现代大气探测学-第十一讲-大气边界层探测简介

南京信息工程大学夏俊荣[e-mail]现代大气探测学2012年3月22日致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授以及南京信息工程大学大气物理学院王成刚博士、姜海梅博士的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。第十一讲大气边界层探测技术简介大气垂直分层~10km1~2km对流层平流层边界层•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，然后通过边界层湍流输送给大气•气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层•霜、露和最高最低温度预报，实际上都是边界层预报•雾发生在边界层中•污染物大部分被阻挡在边界层中大气边界层的重要作用（一）•作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散•到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的•云中的凝结核也是通过边界层输送上去的•雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气•大约50％的大气动能被耗散在边界层中•海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一…...……大气边界层的重要作用（二）•大气边界层又称行星边界层，是指存在着湍流性特征的低层大气，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的能量、热量、水汽及其它物质的输送起着重要的作用。地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日周期的循环。•大气边界层一般可分为二层，近地层和上面的Ekman层。近地层又称表面层（SurfaceLayer），是边界层的最低层，直接与地表接触，受地面强烈影响的一层大气，其厚度约比整个行星边界层小一个量级，因行星边界层厚度变化一很大，故近地层厚度变化也大，一般几十米，这是平均情况；在近地层，大气受地球表面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度激烈变化，运动尺度小，柯氏力可略去不计；由于近地层很薄，可以近似地认为该层中动量、热量和水汽的铅直湍流输送通量几乎不随高度变化，即，其为常通量层。Ekman层是大气边界层的上层，在Ekman层，湍流粘性力和柯氏力及气压梯度力同等重要大气边界层的定义什么是湍流？——湍流现象杂乱、随机、无序达芬奇描绘的湍流火山爆发§1大气边界层的特点及湍流量的表征方法大气边界层是指从地面至500m到1.5km高度的最低层大气，它直接受地球表面的影响，并与地表进行热量、动量和水汽及其它物质成份的交换，湍流运动是该层大气的最基本特征。由于湍流是大气边界层的最基本的特性，所以大气边界层测量可分为平均量测量和脉动量测量两种，测量传感器也可分为慢响应传感器和快响应传感器两种。慢响应传感器用于测量平均量，而快响应传感器用于测量脉动量。典型边界层的结构及其日变化（Stull,1988）§2近地层气象塔测量气象塔是大气边界层测量的重要手段，根据测量的目的不同，塔的高度及塔上安装的仪器也有所不同。近地层、农田小气候等研究中使用的气象塔一般为几米或几十米高，为了大气边界层的研究和边界层模式验证，需要更高的气象塔，一般为100-300m，甚至更高。架设一个数百米高的气象塔是相当昂贵的，所以在有些情况下，可以将电视发射塔、电力输送线的高塔兼作气象塔使用。中国科学院大气物理所325米气象塔（北京）15层§2近地层气象塔测量——平均量测量仪器的安装高度中性条件下近地层风速随高度可用对数廓线近似表示)ln(0zzkuu式中的u为z高度上的风速，u*为摩擦速度，z0为粗糙度高度，κ为卡门（Karman）常数，一般取0.35-0.40之间的某个数值。所以在近地层梯度测量中仪器的架设高度一般按对数律设置。在几十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0m等高度，有时为了与气象站测风高度一致，在10m高度上也安装有风速、风向传感器。§2近地层气象塔测量——平均温度廓线的测量温度廓线的测量要求精度为0.01℃，分辨率为0.005℃。设计良好的铂电阻、热敏电阻、热电偶和晶体温度仪，一般都能满足以上精度及分辨率的要求。铂电阻及晶体温度传感器以其稳定性好经常被选用，其中晶体温度传感器的精度最高，稳定性也最好。大多数情况下将其封装在金属或玻璃壳内，以增加传感器的时间常数。使用时间常数较大的传感器，对于廓线的测量来讲这并不是件坏事。晶体温度传感器的输出量为频率，测量一段时间的频率计数求得平均温度，有利于提高测量精度。石英晶体温度元件及测量原理框图§2近地层气象塔测量——平均风速廓线的测量风速廓线的测量一般使用风杯式风速传感器及螺旋浆式风向传感器，其中风杯式风速传感器使用最为广泛。风杯式风速传感器有很多优点，一是风杯式风速传感器能够感应水平方向360°各个方向的风，且对垂直方向的风速不太敏感，二是结构简单、牢固，可长时间工作。精确地测量近地层的风速廓线，要求风速传感器的启动风速要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s。§2近地层气象塔测量——平均湿度廓线的测量湿度可能是测量最为因难的要素之一，湿度测量的方法很多，所以用于气象塔廓线测量的湿度传感器也比较多，主要有干湿球法、露点湿度计和高分子吸湿材料制作的湿度传感器。其中干湿球测湿法是野外实验中经常采用的一种方法，该类仪器的价格不贵，测量原理简单，在0－25℃的温度范围，相对湿度为20－80%的范围内有相当高的精度，但是该仪器在0℃以下，湿球会冻结，测量误差随之急剧增加，因此冬季不宜采用干湿球法进行湿度的测量。湿度传感器结构示意图§2近地层气象塔测量——温度脉动量的测量铂电阻丝、热电偶、热敏电阻和超声风速温度仪都可测量温度脉动量铂电阻丝——体积小、高频特性好铂电阻丝必须裸露于自由空气中（高频响应，但易受风、雨、雪及沙尘的损坏）超声风速温度仪——受湿度等因素影响，在温度脉动大的白天测量时，误差较大§2近地层气象塔测量——风速脉动量的测量风速脉动量测量仪器主要有热线风速仪和超声风速温度仪，从频率响应特性来讲，热线风速仪是比较理想的风速脉动量的测量仪器，该类风速传感器的体积非常小，可做到微米量级，因此具有非常好的频率响应特性，可以说没有任何一种其它类型的传感器能与热线风速仪的高频分辨率相比拟。但是该仪器也有两个致命的缺点，一是受到大气污染后其标定值易偏离，二是极易损坏。所以该类仪器不宜于长时间的野外观测。(10大气)热线风速仪超声风速温度仪双向风标和三轴风速表超声风速温度仪§2近地层气象塔测量——湿度脉动量的测量湿度脉动量测量主要有三种不同的方法，它们是水汽对紫外辐射的吸收（Lyman-α湿度计），水汽对红外辐射的吸收（红外湿度计）和微波折射与湿度的依赖关系（微波折射仪）。这三种类型的仪器中最为简单也是最为常用的是Lyman-α湿度计Lyman-α湿度计原理示意图§3大气边界层廓线测量用于大气边界层廓线直接测量的仪器主要为低空探空仪和系留探空仪。系留探空仪是大气边界层探测的主要工具之一，它可测量地面至1000m高度的大气温度、湿度、风速、风向、气压等气象要素系留气艇系留气球（飞艇）系留气球探空仪系留探空仪系留探空仪工作原理示意图§4其它手段•多种雷达•飞机中国南极科考声雷达香港天文台激光风切变雷达中央監視局（気象庁/東京）全国のウィンドプロファイラを集中制御・監視し、観測データの収集・品質管理を行います。観測局边界层风廓线仪雷达—日本各観測局は、24時間無人で運用されています。VaisalaLAP®-3000BoundaryLayerWindProfiler中国海洋大学车载非相干多普勒测风激光雷达系统参与北京奥运青岛奥帆赛，监测海面风场海大车载多普勒测风激光雷达的典型观测结果边界层飞机探测