29大气物理学

第九章大气边界层1.大气边界层的定义2.大气边界层的热力学特征3.大气边界层的动力学特征4.大气边界层的结构5.大气边界层湍流6.大气边界层中的特殊效应7.大气边界层与大气污染11、大气边界层的定义2大气边界层（Atmosphericboundarylayer,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。大气边界层图例之一1.右图的水面和云底之间是稳定的边界层，2.边界层之上，大气不太稳定，有对流运动产生，出现弱的淡积云。3激光雷达测出的大气边界层气溶胶4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。大气边界层的重要性51.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。2.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，3.地球和大气的水汽交换，也是通过边界层输送上去的，4.污染物的大部分被阻挡在边界层中。2、大气边界层的热力学特征6我们知道地表温度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。边界层内、外大气温度日变化7边界层内边界层外近地面层大气昼、夜之间温度廓线的差别8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？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。9层流、波动和湍流142、边界层大气的动力学特征15(1)风速和风向以及与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）4、边界层内水平风的风向和风速随高度的变化24Ekman螺线公式(1cos),sin,--z=zgzgmuuezvuezuKg1/2m：风在东西方向的分量v：风在东西方向的分量u：边界层上界处的风速：高度（f/2K）：涡动粘性系数南北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（Ekmanspiral）。Ekman螺线上的数字表示距离地面高度。uv5、边界层大气的湍流运动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。26边界层湍流运动1.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。2.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）。27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。WaveCloudsoverMountShastaCatchtheWavePhoto©1999BeverlyShannonPhoto©2001BrooksMartner,NOAAEnvironmentalTechnologyLaboratory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。较稳定边界层内的湍流性质34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35尽管杂乱无章，但湍流运动还是有规律可循的36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-3E(k)K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。42有逆温层存在，边界层稳定，污染物不宜扩散。例如有逆温层存在的白天或夜晚，污染物不宜扩散。43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。44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。45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。46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。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。48热岛效应和市区的污染物输送49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。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，污染物容易扩散，污染相对较弱。50边界层和空气污染的日变化前面我们讲过，温度垂直廓线的日变化导致边界层稳定性发生变化，白天，边界层相对不稳定，污染物易于扩散；而夜间，边界层相对稳定，污染物不宜扩散。但我们必须注意另一个方面，那就是白天污染排放多，夜间污染排放相对较少，所以，晚上的空气质量相对好一些。51