平流层
对流层 ~ 10 km 边界层 1~2 km
大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约1~2公里 厚度，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。它的研究 与天气预报、气候预测以及大气物理研究有非常密切的关系。 由于人类的生命活动几乎都是发生在这一层次内，所以大气边 界层的研究又与工农业生产、环境保护等紧密相关。近年来， 由于大量与大气运动有关的实际问题日益受到重视，国内外许 多非气象领域的科学工作者，尤其是力学工作者，也对大气边 界层研究产生了兴趣。与此相关的有工程气象学、工业空气动 力学、环境流体力学等新的交叉学科。人们在解决航空安全保 障、高层建筑物设计、风能利用以及空气污染防治等问题的过 程中，都需要对大气边界层的结构特征有深入的了解。
应 用:
- 天气、气候
天气预报（强天气过程：暴雨、沙尘暴、大风等）、
气候预测、边界层气候 ……
- 大气环境
污染预报与控制、城市规划、核事故、反恐防恐 人体健康、生态保护 ……
- 工程气象
航空航天、水陆交通、室内环境、风能利用、
大型建筑、防风林、化工设备、大型电站 ……
内容提要
第一章 大气边界层与边界层研究 第二章 大气边界层湍流基础 第三章 大气边界层控制方程
湍流也是大气科学研究最为重要的基本问题之 一。
三 研究方法
•
大气边界层的研究内容多着重于中性层结的假设下 • 理论研究 进行流体动力学分析；着重于热对流问题讨论及对完 全方程进行数值求解三个方面。研究方法通常是采用 • 观测实验 理论和实验相结合，并以实验为主，理论上有以混合 • 物理模拟 长理论和相似理论（量纲分析）为基础的半经验理论 及以概率论数理统计为基础的湍流统计理论。在应用 • 数值模拟 中又以半经验理论为主。实验方法则是以野外观测及 室内模型实验同时进行。近几十年来，由于计算机速 度的不断提高，大气边界层的数值模拟研究方法成为 一种常用的研究手段。
L. F. 理查森：
Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
大涡用动能哺育小涡，
小涡照此把儿女养活。
(Oke, 1987)
湍流与我们的生活密切相关
不 利 - 湍流使飞行器阻力急剧增加 - 晴空湍流使飞机失事 有 利 - 杯中湍流有利于糖的溶解 - 化工湍流有利于化学反应 - 有利于污染扩散
- 血液湍流导致心脏杂音
- 消防湍流不利于灭火
- 云中湍流有利于云滴增长
湍流至今没有严格的科学定义。但目前已知
教学目的和要求:
主要是研究发生在大气边界中的各种动力和物
理过程。大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气
层最底下的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相
互作用的层次，它与天气、气候以及大气环境研究有
非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多
数都是发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又
与工业、农业、军事、交通、以及城市规划和生态环
第四章 定常大气边界层 第五章 非定常大气边界层（选讲）
教材和主要参考书：
《边界层气象学基础》，蒋维楣，南京大学出版社，1994 《边界层气象学教程》，赵鸣，1989 Stull, R. B. ( 杨长新 译 ):
《边界层气象学导论》， 气象出版社,
1991.
738pp
An Introduction to Boundary Layer Meterology , Kluwer Academic Publishers, 1988, 666pp
能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。
• 湍流是如何发生的？
层流失稳（剪切和热对流）
雷
诺 ：在实验室模拟湍流
雷诺数 Re=ρvl/η
雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点
平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性 力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状
• 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
• 作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散
最高探测高度 最低探测高度 测量范围 精 度 测量平均时间 1000m 100m -30～40℃ 0.1℃ 3～30min
垂直空间分辨率 10m
无线电声雷达 (RASS) 意大利Irone公司
法国 REMTECH 公司最先进的低 层大气风速、温 度廓线测量仪
湿度脉动仪
汽艇 可移动小塔
超声风速仪
可全天候长期稳 定的测量 :
经典湍流统计理论认为湍流脉动是一种完全不规则的无 内部结构的运动。近30年来，人们从实验中发现事实并非如 此。剪切湍流中发现有拟序结构（coherent structure）存在
（孤立子、相干涡、条状结构、斜坡结构等），这是近代湍
流研究的重大发现。它表明湍流并非完全不规则的运动，而 在表面上看来不规则的运动中具有可检测的有序运动。 间歇性 ( intermittency) 的发现也是近代湍流研究的重 大发现之一，有内间歇和外间歇之分。前者系指充分发展的
遥感仪器技术指标
最高探测高度 最低探测高度 垂直空间分辨率 测量范围 1000m 60m 20～200m 水平风分量： 0～30m/s 垂直风分量： ±15m/s 水平风：0.2m/s 垂直风：<5cm/s 2～60min
精 相控阵声雷达 （PA2） 法国Remtech公司
度
测量平均时间
遥感仪器及技术指标
卫星遥感观测结果
等高阶湍流统计量
湍 流 通 量 仪 (FLUXMETER,REMTECH公司)
水槽试验
度
最大风速：33.8m/s
高
时
间
危险天气条件下的边界层结构（北京）
遥感探测青藏高原边界层结构
2～3成流冰 开阔海域
3～4成冰 浮冰海域
6～7成冰 浮冰海域
当年冰 大浮冰
多年冰 大浮冰
中性边 界层
北极地区的边界层结构
第一章 大气边界层与边界层气象 学研究
第一节 大气边界层及其特性
一 大气边界层 • ABL：Atmospheric Boundary Layer • Plandtl（1904） • 气流流动于平板上方，平板表面的摩擦 力和由垂直速度切变生成的流体内摩擦 力阻滞近固体边界处的气流流动，这样 流体低能部分的积累，造成边界层的增 长。这样一个流速减少，并低于自由气 流速度的区域称之为边界层。
大气边界层物理学
王咏薇 大气物理学院 气象楼811# wyw@
大气边界层物理学
Atmospheric Boundary Layer Physics
课程属性 : 学科基础课 学时/学分 : 34 / 2 预修课程 : 大气物理学、流体力学 成绩评定 ：笔试（80%）+ 平时成绩（20%）
它有如下 11 个主要特点：
1、不规则性和随机性
3、大雷诺数性质 5、耗散性 7、流动属性 9、间歇性
2、扩散性
4、涡旋运动 6、连续性 8、记忆特性 10、猝发与拟序结构
11、混沌特性
湍流理论四个基本概念：随机性、涡粘性、级串、标度律
湍流级串：
湍流如何传递能量？
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
境保护等紧密相关。
本课程重点介绍大气边界层物理最基本的内容，
包括大气边界层的特征，描述大气边界层的动力学方
程组，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、
定常与非定常条件下的边界层气象学等
通过本课程学习，希望能够使学生掌握大气边界 层物理的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气 候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下 基础。
U
h
z
U(z)= U· h/z
与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、 “机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行 星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表 上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此 产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不 过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平
最高探测高度 风：2000～5000m 温：1000～2000m 最低探测高度 100m 垂直空间分辨率 60m 测量范围 风速：0～40m/s 温度：-30～50℃ 精 度 风向：<10° 风速：<1m/s 温度：<1℃ 风向：<10° 测量平均时间 3～60min
风温廓线仪 （LAP-3000） 美国Radian公司
态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。在不同的流动状
态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平 均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘
性流体的流动特性。
湍流运动仍然是一种宏观的流体运动，每 个立体单元包含有大量的流体分子，其运动特 征是分子运动在宏观尺度上的平均结果。因此 一般假设湍流运动满足 N-S 方程。但由于这是 一个缺乏严格证明的假设，也有不少学者对此 提出过怀疑。提出了不少非 N-S 方程出发的研 究途径和理论（例如湍流的分子动力学理论）。
尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。
在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的 水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方 向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大 小在随高度变化的同时，风向也随之变化。