分子粘性力》湍流切应力 粘性副层
2. 虚位温
温度T、虚温Tv、位温θ 、虚位温θv的定义
Tv (1 0.608q)T ：与湿空气具有相同气压和密度的干空气的温度
T
p00 p
T
R
p00 p
cp
：把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气 压时应有的温度
κ
v＝Tv
1000 p
：把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气 压时应有的虚温
混合层
对流源来自两个方面：一个是地面热量输送；另 一个是云层顶辐射冷却。前者使地面暖空气上升， 而后者使云顶冷空气下沉。两者可以同时出现， 特别是当顶部有冷层积云的混合层移过暖地面时， 便可同时出现上升或下沉气流。
混合层平均廓线
地转风
剩余层
稳定边界层以上仍保留相当厚度的白天混合层 中层的等虚位温分布，称为剩余层。由图可见， 入夜后，地面净辐射转变为负值，下垫表面冷 却，导致大气边界层从下往上降温 。剩余层为 中性层结。
扩 散 形 态
三、大气边界层内的流动形式
一般地，边界层内气流的流动形式有三种：平均场、湍流场、 波动场。实际上，后两者是叠加在平均场上的。
u u u u
平均风：有明显的日变化，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， 垂直风为毫米的量级
湍流：大气边界层的运动形态，剪切和不稳定特性等，湍 流对大气边界层的发展和演变有关键作用。
边界层的重要性
■人们一生大部分时间是在边界层中度过的； ■天气预报是预 报的边界层内的气象因子； ■整个大气层基本能源是太阳辐射， 太阳辐射大部分被地面吸收，剩余部分由边界层过程输送给大 气； ■云核是通过边界层过程从地面传播到大气中的。 ■雷暴 和飓风的发展是靠边界层湿空气的流入。 ■大约有50％的大气 动能被耗散在边界层中。 ■湍流和阵风在结构设计中影响建筑 风格。 ■风力涡轮机要从边界层风场中提取能量。 ■海面上的 风切变是海洋的主要能量。 ■边界层中的湍流输送和平流使水 分和氧气来回流动，维持植物之类的生命形态。。。。
第二章 边界层平均特征
一、大气边界层定义及特征 二、ABL结构及演变规律 三、ABL内的流动形式 四、几个重要物理量 五、湍流数据处理过程 六、爱因斯坦求和符号
目的：对大气边界层有一个宏观的了解，并为第三章的方程 组的学习作好准备
概 述
地面是大气的一个边界。这个边界上的输送过程，影响了最 低的100至3000m的大气，产生所谓的边界层,对流层其余部 分则不精确地称之为自由大气。因此，为多数人所感受到的 大气特征，或多或少是以较浅层空气中发现的特有特征为基 础的。
关于微气象学：几乎等同于边界层气象学。研究时间尺 度～1h，空间尺度～3km
高压中心和低压中心之间边界层厚度的天气尺度变化示意图。 虚线表示1小时内受地面影响的空气所达到的最大高度。实线 包围的阴影区域是大多数边界层气象学家研究的区域
曲线表示近地面温度日变化，它在高空很不明显。这个日变 化是陆地边界层的关键特征之一。这个日变化是谁引起的？
⑵各种尺度湍流起着重要作用并导致气象要素具有明显日 变化的低层大气层。
由于大气气压梯度力和地转偏向力对大气边界层运动特征 的作用，是行星低层大气和海洋表层流动的共性，大气边 界层也称行星边界层（Planetary Boundary Layer,PBL）。
2．大气边界层特征：
⑴地球表面向上并与地面有直接作用的气层； ⑵是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水气交
v
T
(1
0.608q)
1000 p
κ
(1 0.608q)
3. 边界层演变
陆上高压区边界层的昼夜演变 上图：边界层结构的昼夜演变示意图； 下图：典型剖面的平均虚位温廓线
FA：自由大气 ML：混合层 SBL：稳定边界层 RL：剩余层 CL：云层 SCL:云下层 SL：表面层或近地面层
EL：卷挟层
波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，如重力波。
大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动
Under stable conditions, air flowing past a mountain range can create eddies many kilometers downwind of the mountain itself.
稳定层
稳定层结时湍涡在运动中要反抗重力作功，消耗 动能，从而对湍流交换起抑制作用。这就使得夜 间稳定边界层的发展比白天混合层的发展要弱得 多，厚度也小得多。
稳定层平均廓线
卷挟层
卷夹层是混合层顶部的静力稳定空气区，其厚 度约为混合层的10%~ 40%。对流热泡在混合 层中、下层持有的对流能量使它能够超射一定 的距离，在卷夹层内形成对流贯穿。各个对流 热泡贯穿的厚度取决于其各自的初始对流能量。
换必经的气层；
⑶具有明显的日变化规律——边界层最重要的特征之一：
不稳定大气边界层：主尺度在空间上与边界层厚度相当， 传输快；
稳定边界层：主尺度小于边界层厚度，可能出现湍流间 歇性，传输慢。；
⑷与季节、天气背景、高度等密切相关。如：按热动力学， 有不稳定、中性、稳定层结之分。
⑸涉及面பைடு நூலகம்：空气污染、环境、气候变化等。
受平均风和积云尺度控制
厚度
时空变化在100－ 3km
空间变化小，8-18km；时 间变化缓慢
一、大气边界层定义及特征
1．大气边界层（Atmospheric Boundary Layer,ABL）定义：
⑴由于各种尺度（空间和时间）湍流涡旋的动力和热力过 程，将下垫面的强制作用（动量、热量和水汽）影响扩散 所及的自由大气层。
边界层和自由大气的特征比较
性质
边界层
自由大气层
湍流
几乎整个高度都是无 水平范围很大的浅层有零
间断的湍流
星晴空湍流
摩擦
对地面曳力大，能量 粘滞耗散小 耗散大
扩散
在水平和垂直方向湍 分子扩散少，往往由平均
流迅速混合
分在水平方向迅速输送
风速
近地层接近对数风速 接近地转风 廓线，是次地转的。
垂直输送 受湍流控制
不稳定边界层结构及其流场图像 风、温廓线
稳定边界层结构及其流场图像
二、ABL结构及演变规律 牛
顿
1．ABL的分层
z/m
第
自由大气
二 定
气压梯度力和科
律
1000~
氏力平衡
2000
气压梯度力、科氏力和 雷诺应力数量级相当
上部摩擦层
50~100
～0.01 0
大气边界层
湍流切应力近似常数
近地面层（常通量层）