第一章大气边界层与边界层气象学研究.ppt

第一章大气边界层与边界层气象学研究
平均风：明显的日变化
风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
一般量级：水平风为米的量级
垂直风为毫米-米的量级
波动流场中的位移。在获取了粒子图像之后，通过计算两次记录的相似程度来确定粒子的位移
对流边界层结构的水槽模拟实验
1-7 大气能量收支与温度（理解）
(1)辐射平衡
太阳短波辐射－向下
地表反射短波辐射－向上
地球表面长波辐射－向上
大气长波辐射－向下
辐射四 分量仪
(2) 能量平衡
下垫面能量平衡分配：
－QS + QA = QH + QE - QG ＋ △QS
净辐射 人为热源 感热 潜热 储热 冠层内储存热量
QG
－QS
QH
QE
夜间
QG
－QS
QH
QE
白天
白天和夜间的能量平衡
condensation
evaporation
Thin
boundary
3 低层大气温度
气温垂直分布三种情形：
① 气温随高度递减
② 气温随高度基本不变
③ 气温随高度逆增
温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。
低层大气的温度变化
1-8 有关概念（重点掌握）
一 通量
通量：单位面积，单位时间某个量的输送
热通量和水汽通量：风速分量乘以热量和水汽含量,表示通过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
热通量
水汽通量
动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向的动量输送，因而具有二阶张量性质。
湍流通量
二 应力
粘滞切应力
雷诺应力
只有当气体处于湍流运动时才有雷诺应力，湍流能够把不同风速的空气混合进入我们所考虑的立方体。当这种不同速度的空气施加于立方体的一个面而未及于之相对的另一个面时，该空气块会因两个面间的速度差异而变形。根据定义，输送不同速度的空气穿过气块任一面的速率，刚好就是动量通量。也就是说，湍流动量通量的作用就象是应力，故称之为雷诺应力。
雷诺应力定义
雷诺应力定义
三 温度、位温、虚位温…（自学）四 Boussinesq近似（自学） 五 准静力平衡（自学）
重点（理解，掌握）
大气边界层
边界层中的风与气流
湍流
泰勒假说
湍流通量
雷诺应力
第二节 大气边界层结构
2-1大气边界层分层及结构(重点)
垂直分层
日变化
高压 低压－边界层
动量、热量、
水分、物质交换
夹卷层
大气边界层的概念化分层
粗糙度层
混合层
近地面层
zi
局地自由对流层
1/10zi
近地面层(near surface layer)主要特征（P28）
①大气边界层最下面部分，受到下垫面影响最直接
②层内风速、温度和其余气象要素场随高度变化十分剧烈，存在有由地面粗糙度或摩擦作用产生的小尺度湍流以及地面增热造成的热力对流活动。
③各种湍流通量传输随高度变化而数值不变，称常通量层。一旦脱离该层，各个湍流通量传输将逐渐减弱，直至大气边界层顶的极值
④风向随高度近乎不变，气流结构不受柯氏加速度影响
激光雷达观测气溶胶粒子垂直分布
表面层
表面层
表面层
中午
日落
午夜
中午
日出
稳定
(
夜间
)
边界层
夹
卷
层
残余层
夹卷层
云层
自由大气
盖顶逆温
大涡对流
混合层
混合层
陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原
先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。
高度
(m)
2000
1000
0
边界层的发展具有明显的日变化特点（高压区、小风、无云条件）
对流边界层，稳定边界层，中性边界层
白天：对流边界层
近地面层、混合层、夹卷层

夜间：稳定边界层
近地面层、稳定边界层、残留层
强风（>12m/s）或阴天条件：中性边界层
不同时刻，大气边界层平均位温廓线
作业：请根据晴天、小风天气情况下从S1－S6时刻的位温垂直廓线变化分析大气边界层结构的日变化
FA: 自由大气层
ML: 混合层
RL: 残留层
SBL: 稳定边界层
SL: 近地层
SCL: 云下层
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