什么是邊界層

1、什么是邊界層?廣義講:在流體介質(zhì)中,受邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及熱量和物質(zhì)交換影響最明顯的那一層流體。具體到大氣邊界層,是指受地球表面摩擦以及熱過(guò)程和蒸發(fā)顯著影響的大氣層。大氣邊界層厚度,一般白天約為1.0km,夜間大約在0.2km左右,地表提供的物質(zhì)和能量主要消耗和擴(kuò)散在大氣邊界層內(nèi)。大氣邊界層是地球-大氣之間物質(zhì)和能量交換的橋梁。全球變化的區(qū)域響應(yīng)以及地表變化和人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響均是通過(guò)大氣邊界層過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。什么是湍流?英文湍流為“turbulence”,日文為“亂流”，湍流簡(jiǎn)單定義:流體微團(tuán)進(jìn)行的有別于一般宏觀運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng),從宏觀上看,它沒(méi)有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)方向,但它能夠象分子運(yùn)動(dòng)一樣通過(guò)

2、其隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程有規(guī)律地傳遞物質(zhì)和能量。從1915年由Taylor提出大氣中的湍流現(xiàn)象到1959年P(guān)riestley2提出自由對(duì)流大氣湍流理論，可以說(shuō)，到20世紀(jì)50年代以前經(jīng)典的湍流理論基本上已經(jīng)形成。以后，湍流理論基本上再?zèng)]有出現(xiàn)大的突破。1905年Ekman3從地球流體力學(xué)角度提出了著稱于世的Ekman螺線，在此基礎(chǔ)上形成了行星邊界層的概念，他的基本觀點(diǎn)仍沿用至今。1961年,Blackadar4引入混合長(zhǎng)假定，用數(shù)值模式成功地得到了中性時(shí)大氣邊界層具體的風(fēng)矢端的螺旋圖象。行星邊界層的提出使人們認(rèn)識(shí)到了大氣邊界層在大氣中的特殊性和一些奇妙的規(guī)律。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，由于農(nóng)業(yè)、航空、大氣

3、污染和軍事科學(xué)的需要，掀起了大氣邊界層研究的高潮。1954年，Monin和Obukhov提出了具有劃時(shí)代意義的MoninObukhov相似性理論，建立了近地層湍流統(tǒng)計(jì)量和平均量之間的聯(lián)系。1982年,Dyer6等利用1976年澳大利亞國(guó)際湍流對(duì)比實(shí)驗(yàn)ITCE對(duì)其進(jìn)行完善使得該理論有了極大的應(yīng)用價(jià)值。1971年Wyngaard7提出了局地自由對(duì)流近似,補(bǔ)充了近地面層相似理論在局地自由對(duì)流時(shí)的空白。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，隨著大氣探測(cè)技術(shù)和研究方法的發(fā)展，特別是雷達(dá)技術(shù)，飛機(jī)機(jī)載觀測(cè)，系留氣球和小球探空觀測(cè)以及衛(wèi)星遙感和數(shù)值模擬等手段的出現(xiàn)，大氣邊界層的研究開(kāi)始從近地層向整個(gè)邊界層發(fā)展。簡(jiǎn)潔地概括

4、，對(duì)大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)研究貢獻(xiàn)最突出的是兩大野外實(shí)驗(yàn)和一個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，即澳大利亞實(shí)驗(yàn)的Wanggara和美國(guó)的Min-nesota實(shí)驗(yàn)以及Deardorff的大渦模擬實(shí)驗(yàn)。相似性理論是大氣邊界層氣象學(xué)中最主要的分析和研究手段之一，在建立了比較成熟的用于描述大氣近地面層的MoninObukhov相似性理論以后，人們開(kāi)始尋求類似的全邊界層的相似性理論。國(guó)際上，除Neuwstadt8、Shao等做了大量工作外，我國(guó)胡隱樵等以野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了局地相似性理論，并建立了各種局地相似性理論之間的關(guān)系。張強(qiáng)等還對(duì)局地相似性理論在非均勻下墊面近地面層的適應(yīng)性做了一些研究。自1895年雷諾平均方程建立以來(lái)，該方程組的

5、湍流閉合問(wèn)題是至今未解決的一個(gè)跨兩個(gè)世紀(jì)的科學(xué)難題。人們發(fā)展湍流閉合理論，以達(dá)到能夠數(shù)值求解大氣運(yùn)動(dòng)方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣的數(shù)值模擬。閉合理論有一階局地閉合理論即K閉合。1990年HoIt-sIag12在1972年理論框架的基礎(chǔ)上，用大渦模擬資料對(duì)K理論做了負(fù)梯度輸送的重大修正。為更精確地求解大氣運(yùn)動(dòng)方程，也為了滿足中小尺度模式，特別是大氣邊界層模式刻畫(huà)邊界層湍流通量和其它高階矩量的目的，高階湍流閉合技術(shù)也開(kāi)始被模式要求。由于大氣邊界層研究是以野外探測(cè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的科學(xué)，我國(guó)以往由于經(jīng)濟(jì)落后，無(wú)法得到第一手的實(shí)驗(yàn)資料，研究相對(duì)落后，與國(guó)外相比，總體上差距在20a左右，但我國(guó)學(xué)者在大氣邊界層

6、的研究中也有其特殊貢獻(xiàn):1940年周培源先生13提出的湍流應(yīng)力方程模式理論，被認(rèn)為是湍流模式理論開(kāi)始的標(biāo)志，這一工作奠定了他在國(guó)際湍流研究領(lǐng)域的崇高地位。蘇從先等在上世紀(jì)50年代給出的近地面層通量廓線與當(dāng)時(shí)國(guó)外同類研究同步，被國(guó)外學(xué)者稱為“蘇氏定律”，在上世紀(jì)80年代蘇從先等首次發(fā)現(xiàn)了干旱區(qū)邊界層的綠洲“冷島效應(yīng)”結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)70年代周秀驥16提出的湍流分子動(dòng)力學(xué)理論也很有獨(dú)特的見(jiàn)解。1981年周明煜17提出的大氣邊界層湍流場(chǎng)團(tuán)塊結(jié)構(gòu)是對(duì)湍流結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識(shí)。上世紀(jì)8090年代趙鳴18對(duì)邊界層頂抽吸作用的研究是對(duì)Charney一Eiassen公式的很好發(fā)展。在20世紀(jì)90年代的“黑河實(shí)驗(yàn)”中，胡隱

7、樵等和張強(qiáng)19首次發(fā)現(xiàn)了鄰近綠洲的荒漠大氣逆濕，并總結(jié)提出了綠洲與荒漠相互作用下熱力內(nèi)邊界層的特征等等。國(guó)內(nèi)外有關(guān)大氣邊界層和大氣湍流的專著已有數(shù)十本,其中,起里程碑作用的幾本專著對(duì)大氣邊界層的發(fā)展做出了特殊貢獻(xiàn)。1953年Sutton20著的微氣象學(xué)1973年Haugen21等著的微氣象學(xué)1984年P(guān)anofsky等22著的大氣湍流1988年StuII23著的邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論和1992年Gar-ratt24著的大氣邊界層等。國(guó)內(nèi)直到20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)大氣邊界層專著,較有代表性的是1990年趙鳴等25編著的邊界層氣象學(xué)教程。綜上所述,到上世紀(jì)70年代,對(duì)均勻下墊面大氣邊界層物理結(jié)構(gòu),基本有

8、了比較全面的認(rèn)識(shí),大氣邊界層基礎(chǔ)理論基本上已經(jīng)形成。從20世紀(jì)80年代到目前的20多年間,除了數(shù)值模擬水平和觀測(cè)技術(shù)等實(shí)驗(yàn)手段有較大提高外,大氣邊界層領(lǐng)域的工作,幾乎主要集中在解決大氣數(shù)值模式中邊界層和地表通量參數(shù)化問(wèn)題上,而在理論研究方面則顯得過(guò)于平靜。因此,最近20多年實(shí)際上是大氣邊界層研究領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)比較緩慢的時(shí)期。張強(qiáng)大氣邊界層氣象學(xué)研究綜述干旱氣象21(3)2003年9月74-781大氣邊界層物理學(xué)的發(fā)展湍流理論的產(chǎn)生和發(fā)展大氣邊界層氣象學(xué)是以湍流理論為基礎(chǔ)的,在湍流理論有了一定的發(fā)展之后才得以有邊界層氣象學(xué)的產(chǎn)生。早在1883年Reynolds首先在試驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了湍流1,隨后1904

9、年P(guān)landtl首先提出了湍流混合長(zhǎng)理論2,從而形成了最基本的湍流理論基礎(chǔ)。但地球大氣中的湍流現(xiàn)象直到1915年才由Taylor3首先提出，并開(kāi)始了最初的研究。湍流運(yùn)動(dòng)在大氣中的發(fā)現(xiàn)使這一特殊運(yùn)動(dòng)形式更加引起科學(xué)家們的重視。這以后,湍流理論的發(fā)展進(jìn)入了相對(duì)較快的階段。1935年Taylor4提出了湍流均勻各向同性理論，得到了表征湍流細(xì)微結(jié)構(gòu)的尺度，初步奠定了湍流統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)。隨后1938年Karman等推導(dǎo)出了著名的Karman-Howarth方程5,使湍流統(tǒng)計(jì)理論更加趨于成熟。1941年前蘇聯(lián)科學(xué)家Kol-mogorov6把量綱分析原理用于湍流研究，推導(dǎo)出了著名的結(jié)構(gòu)函數(shù)“2/3律”。很長(zhǎng)

10、一個(gè)時(shí)期，湍流研究是基本上不考慮熱力層結(jié)的,1959年P(guān)riestley7提出了自由對(duì)流大氣湍流理論?？梢哉f(shuō)，到20世紀(jì)50年代以前經(jīng)典的湍流理論基本上已經(jīng)形成，以后，湍流理論基本上再?zèng)]有出現(xiàn)大的突破。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，為了克服湍流研究所面臨的困境，人們?cè)噲D在湍流理論研究方法上開(kāi)辟新的途徑。1963年Lorenz8從微分方程計(jì)算了非周期軌道，使湍流發(fā)生機(jī)制的研究有了新的可能途徑。1971年,Ruelle9甘巴混沌理論等方法引入湍流研究，不過(guò)有些學(xué)者認(rèn)為用混沌理論來(lái)研究湍流有不適當(dāng)之處10。行星邊界層的提出1905年Ekman11從地球流體力學(xué)角度提出了著名的Ekman螺線,在此基礎(chǔ)上引伸

11、到大氣層,形成行星邊界層概念，它的基本觀點(diǎn)仍沿用至今。1961年,Blackadar12引入混合長(zhǎng)假定，用數(shù)值模式成功地得到了中性時(shí)大氣邊界層具體的風(fēng)矢端的螺線圖像。行星邊界層的提出使人們認(rèn)識(shí)到了大氣邊界層在大氣中的特殊性和一些奇妙的規(guī)律，但這個(gè)階段還沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到大氣邊界層的重要性，對(duì)其應(yīng)用價(jià)值也估計(jì)不足，所以當(dāng)時(shí)對(duì)大氣邊界層的研究并沒(méi)有形成氣候。近地層大氣物理規(guī)律的形成從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，隨著農(nóng)業(yè)、大氣污染和軍事科學(xué)的需要，開(kāi)始掀起大氣邊界層研究的高潮。由于對(duì)近地面層的研究需求最迫切，并且該層觀測(cè)相對(duì)也比較容易實(shí)現(xiàn)，因此大氣邊界的研究最初在近地層得到了優(yōu)先發(fā)展。1954年,Monin等

12、13提出了具有劃時(shí)代意義的Monin-Obukhov相似性理論。1971年,Businger等14利用美國(guó)Kansas試驗(yàn)資料得到了Monin-Obukhov相似性函數(shù)的具體形式,隨后在Dyer等151982年利用1976年澳大利亞國(guó)際湍流對(duì)比試驗(yàn)(ITCE)又做了完善。Monin-Obukhov相似性理論的提出和完善使近地面層觀測(cè)資料的分析和地表通量的計(jì)算有了得力的手段。1971年,Wyngaard16提出了局地自由對(duì)流1/3相似性律,補(bǔ)充了Monin-Obukhov近地面層相似性理論在局地自由對(duì)流時(shí)的不適應(yīng)性。大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)對(duì)非常理想的、水平均勻的、中性層結(jié)的大氣邊界層結(jié)構(gòu),Ek

13、man近似基本上可以描述，但實(shí)際大氣邊界層既不是均勻的,更不是中性的。并且由于各方面的需要,人們已逐漸不能滿足于僅對(duì)近地面層的認(rèn)識(shí);更主要的是大氣探測(cè)技術(shù)和研究方法此時(shí)已經(jīng)有了新的突破,特別是系留氣球、小球探空測(cè)、雷達(dá)觀測(cè)、飛機(jī)機(jī)載觀測(cè)及衛(wèi)星遙感反演和數(shù)值模擬等手段的相繼出現(xiàn),所以從70年代開(kāi)始，大氣邊界的研究開(kāi)始從近地面層向整個(gè)邊界層擴(kuò)展1971年,Clark等17用澳大利亞著名的Wang-gara觀測(cè)實(shí)驗(yàn)資料給出了實(shí)測(cè)的穩(wěn)定大氣邊界層氣象要素的典型空間分布特征。1976年,Kaima1等18根據(jù)美國(guó)Minnesota觀測(cè)實(shí)驗(yàn)資料又獲得了實(shí)測(cè)的自由對(duì)流大氣邊界層氣象要素的垂直分布結(jié)構(gòu)。198

14、3年的俄克拉何馬邊界層野外試驗(yàn)19用飛機(jī)觀測(cè)到了系統(tǒng)的大氣邊界層湍流量和其它高階量的空間分布。最近,以1987年的FIRE試驗(yàn)和1992年ASTEX試驗(yàn)為基礎(chǔ)逐步開(kāi)始了云和降水與邊界層的相互作用的研究20。在野外實(shí)驗(yàn)的同時(shí),大氣邊界層數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)也在這一期間取得了進(jìn)展。最具代表性的是19701974年Deardorff首次用大渦模擬技術(shù)研究了大氣邊界層,并且在對(duì)流和中性兩種情況下對(duì)Wanggara觀測(cè)資料進(jìn)行了實(shí)時(shí)模擬2123。1978年,Andre等24首次建立了可稱為真正意義上的大氣邊界層數(shù)值模式（三階閉合）,并對(duì)大氣邊界層的氣象要素分布和湍流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成功地模擬。雖然復(fù)雜下墊面的邊界層問(wèn)

15、題在早期研究中已有粗略涉及,但1982年Hunt等25首次比較全面地提出了一些對(duì)復(fù)雜地形下大氣邊界層特征的認(rèn)識(shí)。如果最簡(jiǎn)潔地概括,對(duì)大氣邊界層研究貢獻(xiàn)最突出的是兩大野外實(shí)驗(yàn)和一個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)即澳大利亞的Wanggara實(shí)驗(yàn)和美國(guó)的Minnesota實(shí)驗(yàn)以及Deardorff的大渦模擬實(shí)驗(yàn)。正是有了對(duì)大氣邊界層完整的認(rèn)識(shí),才形成如下的大氣邊界層的模型圖（圖1）。大氣邊界層相似性理論的建立相似性理論是邊界層氣象學(xué)中最主要的分析和研究手段之一2,在建立了比較成熟的用于描述大氣近地面層的Monin-Obukhov相似性理論以后，人們開(kāi)始尋求與其類似的全邊界層的相似性理論。1961年,Kazanskii等2

16、6創(chuàng)立了Rossby相似性理論,建立了近地層與邊界層之間的聯(lián)系。1970年Deardorff27提出了混合層相似性原理,緊接著1971年Wyngaard等16又將相似性原理進(jìn)一步推廣到了對(duì)流邊界層,從而構(gòu)成了應(yīng)用于對(duì)流邊界層的相似性原理。此后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),穩(wěn)定大氣邊界層的相似性理論一直是空白,這也在一定程度上影響了穩(wěn)定大氣邊界層的研究進(jìn)展。直到1984年Neuwstadt28建立了局地相似性理論，出現(xiàn)了試圖應(yīng)用于穩(wěn)定大氣邊界層的相似性原理。Shao等29認(rèn)為局地相似性的理論特點(diǎn)部分隱含了平流的影響,因此還嘗試將局地相似性理論應(yīng)用于存在平流的非均勻下墊面。胡隱樵等30以實(shí)驗(yàn)野外實(shí)驗(yàn)局地相似

17、性的理論,并建立了以上各種局地相似性理論之間的關(guān)系。張強(qiáng)等31還對(duì)局地相似性理論在非均勻下墊面近地面層的適應(yīng)性做了一些研究。大氣邊界層湍流閉合理論的發(fā)展自1895年雷諾平均方程建立以來(lái),該方程組的湍流閉合問(wèn)題是至今未解決的一個(gè)跨世紀(jì)的科學(xué)難題32。但人們?yōu)榱死美字Z平均方程來(lái)研究大氣問(wèn)題,采用了一系列參數(shù)化的湍流閉合技術(shù)來(lái)近似閉合雷諾平均方程。1932年,Prantdtl33首次根據(jù)湍流混合長(zhǎng)理論提出一階閉合方案即K閉合，這一方案經(jīng)過(guò)不斷完善和改進(jìn)至今在大尺度模式中被廣泛應(yīng)用,并且對(duì)其改進(jìn)的工作也一直沒(méi)有停止。K閉合是局地閉合理論，為了彌補(bǔ)K閉合對(duì)負(fù)梯度輸送等問(wèn)題的缺陷，對(duì)K閉合做了許多理論改

18、進(jìn)。1979年,Berkowicz等34根據(jù)大渦擴(kuò)散比小渦擴(kuò)散更加有效的假定提出了非局地閉合一譜擴(kuò)散理論，但這一理論未得到推廣。1984年,Stull等35根據(jù)大尺度渦能穿過(guò)有限距離輸送氣流的假定,研究出了非局地閉合過(guò)渡湍流理論,這一理論取得了比較廣泛的認(rèn)同。1990年,Holtslag等36用Moeng等得到的大渦模擬資料對(duì)K理論做了負(fù)梯度輸送的修正,它利用了非局地閉合的原理,但相對(duì)過(guò)渡湍流理論簡(jiǎn)單易行,在大尺度模式中得到較好應(yīng)用。為了滿足大氣中尺度模式特別是邊界層模式刻畫(huà)湍流通量和其它高階矩量的目的，高階湍流閉合技術(shù)開(kāi)始被模式要求。雖然在1951年前后Rot-ta37就提出了2階閉合方案,

19、但直到60年代末計(jì)算能力才達(dá)到應(yīng)用該閉合技術(shù)。1975年,Yamada等38建立用湍流動(dòng)能來(lái)參數(shù)化K系數(shù)的1.5階閉合方案,該閉合技術(shù)在方程不太繁雜的條件下兼顧了對(duì)高階矩的要求，因而被較廣泛接受。1978年,Andre利用四階矩準(zhǔn)正態(tài)近似和三階矩剪切近似假定首次建立并應(yīng)用了三階湍流閉合方案25。由于方程復(fù)雜和計(jì)算量過(guò)大,該閉合方案應(yīng)用并不是十分廣泛。對(duì)湍流機(jī)制的研究需要了解湍流更細(xì)微的結(jié)構(gòu),1973年,Deardorff23首次建立了不用一般湍流參數(shù)化的高分辨率的大渦數(shù)值模擬技術(shù),這一技術(shù)在模擬大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)時(shí)有一定優(yōu)勢(shì),并隨著計(jì)算條件的提升而逐漸興盛起來(lái)。國(guó)內(nèi)在大氣邊界層領(lǐng)域的主要貢獻(xiàn)國(guó)內(nèi)學(xué)者

20、對(duì)大氣邊界層的研究也有其特殊貢獻(xiàn)。1940年,周培源39提出的湍流應(yīng)力方程模式理論被認(rèn)為是湍流模式理論開(kāi)始的標(biāo)志,這一工作奠定了他在國(guó)際湍流研究領(lǐng)域的崇高地位。50年代蘇從先40給出的近地面層通量廓線關(guān)系是當(dāng)時(shí)的國(guó)際最新成果。周秀驥4170年代提出的湍流的分子動(dòng)力學(xué)理論有很獨(dú)到的見(jiàn)解。1981年周明煜42對(duì)大氣邊界層湍流場(chǎng)團(tuán)塊結(jié)構(gòu)的提出是對(duì)湍流結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識(shí)。80年代中期蘇從先等43首次發(fā)現(xiàn)了干旱區(qū)邊界層的綠洲“冷島效應(yīng)”。在90年代的“黑河試驗(yàn)”中,胡隱樵等44首次發(fā)現(xiàn)了臨近綠洲的荒漠大氣,并總結(jié)提出了綠洲與荒漠相互作用下熱力內(nèi)邊界層的特征。趙鳴45在8090年代對(duì)邊界層頂抽吸作用的研究是對(duì)C

21、harney-Eliassen公式的很好發(fā)展。大氣邊界層的總體發(fā)展現(xiàn)狀可以說(shuō),到20世紀(jì)70年代末,對(duì)均勻下墊面大氣邊界物理結(jié)構(gòu)基本有了比較全面的認(rèn)識(shí),大氣邊界層的基礎(chǔ)理論基本上已經(jīng)形成,所以邊界層物理學(xué)開(kāi)始作為氣象學(xué)的一門相對(duì)獨(dú)立的分支學(xué)科出現(xiàn)在學(xué)科舞臺(tái)。從20世紀(jì)80年代到目前的20年間,除了數(shù)值模擬水平和觀測(cè)技術(shù)等實(shí)驗(yàn)手段有較大提高以外,大氣邊界層領(lǐng)域的研究主要集中在解決大氣數(shù)值模式中邊界層和地表通量參數(shù)化問(wèn)題上,而在理論研究方面則顯得過(guò)于平靜。因此,最近20年實(shí)際上是大氣邊界層研究領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)比較緩慢的時(shí)期。氣候和數(shù)值預(yù)報(bào)研究的洶涌波浪幾乎淹沒(méi)了邊界層物理學(xué)本還幼嫩的身軀。張強(qiáng),胡隱樵

22、大氣邊界層物理學(xué)的研究進(jìn)展和面臨的科學(xué)問(wèn)題地球科學(xué)進(jìn)展16（4）2001年8月526-532大氣邊界層的動(dòng)力和熱力作用是形成城市大氣環(huán)境污染的重要因子。逆溫層和城市熱島環(huán)流的存在,會(huì)造成污染物質(zhì)的堆積,加劇城市近地面層的污染。城市邊界層的動(dòng)力熱力作用對(duì)模擬影響很大,要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)城市的空氣質(zhì)量,必須對(duì)邊界層各種物理過(guò)程有足夠的認(rèn)識(shí)。王欣卞林根逯昌貴北京市秋季城區(qū)和郊區(qū)大氣邊界層參數(shù)觀測(cè)分析氣候與環(huán)境研究8（4）2003年12月475-484城市熱島是在局地天氣條件和城市特征的下墊面及人為熱的共同作用形成的。下墊面是氣候形成的重要因素,它與空氣間存在著復(fù)雜的物質(zhì)交換和能量交換,又是下層空氣運(yùn)動(dòng)的邊界

23、面。市區(qū)下墊面的粗糙度比郊區(qū)大,蓄熱能力比郊區(qū)高,但儲(chǔ)藏水分的能力比郊區(qū)低,這對(duì)空氣的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等都有很大的影響。再加上城區(qū)人口密集,工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車行駛和居民生活排放了大量的人為熱和溫室氣體,使城區(qū)的能量平衡與郊區(qū)不同。楊玉華徐祥德翁永輝北京城市邊界層熱島的日變化周期模擬應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)14（1）20003年2月61-683面臨的主要問(wèn)題非均勻或復(fù)雜下墊面邊界層已經(jīng)研究的比較成熟的均勻下墊面大氣邊界層,是對(duì)實(shí)際大氣最粗略的近似,自然界中最普遍是非均勻下墊面和復(fù)雜下墊面。非均勻和復(fù)雜下墊面不僅造成大氣邊界層結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重大變化,而且給大氣模式中的邊界層參數(shù)化造成極大困難,自然界中的

24、非均勻或復(fù)雜下墊面可歸納為三大類。1)下墊面性質(zhì)非均勻分布。由于植被分布不均勻或土壤性質(zhì)變化的這種不均勻在自然界廣泛存在,最突出的有海陸分布、干旱區(qū)綠洲和湖泊分布等。這種非均勻不僅存在各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用,內(nèi)邊界層特征也是很顯著的。(2)地形起伏和山脈。這種復(fù)雜地形的作用使大氣邊界層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜,并且對(duì)如何確定大氣模式在這種網(wǎng)格點(diǎn)上的有效粗糙度也存在困難。(3)城市大氣邊界層。隨著城市面積不斷擴(kuò)大使得城市邊界層影響日益重要,并且隨著城市向高空發(fā)展,城市邊界層更加復(fù)雜,如城市冠層的輸送、建筑物阻力、尾流湍流、多重反射以及粗糙度的確定等都是當(dāng)今的難點(diǎn)問(wèn)題。特殊地區(qū)邊界層特征由于缺乏有效

25、的基本觀測(cè)資料,一些極端氣候區(qū)的邊界層的研究和認(rèn)識(shí)都還很不足,其中兩大區(qū)域值得我們注意。(1)干旱荒漠區(qū)的大氣邊界層特征。干旱區(qū)范圍廣泛,它通過(guò)邊界層對(duì)大氣的加熱作用與全球大多數(shù)區(qū)域有比較強(qiáng)的差異,這對(duì)氣候和大氣環(huán)流影響較大。然而,一方面國(guó)際上對(duì)干旱區(qū)邊界層研究還不夠充分,另一方面由于綠洲等引起的非均勻使干旱區(qū)邊界層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。(2)青藏高原高寒區(qū)邊界層特征。高原是全球最大的地形,它對(duì)大氣環(huán)流影響極大,邊界層過(guò)程的作用是很關(guān)鍵的,但目前對(duì)高原高寒區(qū)邊界層并沒(méi)有比較成熟的認(rèn)識(shí)。邊界層與云和降水的作用邊界層與云和降水的相互作用表現(xiàn)在多方面,從90年代起這方面的研究才剛開(kāi)始增加,所以很多問(wèn)題仍不清

26、楚,特別是積云和對(duì)流降水等中尺過(guò)程產(chǎn)生的中尺度通量如何在大氣邊界層中進(jìn)行參數(shù)化。在熱帶海洋上比較普遍存在對(duì)流性積云引起的大氣的非均勻,這是洋面大氣邊界層的難點(diǎn)問(wèn)題之一。模式中大氣邊界層湍流的合理參數(shù)化目前的大氣邊界層湍流參數(shù)化方案無(wú)論從理論上還是試驗(yàn)驗(yàn)證方面都不夠精細(xì),參數(shù)化的許多改進(jìn)主要是為了迎合結(jié)果的合理性和模式運(yùn)行的順利,而其本身的理論突破并不夠,如負(fù)梯度輸送問(wèn)題的參數(shù)化很可能不會(huì)像現(xiàn)在參數(shù)化中那樣簡(jiǎn)單。另外,非均勻下墊面之間非線性相互作用邊界層參數(shù)化中尚未解決的重要問(wèn)題。大氣湍流研究面臨的問(wèn)題(1)到目前為止我們對(duì)大氣湍流認(rèn)識(shí)到什么程度?事實(shí)上給湍流一個(gè)嚴(yán)格的定義都很困難。對(duì)大氣湍流從

27、最基礎(chǔ)理論另劈蹊徑的研究仍然是十分必要的。(2)湍流機(jī)制和湍流本質(zhì)研究如何突破?非線性動(dòng)力學(xué)真的能解決湍流的問(wèn)題嗎?這其中的疑點(diǎn)仍然很多。(3)間歇性湍流等一些特殊湍流問(wèn)題并沒(méi)有取得最終的結(jié)論,如何去進(jìn)一步深入?這至今仍困繞著我們。地氣之間界面的物質(zhì)和能量交換問(wèn)題(1)隨著地球系統(tǒng)科學(xué)的提出,大氣與陸地或海洋等其它系統(tǒng)的相互作用愈加引起人們的重視。全球變化通過(guò)大氣與地球表面相互作用來(lái)響應(yīng)和實(shí)現(xiàn),氣候異常也往往潛伏著地氣能量交換的異常表現(xiàn)。大氣邊界層是地氣之間的橋梁,在地氣相互作用中扮演著重要角色。為了能較好地表達(dá)地氣交換過(guò)程,發(fā)展邊界層研究的最新理論,及時(shí)建立大氣和海洋以及大氣和陸地的耦合過(guò)程

28、是十分必要的。(2)由于界面物理過(guò)程的復(fù)雜性,尤其由于陸面涉及生態(tài)、水文、地質(zhì)和人類活動(dòng)等多種過(guò)程因素,建立完善的大氣與陸地或大氣與海洋耦合過(guò)程比較困難。由于此,陸氣界面的交換甚至已發(fā)展成為一個(gè)相當(dāng)熱門的研究領(lǐng)域,即陸面過(guò)程研究。但目前陸面過(guò)程模式變得越來(lái)越復(fù)雜,引進(jìn)的不確定參數(shù)也不斷增加。我們會(huì)不會(huì)仍在層層參數(shù)的迷宮中打轉(zhuǎn)?難道陸面過(guò)程沒(méi)有簡(jiǎn)潔明了的的公式可以表達(dá)?張強(qiáng),胡隱樵大氣邊界層物理學(xué)的研究進(jìn)展和面臨的科學(xué)問(wèn)題地球科學(xué)進(jìn)展16（4）2001年8月526-532系留氣球（含風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、高度、比濕、位溫）,10Hz三維風(fēng)速和超聲虛溫的湍流觀測(cè)（CSAT3,探頭安裝高度為

29、3.5m）,10Hz水汽和二氧化碳的脈動(dòng)觀測(cè)（LICOR7500，探頭安裝高度為3.5m）,Bowen比（兩層干濕球溫度,干濕球高低層之間的高度差為2m）,輻射（含向上長(zhǎng)波輻射、向下長(zhǎng)波輻射、向上短波輻射、向下短波輻射）,土壤熱通量和6層土壤溫度（分別為地下1、5、10、20、40、80cm）。Bowen比、輻射、土壤熱通量及土壤溫度的數(shù)據(jù)記錄頻率為10分鐘1次。觀測(cè)期間,桃樹(shù)已落葉,地表以裸土為主。2005年的觀測(cè)項(xiàng)目及儀器型號(hào)、安裝高度、采樣頻率除系留氣球取消外,白洋淀地區(qū)非均勻大氣邊界層的綜合觀測(cè)研究實(shí)驗(yàn)介紹及近地層微氣象特征分析胡非洪鐘祥陳家宜等大氣科學(xué)30（5）2006年9月883-

30、893探空小球（含風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、高度）,10Hz三維風(fēng)速和超聲虛溫的湍流觀測(cè)（CSAT3,探頭安裝高度為12.0m）,10Hz水汽和二氧化碳的脈動(dòng)觀測(cè)（LICOR7500,探頭安裝高度為12.0m）,LAP3000低層大氣風(fēng)溫廓線儀，Bowen比（兩層干濕球溫度，干濕球高低層之間的高度差為2m。）,輻射觀測(cè)（含向上長(zhǎng)波輻射、向下長(zhǎng)波輻射、向上短波輻射、向下短波輻射）,土壤熱通量和4層土壤溫度（分別為地下1、5、10、20cm）。Bowen比、輻射、土壤熱通量及土壤溫度的數(shù)據(jù)記錄頻率為10分鐘1次。白洋淀地區(qū)非均勻大氣邊界層的綜合觀測(cè)研究實(shí)驗(yàn)介紹及近地層微氣象特征分析胡非洪鐘祥陳家宜等

31、大氣科學(xué)30（5）2006年9月883-893大氣邊界層探空實(shí)驗(yàn)采用北京大學(xué)最新研制的高精度溫濕度無(wú)線電探空測(cè)量系統(tǒng)。該探空儀與氣象臺(tái)站的常規(guī)探空儀相比,具有精度高、數(shù)據(jù)分辨率高、成本低等特點(diǎn),便于高密度的釋放;針對(duì)以往的單一濕度探空低空探測(cè)手段,增加了溫度探測(cè),使得大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征、邊界層高度確定更加明確。探空釋放次數(shù)為每天8次,其中在典型天氣條件下進(jìn)行每天10次的加密觀測(cè)。目前大氣邊界層濕度廓線測(cè)量主要有直接方法和遙感方法,其中直接測(cè)量手段主要是氣球攜帶無(wú)線電探空儀2,這種探測(cè)具有較好的高度分辨率和探測(cè)精度,為研究地表與大氣的動(dòng)量、熱量、水汽交換提供依據(jù)35。白洋淀位于河北省保定市，總面

32、積約366km2，是華北地區(qū)最大的濕地生態(tài)系統(tǒng)，年蒸發(fā)量1700多mm,對(duì)維護(hù)京津和華北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著重要的作用6。大氣邊界層溫濕度廓線測(cè)量采用了北京大學(xué)最新研制的高精度溫濕度無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng),配合經(jīng)緯儀測(cè)量手段獲取了陸地與水面兩種典型下墊面溫度、濕度、風(fēng)速探空資料。本文利用該資料研究白洋淀濕地地區(qū)陸面與水面上空溫度、濕度廓線特征,分析不同天氣條件下濕度廓線隨高度的變化規(guī)律,探討了水面對(duì)該地區(qū)大氣邊界層溫濕特征規(guī)律的影響和作用。白洋淀濕地夏末大氣邊界層溫濕廓線特征對(duì)比分析*劉新建張宏升宋星灼等北京大學(xué)學(xué)報(bào)43（1）2007年1月36-41觀測(cè)采用的系留氣艇探測(cè)系統(tǒng)均為美國(guó)大氣公司（Air）生

33、產(chǎn)。溫、濕度傳感器為熱敏電阻,風(fēng)傳感器為三杯風(fēng)速計(jì)和懸浮磁羅盤,氣壓傳感器為空盒式氣壓計(jì)。所有傳感器的信號(hào)由掛在氣艇下面的探測(cè)器發(fā)到地面接收機(jī),由計(jì)算機(jī)控制采集數(shù)據(jù)。北沙灘和建國(guó)門觀測(cè)點(diǎn)用的系留氣艇探測(cè)系統(tǒng)是TS-3A型，采樣頻率為20s。方莊和南郊觀測(cè)點(diǎn)分別用的是TS-5A和TS-2A型，采樣頻率分別為3.79s和10s。為了統(tǒng)一觀測(cè)精度,4套觀測(cè)系統(tǒng)同時(shí)在國(guó)家氣象局計(jì)量站分別進(jìn)行了干、濕溫度,風(fēng)速和氣壓的標(biāo)定和校準(zhǔn)。該探測(cè)系統(tǒng)雖然觀測(cè)精度較高,但在風(fēng)速大于10m/s天氣條件下難以進(jìn)行探測(cè)。本次觀測(cè)試驗(yàn)每天觀測(cè)8次,統(tǒng)一觀測(cè)時(shí)間為02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、1

34、7:00、20:00、23:00（北京時(shí)）。2個(gè)試驗(yàn)周期中4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)共計(jì)進(jìn)行了283次大氣廓線探測(cè)。梯度觀測(cè)系統(tǒng)、大氣廓線儀和聲雷達(dá)探測(cè)均為自動(dòng)連續(xù)采樣系統(tǒng),取得了2個(gè)周期中的每小時(shí)的連續(xù)資料。其探測(cè)原理見(jiàn)文獻(xiàn)8。卞林根程彥杰王欣等北京大氣邊界層中風(fēng)和溫度廓線的觀測(cè)研究應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)13（特）2002年1月13-25風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度及氣壓大氣廓線的觀測(cè)采用美國(guó)大氣（Air）公司生產(chǎn)的TS-3A型系留氣艇探測(cè)系統(tǒng)，每日進(jìn)行6次觀測(cè);太陽(yáng)總輻射和紫外輻射觀測(cè)采用美國(guó)EPPLEY公司的傳感器（PSP和UVB）,由采集器（DT60）每分鐘采集一次;湍流脈動(dòng)觀測(cè)采用美國(guó)YOUNG公司生產(chǎn)的超聲脈動(dòng)風(fēng)

35、溫儀（Model-81000）,采樣頻率為10Hz,可連續(xù)觀測(cè)三維風(fēng)速和脈動(dòng)溫度隨時(shí)間的變化。城區(qū)和郊區(qū)觀測(cè)儀器相同，儀器設(shè)備在試驗(yàn)前后均在中國(guó)氣象局計(jì)量站進(jìn)行了鑒定。王欣卞林根逯昌貴北京市秋季城區(qū)和郊區(qū)大氣邊界層參數(shù)觀測(cè)分析氣候與環(huán)境研究8（4）2003年12月475-484湍流運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)和能量垂直輸送的載體,湍流通量（動(dòng)量、感熱、潛熱和CO2通量等）是描述陸地與大氣之間物質(zhì)和能量交換大小的量1。早先由于受測(cè)量?jī)x器和觀測(cè)技術(shù)的限制,湍流通量大多根據(jù)慢響應(yīng)儀器的測(cè)量結(jié)果,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)理論間接計(jì)算?？焖夙憫?yīng)的三維超聲風(fēng)速儀和CO2/H2O紅外氣體分析儀24,實(shí)現(xiàn)了對(duì)湍流通量的直接測(cè)量,從而將人們對(duì)地

36、氣相互作用的定量認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新的水平,也使精確描述地氣間物質(zhì)和能量交換成為可能。渦動(dòng)相關(guān)法就是利用上述快速響應(yīng)儀器進(jìn)行脈動(dòng)觀測(cè)直接求取湍流通量的方法,因而也叫直接觀測(cè)法。最大的優(yōu)點(diǎn)是它不以相似理論為基礎(chǔ),不需要采用經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系式就能夠通過(guò)直接測(cè)量得到的湍流脈動(dòng)量求得湍流通量。這種觀測(cè)技術(shù)對(duì)湍流通量測(cè)量的有效性和精確性已經(jīng)在很多試驗(yàn)中得以論證。因此,渦動(dòng)相關(guān)法被廣泛應(yīng)用到大氣湍流通量的求解過(guò)程中去,同時(shí)它也成為空氣動(dòng)力學(xué)方法中普適函數(shù)求解的首選方法李英李躍清趙興炳青藏高原東部與成都平原大氣邊界層對(duì)比分析II近地層湍流特征高原山地氣象研究28（3）2008年9月8-14一種是GPS無(wú)線電探空儀;2

37、s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)（探側(cè)儀:Vdsal-aRS80GPS;接收機(jī):VdsalaDigiCORAIMW15）;另一種是系留氣球探空儀，1s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)（接收機(jī)：TMTsoundingprocessor,TYPE:SPS220T，發(fā)射裝置:RSS911;絞車:TTW111TMTWINCH）。這兩套設(shè)備均產(chǎn)自Vaisala公司，所不同的是無(wú)線電探空量程遠(yuǎn)，最咼可到達(dá)2X104m的咼空，同時(shí)探測(cè)儀上帶有GPS定位器,通過(guò)地面的GPS探頭可以準(zhǔn)確地知道氣球所在的位置,且受天氣情況（如大風(fēng)、陰雨天）干擾少，可以進(jìn)行各種天氣條件下的作業(yè)。而系留氣球探空是屬于低探空設(shè)備，量程一般在3000m以下,在遇有大風(fēng)等天氣條件很難作業(yè),但相比無(wú)線電探空,它比較容易控制上升速度，便于獲得邊界層內(nèi)連續(xù)、高精度的資料。呂雅瓊馬耀明李茂善等青藏高原納木錯(cuò)湖區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)分析高原氣象27（6）2008年12月1205-1210本次實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自制的UAT-1超聲風(fēng)速儀和北京大學(xué)研制的鎢錸絲溫度脈動(dòng)儀，在2m處