《大气边界层》PPT课件.ppt

Chapter 9 The Atmospheric Boundary Layer大气边界层,定义：The portion of the atmosphere most affected by that boundary is calledthe atmospheric boundary layer(ABL),边界层厚度：一般12km，随时间空间变化，从几百米4km。边界层上方为自由大气（free atmosphere）湍流是边界层最重要的特征。,9.1 Turbulence（湍流）,大气运动的多尺度Planetaryscale（行星尺度）synoptic scale（天气尺度）Mesoscale（中尺度）Microscales（微尺度）turbulence scales（湍流尺度）,：“湍流是这样一种不规则运动，其流场的各种特性是时间和空间的随机变量，因此其统计平均值是有规律性的。”,9.1.1 Eddies and thermals,当流体含有多种尺度的不规则涡流，称之为湍流。这种涡流称为湍涡（eddies）当流体运动很平稳是，每一个湍涡的尺度迅速变小并逐渐消失（湍涡破碎），大湍涡的能量最终耗散为热能。湍流的主要特征是湍流运动时流体的主要的物理属性如速度、温度、压力等随时间和空间以随机的方式发生变化。,湍流的产生,机械湍流（mechanical Turbulence）热力湍流（thermal Turbulence）或对流湍流（convective turbulence）惯性湍流（inertial Turbulence）,机械湍流（mechanical Turbulence）,由风切变产生风切变产生的原因：地面摩擦力，地形建筑等障碍物的阻挡等。,热力湍流（thermal Turbulence）,Thermal or convective turbulence,also known as free convection,consists of plumes or thermals of warm air that rises and cold air that sinks due to buoyancy forces.Near the ground,the rising air is often in the form of intersecting curtains or sheets of updrafts,the intersections of which we can identify as plumes with diameters about 100 m.Higher in the boundary layer,many such plumes and updraft curtains merge to form larger diameter(1 km)thermals.For air containing sufficient moisture,the tops of these thermals contain cumulus clouds,惯性湍流（inertial Turbulence）,由大湍涡产生，湍流串级(turbulent cascade)Small eddies can also be generated along the edges of larger eddies,a process called the turbulent cascade,where some of the inertial energy of the larger eddies is lost to the smaller eddies,湍流的能谱（energy spectrum）,湍流能量(湍能）（Turbulence kinetic energy）(TKE),湍能是不保守的。由于分子粘性（molecular viscosity）大湍涡耗散成惯性湍流流（毫米尺度）。,9.1.2 Statistical description of turbulence 湍流的统计描述,不同高度处温度的时间序列,瞬时值（instantaneous valuev),扰动值,平均值,方差variance,速度方差基本不随时间变化，湍流是平稳的。速度方差在空间上是均匀的，即 湍流是各向同性的（isotropic）。,协方差,9.1.3 Turbulence kinetic energy and turbulence intensity 湍能和湍流强度,Turbulence kinetic energy，湍能，（TKE）,kinetic energy,Richardson number,Ri（理查逊数）,Laminar flow becomes turbulent when Ri drops below the critical value Ric=0.25.Flows for which Ric 0.25 are said to be dynamically unstable.Turbulent flow often stays turbulent,even for Richardson numbers as large as 1.0,but becomes laminar at larger values of Ri.The presence or absence of turbulence for 0.25 Ri 1.0 depends on the history of the flow:a ehavior is analogous to hysteresis.,9.1.4 Turbulent transport and fluxes湍流输送和通量,热通量（heat flux）,热通量大于零，热量向上输送。热通量小于零，热量向下输送。,9.1.5 Turbulence closure湍流闭合,建立关于平均量的大气运动和热力学方程组，称为雷诺平均方程（Reynolds averaging）,其中,令,湍流应力(也称为雷诺应力),边界层大气方程组中出现湍流应力、热通量等新的和湍流有关的变量，方程变得不闭合,如为求解热通量，列出关于热量的方程,出现三阶量,列出三阶量方程，则出现四阶量，,建立二阶量和平均量之间的关系，称为一阶闭合（first-order closure），梯度输送理论（gradient-transfer theory），K理论（K-theory），K闭合，混合长理论（mixing-length theory）,建立二阶量方程，同时建立三阶量和二阶均量之间的关系，称为二阶闭合（Second-order closure），建立三阶量方程，同时建立四阶量和三阶均量之间的关系，称为三阶闭合,局地闭合（local closure）和非局地闭合（non-local closure）,9.1.6 Turbulence Scales and Similarity Theory湍流尺度和相似理论,摩擦速度（friction velocity）,9.2 The surface Energy Balance表面能量平衡,9.2.1 Radiative fluxes（辐射通量）net radiation flux F（净辐射通量）,9.2.2 Surface energy balance over land,考虑无限薄层，没有热容量,FHs：sensible heat flux（感热通量、感热）FEs：latent heat flux（潜热通量、潜热）FGs：the conduction of heat down into the ground,(positive downward,away from the surface),(a)Daytime over a moist vegetated surface.(b)Nighttime over a moist vegetatedsurface.(c)Daytime over a dry desert.(d)Oasis effect during the daytime,9.2.3 The bulk aerodynamic formulae总体空气动力学公式,关于感热和潜热及土壤热通量的公式,Ts、Tair：表层土壤和空气温度。|V|：地面风速CH：热量的无量纲总体输送系数（dimensionless bulk transfer coefficient）,B：波恩比（Bowen ratio)，感热和潜热之比。B经常根据试验获得the Bowen ratio ranges from about 0.1 over tropical oceans,through 0.2 over irrigated crops,0.5 over grassland,5.0 over semi-arid regions,and 10 over deserts.,潜热通量,湿度通量,9.2.4 The Global Surface Energy Balance,9.2.4 The Global Surface Energy Balance,9.3 Vertical Structure 垂直结构,9.3.1 Temperature,绿色虚线：标准大气，黑色实线：实际大气,free atmosphere,entrainment zone,mixed layer,surface layer,capping inversion冠盖逆温,residual layer,geostrophic wind speed,stable boundary layer,9.3.3 Winds,the shape of the wind profile in the surface layer,zo：动力学粗糙度（aerodynamic roughness length）k=0.4：卡门常数（the von Karman constant）此公式在表面层（近地层）中近中性稳定度条件下适用，非中性条件下对上式有修正公式,(a)纵坐标为线性坐标(b)纵坐标为对数坐标,9.4.4 The Marine Boundary Layer,9.4.4 The Marine Boundary Layer,9.4.4 The Marine Boundary Layer,9.4.4 The Marine Boundary Layer,9.4.5 Stormy Weather,9.4.5 Stormy Weather,9.4.5 Stormy Weather,9.5 Special Effects9.5.1 Terrain effects,山谷风，Mountain-valley wind,Mountain and valley breeze,白天：上坡风 Anabatic wind 夜间：下坡风katabatic wind,在沿海地区低层大气中，白天风常从海上吹向陆 地(即海风)，夜间风从陆地吹向海洋(为陆 风)，这就是海陆风,海陆风sea-land breeze,白天,晚上,低层白天吹海风,低层夜间吹海风,海陆风环流,9.5.3 Forest canopy effects森林冠层效应,9.5.4.Urban effects城市效应,城市下垫面是一个人造的下垫面，其特点是人为的建筑面积占绝对优势，居民的生产、生活活动排放出大量废气和热量，在这些因素影响下，城市出现了与牧区显然不同的局地气候，称为城市气候。“城市热岛”、“城市干岛”、“城市雨岛”、“城市浑浊岛”。一般来说，城市愈大，人口密度越大，城市气候特征愈明显。,在城市中，由于人为以及环境等诸多因素的综合作用，致使城市温度高于其周围乡村的温度，象一个炎热的“岛屿”悬于大气之中，这种现象被称作城市“热岛效应”。城郊气温差即热岛强度。,城市热岛效应,城市热岛,城市热岛成因,城市下垫面的热容量常大于效区，夜间冷却降温比郊区缓慢。城市人为热源包括燃烧燃料释放的热量、人体散发的热量、交通运输排放、居民炉灶等。城市不透水的人为建筑覆盖度大、植物少，消耗于蒸发的热量减少（潜热较小）。市区风速减弱，减弱了热量的水平输送。城市上空污染物质多，产生了保温作用，增加了大气逆辐射。,城市干岛,城市空气的水汽压比郊区平均低0.30.7hPa，相对湿度低46%。,北京城、郊年平均相对湿度（%）分布图,由于城市上空存在大量凝结核，加上热岛效应以及城市粗糙表面的阻碍作用，气流作上升运动。因此，城市上空的云量和降水均比效区多。,城市雨岛,城市混浊岛,城市气象环境与自然环境下的郊区相比最基本的特征是城市中燃料燃烧时排放的烟尘、废气、汽车尾气等所造成的城市雾障。所谓雾障就是尘埃等污染物集合而成的，笼罩在城市上空的，一层灰蒙蒙的簿幕，使得城市能见度降低。城区大气混浊度大于郊区的现象称为“城市混浊岛”。用太阳散射辐射与直接辐射的比值来表示大气混浊度,北京城近郊区多年平均08时水平能见度（KM）分布图,北京城区19652000年逐年平均风速变化曲线,9.6 Advection,numerical prediction,and challenges,