高,温度廓线在有风时是直线；在静风时是曲线。为什么？,9,边界层大气的温度与边界层昼夜演变及大气的稳定性,在第六章我们学习过热力学过程：垂直混合和大气稳定度。,层流、波动和湍流,14,2、边界层大气的动力学特征,15,(1)风速和风向以及与

4、此有关的边界层属性具有明显的垂直梯度： 由于地表的摩擦力，在紧接地面的地方，大气运动速度 为零。随着高度的升高，摩擦力减小，风速迅速加大。,（2）平均风具有明显的日变化（风速垂直廓线的差别）,16,白天,晚上,大气边界层湍流尺度范围,空间尺度 小到毫米数量级，大到与边界层厚度相当；大气湍流运动是大小悬殊不同的湍流涡旋共同作用的结果。 时间尺度 小到低于小时数量级，大到以24h为限。,较稳定边界层内的湍流性质,18,湍流弱、湍流涡旋尺度小,白天不稳定边界层中的大涡湍流运动,19,二次涡形成的“云街”和Rayleigh-Benard对流,20,右图的上图是实验室给出的Rayleigh-Benard

5、热力对流形成的圆圈形运动； 下图是飞机拍摄的边界层对流运动形成淡积云“云街”。两者之间非常相似。上升运动处出现淡积云，下沉运动处为晴空。,3、大气边界层的结构,稳定边界层 中性边界层 对流边界层（混合层）,24,4、边界层内水平风的风向和风速随高度的变化,Ekman螺线公式,4、边界层内水平风的风向和风速随高度的变化,25,在大气边界层，风速随高度的升高递增，风向随高度的升高向右偏转，形成螺旋状。由于是Ekman首先发现这一规律，所以，边界层风速和风向的变化曲线称为Ekman 螺线（Ekman spiral）。Ekman 螺线上的数字表示距离地面高度。,u,v,26,5、边界层大气的湍流运动,

6、湍流是大气边界层中主要的运动形态。湍流对地表面与大气间的动量输送、热量输送、水汽交换以及物质的输送起着主要作用。,27,边界层湍流运动,湍流运动是一个非常复杂艰深的研究领域，对它的深入了解已远远超出了我们在这门课所要求的范围。在本章我们只对这一概念做一些初步介绍，并不要求大家深究这一问题。 简单地讲，湍流是相对稳定的层流而言的，它意味着流体运动是复杂混乱的（但并不是一点规律都没有的）。,大气湍流运动特征,随机性 非线性 扩散性 涡旋性 耗散性,大气湍流三大类型,机械性湍流（风切变产生的湍流） 热力湍流（对流湍流） 波产生湍流（开尔文-赫姆霍兹波）,气流在山地下游形成的涡旋运动很像实验室模拟的湍

7、流运动,30,下图是气流在山地下游形成的涡旋运动， 右边的两张图是实验室模拟的湍流运动。,Wave Clouds over Mount Shasta Catch the Wave Photo 1999 Beverly Shannon,Photo 2001 Brooks Martner, NOAA Environmental Technology Laboratory,大气湍流尺度范围,空间尺度 小到毫米数量级，大到与边界层厚度相当；大气湍流运动是大小悬殊不同的湍流涡旋共同作用的结果。 时间尺度 小到低于小时数量级，大到以24h为限。,34,较稳定边界层内的湍流性质,湍流弱、湍流涡旋尺度小,35

8、,白天不稳定边界层中的大涡湍流运动,36,尽管杂乱无章，但湍流运动还是有规律可循的,如果把湍流运动的速度进行傅力叶分解，并且用K表示波数，E(k) 表示每一个波数上的动能，那么，对于三维湍流运动来说，有以 下关系,湍流能谱,6、大气边界层中的特殊效应,山谷风 海陆风 城市热岛,37,山谷风,白天：上坡风,夜间：下坡风,海陆风,海陆风环流,城市热岛效应,42,7、大气边界层污染,大气污染受边界层性质的影响很大。一般来说，当边界层稳定时，垂直对流运动较弱，污染物不宜向上扩散，主要集中在边界层，污染严重。 如果边界层不稳定，对流运动强，污染较弱。,43,有逆温层存在，边界层稳定，污染物不宜扩散。,例

9、如有逆温层存在的白天或夜晚，污染物不宜扩散。,44,高压控制，存在下沉运动，污染物主要集中在边界层。相反，如果是低压控制，空气呈上升运动，不宜形成严重污染。,45,低压风暴中的上升气流易于把边界层中的污染物带到大气高层。,46,低凹处易形成污染,夜晚，山坡近地面空气比同高度大气降温快，温度较低，空气密度大，沿山坡下沉，在低谷处形成污染。,海陆风对陆地污染物的扩散有重要影响,海风登陆时可在沿海一定范围内导致熏烟型污染物元的扩散。,48,城市热岛效应容易把污染物向周围扩展,热岛效应造成城区温度一般比郊区高2度左右，所以，市区上空出现上升运动，市区的边界层也稍高一些。市区的上升运动和郊区的下沉运动构成一个环流圈，使得市区的污染向郊区扩散。,49,热岛效应和市区的污染物输送,右边的上图表示城市的热岛效应，热岛效应向下游地区扩展。 下图表示市区污染物的输送，风把市区的污染物向市外输送。 下图也表示市区和市区外围地区有着不同的边界层。,50,微风比大风时更易形成污染,微风或无风时，污染物不宜扩散，所以，污染较为严重。 风速较大时，污染物容