什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。
具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。
大气边界层厚度,一般白天约为1.0km,夜间大约在0.2km左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。
大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。
全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。
什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。
从1915年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。
以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。
1905年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。
1961年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。
行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。
从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。
1954年, Monin和Obukhov[5]提出了具有划时代意义的Monin—Obukhov相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。
1982年,Dyer[6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。
1971年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。
从20世纪70年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现,大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。
简洁地概括,对大气边界层物理结构研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验,即澳大利亚实验的Wanggara和美国的Min-nesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。
相似性理论是大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一,在建立了比较成熟的用于描述大气近地面层的Monin—Obukhov相似性理论以后,人们开始寻求类似的全边界层的相似性理论。
国际上,除Neuwstadt[8]、Shao[9]等做了大量工作外,我国胡隐樵等以野外实验验证了局地相似性理论,并建立了各种局地相似性理论之间的关系。
张强等还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。
自1895年雷诺平均方程建立以来,该方程组的湍流闭合问题是至今未解决的一个跨两个世纪的科学难题。
人们发展湍流闭合理论,以达到能够数值求解大气运动方程,实现对大气的数值模拟。
闭合理论有一阶局地闭合理论即K闭合。
1990年HoIt-sIag[12]在1972年理论框架的基础上,用大涡模拟资料对K理论做了负梯度输送的重大修正。
为更精确地求解大气运动方程,也为了满足中小尺度模式,特别是大气边界层模式刻画边界层湍流通量和其它高阶矩量的目的,高阶湍流闭合技术也开始被模式要求。
由于大气边界层研究是以野外探测实验为基础的实验性很强的科学,我国以往由于经济落后,无法得到第一手的实验资料,研究相对落后,与国外相比,总体上差距在20a左右,但我国学者在大气边界层的研究中也有其特殊贡献:1940年周培源先生[13]提出的湍流应力方程模式理论,被认为是湍流模式理论开始的标志,这一工作奠定了他在国际湍流研究领域的崇高地位。
苏从先等在上世纪50年代给出的近地面层通量廓线与当时国外同类研究同步,被国外学者称为“苏氏定律”,在上世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构。
上世纪70年代周秀骥[16]提出的湍流分子动力学理论也很有独特的见解。
1981年周明煜[17]提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认识。
上世纪80~90年代赵鸣[18]对边界层顶抽吸作用的研究是对Charney—Eiassen公式的很好发展。
在20世纪90年代的“黑河实验”中,胡隐樵等和张强[19]首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿,并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征等等。
国内外有关大气边界层和大气湍流的专著已有数十本,其中,起里程碑作用的几本专著对大气边界层的发展做出了特殊贡献。
1953年Sutton[20]著的《微气象学》、1973年Haugen[21]等著的《微气象学》、1984年Panofsky等[22]著的《大气湍流》、1988年StuII[23]著的《边界层气象学导论》和1992年Gar-ratt[24]著的《大气边界层》等。
国内直到20世纪90年代才出现大气边界层专著,较有代表性的是1990 年赵鸣等[25]编著的《边界层气象学教程》。
综上所述,到上世纪70年代,对均匀下垫面大气边界层物理结构,基本有了比较全面的认识,大气边界层基础理论基本上已经形成。
从20世纪80年代到目前的20多年间,除了数值模拟水平和观测技术等实验手段有较大提高外,大气边界层领域的工作,几乎主要集中在解决大气数值模式中边界层和地表通量参数化问题上,而在理论研究方面则显得过于平静。
因此,最近20多年实际上是大气边界层研究领域发展相对比较缓慢的时期。
张强大气边界层气象学研究综述干旱气象21（3）2003年9月74-781大气边界层物理学的发展1.1湍流理论的产生和发展大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,在湍流理论有了一定的发展之后才得以有边界层气象学的产生。
早在1883年Reynolds首先在试验室发现了湍流[1],随后1904年Plandtl首先提出了湍流混合长理论[2],从而形成了最基本的湍流理论基础。
但地球大气中的湍流现象直到1915年才由Taylor[3]首先提出,并开始了最初的研究。
湍流运动在大气中的发现使这一特殊运动形式更加引起科学家们的重视。
这以后,湍流理论的发展进入了相对较快的阶段。
1935年Taylor[4]提出了湍流均匀各向同性理论,得到了表征湍流细微结构的尺度,初步奠定了湍流统计理论的基础。
随后1938年Karman等推导出了著名的Karman-Howarth方程[5],使湍流统计理论更加趋于成熟。
1941年前苏联科学家Kol-mogorov[6]把量纲分析原理用于湍流研究,推导出了著名的结构函数“2/3律”。
很长一个时期,湍流研究是基本上不考虑热力层结的,1959年Priestley[7]提出了自由对流大气湍流理论。
可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成,以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。
从20世纪60年代开始,为了克服湍流研究所面临的困境,人们试图在湍流理论研究方法上开辟新的途径。
1963年Lorenz[8]从微分方程计算了非周期轨道,使湍流发生机制的研究有了新的可能途径。
1971年,Ruelle[9]把混沌理论等方法引入湍流研究,不过有些学者认为用混沌理论来研究湍流有不适当之处[10]。
1.2行星边界层的提出1905年Ekman[11]从地球流体力学角度提出了著名的Ekman螺线,在此基础上引伸到大气层,形成行星边界层概念,它的基本观点仍沿用至今。
1961年,Blackadar[12]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺线图像。
行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律,但这个阶段还没有充分认识到大气边界层的重要性,对其应用价值也估计不足,所以当时对大气边界层的研究并没有形成气候。
1.3近地层大气物理规律的形成从20世纪50年代开始,随着农业、大气污染和军事科学的需要,开始掀起大气边界层研究的高潮。
由于对近地面层的研究需求最迫切,并且该层观测相对也比较容易实现,因此大气边界的研究最初在近地层得到了优先发展。
1954年,Monin等[13]提出了具有划时代意义的Monin-Obukhov相似性理论。
1971年,Businger等[14]利用美国Kansas试验资料得到了Monin-Obukhov相似性函数的具体形式,随后在Dyer等[15]1982年利用1976年澳大利亚国际湍流对比试验(ITCE)又做了完善。
Monin-Obukhov相似性理论的提出和完善使近地面层观测资料的分析和地表通量的计算有了得力的手段。
1971年,Wyngaard[16]提出了局地自由对流1/3相似性律,补充了Monin-Obukhov近地面层相似性理论在局地自由对流时的不适应性。
1.4大气边界层物理结构的认识对非常理想的、水平均匀的、中性层结的大气边界层结构,Ekman近似基本上可以描述,但实际大气边界层既不是均匀的,更不是中性的。
并且由于各方面的需要,人们已逐渐不能满足于仅对近地面层的认识;更主要的是大气探测技术和研究方法此时已经有了新的突破,特别是系留气球、小球探空测、雷达观测、飞机机载观测及卫星遥感反演和数值模拟等手段的相继出现,所以从70年代开始,大气边界的研究开始从近地面层向整个边界层扩展1971年,Clark等[17]用澳大利亚著名的Wang-gara观测实验资料给出了实测的稳定大气边界层气象要素的典型空间分布特征。
1976年, Kaimal等[18]根据美国Minnesota观测实验资料又获得了实测的自由对流大气边界层气象要素的垂直分布结构。
1983年的俄克拉何马边界层野外试验[19]用飞机观测到了系统的大气边界层湍流量和其它高阶量的空间分布。
最近,以1987年的FIRE试验和1992年ASTEX试验为基础逐步开始了云和降水与边界层的相互作用的研究[20]。
在野外实验的同时,大气边界层数值模拟实验也在这一期间取得了进展。
最具代表性的是1970—1974年Deardorff首次用大涡模拟技术研究了大气边界层,并且在对流和中性两种情况下对Wanggara观测资料进行了实时模拟[2123]。
1978年,Andre等[24]首次建立了可称为真正意义上的大气边界层数值模式(三阶闭合),并对大气边界层的气象要素分布和湍流结构进行了成功地模拟。
虽然复杂下垫面的边界层问题在早期研究中已有粗略涉及,但1982年Hunt等[25]首次比较全面地提出了一些对复杂地形下大气边界层特征的认识。
如果最简洁地概括,对大气边界层研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验即澳大利亚的Wanggara实验和美国的Minnesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。