《大氣邊界層》課件

大氣邊界層大氣邊界層是指離地表最接近的一層大氣。它上下界限模糊,但在物理性質(zhì)和動(dòng)力過(guò)程上都有明顯特征,是大氣運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)輸送的主要場(chǎng)所。大氣邊界層的定義大氣邊界層大氣邊界層是指地表附近受地面摩擦和加熱作用影響最大的大氣層。湍流特性邊界層中存在強(qiáng)烈的湍流特性,這是distinguishing它與自由大氣的主要特點(diǎn)。垂直結(jié)構(gòu)邊界層具有明顯的垂直結(jié)構(gòu),可劃分為若干個(gè)不同的層次。大氣邊界層的重要性氣象預(yù)報(bào)大氣邊界層是影響天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素,了解邊界層結(jié)構(gòu)和變化對(duì)提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性至關(guān)重要。環(huán)境監(jiān)測(cè)邊界層決定了大氣環(huán)境中污染物的擴(kuò)散和沉降,是評(píng)估空氣質(zhì)量和污染狀況的重要依據(jù)。航空應(yīng)用邊界層的溫度、濕度和湍流對(duì)飛機(jī)的起降、航線選擇和燃油消耗等有直接影響。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)邊界層的溫濕條件和湍流信息,可用于指導(dǎo)農(nóng)作物的種植、灌溉和農(nóng)藥噴灑等管理。邊界層結(jié)構(gòu)和演變1邊界層高度大氣邊界層的高度從地表到約1-2公里不等2邊界層結(jié)構(gòu)包括表面層、混合層和輻射層3邊界層演變受太陽(yáng)加熱和地表各種因素影響而不斷變化大氣邊界層是地表以上高度最低的一層大氣,其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的日變化和季節(jié)變化。邊界層的高度、溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)等都會(huì)隨地表特征和太陽(yáng)輻射的變化發(fā)生相應(yīng)的變化。了解邊界層的演變規(guī)律對(duì)氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)非常重要。邊界層中的風(fēng)場(chǎng)地表風(fēng)場(chǎng)邊界層內(nèi)地表附近的風(fēng)場(chǎng)受到地表摩擦力的影響,呈現(xiàn)出明顯的垂直剪切。風(fēng)速隨高度增加而增大,方向也可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)。湍流影響邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致局部的風(fēng)速和風(fēng)向頻繁變化,影響風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)定性。湍流擾動(dòng)也會(huì)增強(qiáng)垂直混合,改變近地面的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。低層急流在某些特定條件下,邊界層內(nèi)可能出現(xiàn)垂直風(fēng)速剖面上的局部極大值,形成低層急流,這種現(xiàn)象對(duì)航空和風(fēng)能開發(fā)都有重要影響。邊界層中的溫度場(chǎng)邊界層中的溫度場(chǎng)是由許多因素共同決定的,包括地表的熱量傳輸、輻射通量、湍流對(duì)流等。溫度場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的分層特征,從地面到高空溫度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。溫度梯度的變化也直接影響著邊界層的熱力穩(wěn)定性和湍流強(qiáng)度,從而影響到邊界層中的物質(zhì)傳輸和能量交換。了解邊界層溫度場(chǎng)的特點(diǎn)對(duì)氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)都有重要意義。邊界層中的濕度場(chǎng)大氣邊界層內(nèi)的濕度分布反映了地表水汽交換和湍流輸送過(guò)程。垂直上,濕度從地表到邊界層頂部逐漸減小。水汽從地表蒸發(fā)后,被湍流向上輸送,在邊界層內(nèi)部形成濕度垂直梯度。該梯度受到邊界層發(fā)展過(guò)程、地表特征以及大氣環(huán)流的影響。水汽通量的時(shí)間和空間變化,也是邊界層濕度場(chǎng)的重要特征。這些變化對(duì)邊界層云量、霧、露的形成與發(fā)展都有重要影響。準(zhǔn)確描述邊界層濕度分布和演變,對(duì)于理解邊界層物理過(guò)程、預(yù)報(bào)天氣和污染物擴(kuò)散都至關(guān)重要。邊界層渦動(dòng)和湍流渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)大氣邊界層內(nèi)存在各種尺度的湍流渦動(dòng),從大型對(duì)流渦旋到小型紊亂渦旋,塑造了復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)。能量交換渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)是邊界層對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力,主導(dǎo)著熱量、動(dòng)量和濕度等量子在大氣中的垂直交換。尺度特征邊界層渦動(dòng)的尺度范圍從幾米到幾千米不等,對(duì)應(yīng)著從瞬間脈動(dòng)到長(zhǎng)時(shí)間平均的過(guò)程。測(cè)量挑戰(zhàn)對(duì)渦動(dòng)的精準(zhǔn)測(cè)量是邊界層研究的技術(shù)難點(diǎn),需要高時(shí)空分辨率的觀測(cè)手段。邊界層中的能量平衡大氣邊界層中的能量平衡是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及到多種熱量交換機(jī)制。主要包括來(lái)自太陽(yáng)的輻射、地表熱交換、湍流輸送以及地氣之間的潛熱和感熱交換。這些過(guò)程相互作用,共同決定了邊界層的溫度分布和結(jié)構(gòu)演變。熱量交換過(guò)程主要機(jī)理對(duì)邊界層的影響太陽(yáng)輻射地表吸收并向大氣輻射熱量引起地表和大氣層溫度差,驅(qū)動(dòng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)地表熱交換地表與大氣之間的感熱交換決定邊界層的溫度結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定度湍流輸送大氣中的湍流擾動(dòng)引起的熱量垂直輸送影響溫度、濕度等參數(shù)的垂直分布潛熱交換地表水分蒸發(fā)向大氣釋放潛熱調(diào)節(jié)邊界層內(nèi)部的溫濕度平衡地表通量和熱力學(xué)參數(shù)地表熱通量地表熱通量是描述熱量在地表和大氣之間交換的物理量。它反映了地表從太陽(yáng)獲得的熱量如何被大氣層吸收和傳輸。這一參數(shù)對(duì)理解能量平衡和氣候變化至關(guān)重要。動(dòng)量通量動(dòng)量通量表示風(fēng)速變化引起的地表與大氣之間的動(dòng)量交換。它決定了邊界層內(nèi)風(fēng)速的垂直分布,并影響邊界層的湍流特征。水汽通量水汽通量反映地表蒸發(fā)和植被蒸騰向大氣輸送的水汽量。這一過(guò)程是大氣水循環(huán)的重要組成部分,對(duì)邊界層濕度狀況和云雨形成有著重要影響。熱力學(xué)參數(shù)諸如氣溫、相對(duì)濕度、氣壓等熱力學(xué)參數(shù)的垂直分布,決定了邊界層的穩(wěn)定性和湍流強(qiáng)度,從而影響邊界層中污染物的擴(kuò)散和傳輸。邊界層中的化學(xué)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)邊界層內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),包括氣相反應(yīng)和表面反應(yīng)。這些反應(yīng)影響大氣成分的變化。污染物輸送邊界層內(nèi)部存在垂直和水平的污染物輸送過(guò)程,影響大氣質(zhì)量。需要深入研究這些過(guò)程。氣溶膠過(guò)程邊界層內(nèi)部發(fā)生的氣溶膠生成、轉(zhuǎn)化和沉降過(guò)程對(duì)環(huán)境質(zhì)量有重要影響,需要重點(diǎn)關(guān)注。大氣邊界層測(cè)量技術(shù)1遙感技術(shù)利用衛(wèi)星和雷達(dá)等遙感設(shè)備,可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)邊界層內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)。2探空技術(shù)發(fā)射氣球或無(wú)人機(jī)等,攜帶儀器垂直探測(cè)邊界層的垂直結(jié)構(gòu)和演變過(guò)程。3地面觀測(cè)在地面布置氣象觀測(cè)站,測(cè)量邊界層內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向等基本要素。上升氣流和下沉氣流1上升氣流由地表加熱引起的熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)2熱力上升氣流在夏季對(duì)流性降水過(guò)程中非常重要3動(dòng)力上升氣流由地形或其他因素引起的上升氣流下沉氣流則是由冷卻導(dǎo)致的垂直下沉運(yùn)動(dòng),通常與高壓系統(tǒng)和晴朗天氣相關(guān)聯(lián)。上升氣流和下沉氣流在形成云和降水、影響空氣污染擴(kuò)散等過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。了解它們的形成機(jī)理和特征對(duì)于氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)非常重要。地形對(duì)邊界層的影響地形阻礙山脈和丘陵等地形障礙會(huì)阻礙大氣邊界層的發(fā)展,導(dǎo)致風(fēng)速下降和湍流增強(qiáng)。地形引導(dǎo)谷地和峽谷能引導(dǎo)邊界層氣流,改變其流動(dòng)方向和強(qiáng)度。這會(huì)影響邊界層結(jié)構(gòu)和熱量交換。地形增強(qiáng)地形可以加強(qiáng)邊界層的垂直運(yùn)動(dòng),創(chuàng)造上升氣流和下沉氣流,進(jìn)而影響溫度、濕度和污染物分布。地形誘發(fā)地形的突然變化會(huì)誘發(fā)湍流和波動(dòng)現(xiàn)象,改變邊界層的動(dòng)力學(xué)和熱量結(jié)構(gòu)。城市邊界層的特點(diǎn)獨(dú)特微氣候城市邊界層受人類活動(dòng)和建筑物的顯著影響,形成獨(dú)特的城市微氣候,如城市熱島效應(yīng)和城市污染積累。湍流高度增加城市地表粗糙程度較高,導(dǎo)致邊界層內(nèi)湍流強(qiáng)度增強(qiáng),湍流高度增加。這影響著邊界層內(nèi)的物質(zhì)和能量輸送。氣流復(fù)雜多變建筑物的遮擋和街道走向等因素,使城市邊界層氣流變得復(fù)雜多變,在不同地點(diǎn)和時(shí)間表現(xiàn)不同。垂直交換加劇城市內(nèi)部熱源和污染源的存在,增強(qiáng)了邊界層內(nèi)的垂直交換過(guò)程,對(duì)污染物擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。海洋邊界層的特點(diǎn)穩(wěn)定性強(qiáng)海洋邊界層受海洋表面的大氣穩(wěn)定度影響較小,結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,變化緩慢。風(fēng)場(chǎng)獨(dú)特海洋邊界層中的風(fēng)場(chǎng)受海面粗糙度和溫度梯度的影響,表現(xiàn)出獨(dú)特的垂直分布特征。海浪影響大海面波浪對(duì)海洋邊界層內(nèi)部的動(dòng)量、熱量和水汽輸送過(guò)程有重要影響,是邊界層研究的關(guān)鍵因素。山谷邊界層的特點(diǎn)1復(fù)雜的地形山谷地形使得氣流流動(dòng)復(fù)雜多變,產(chǎn)生諸多湍流和局地環(huán)流。2熱力驅(qū)動(dòng)山谷邊界層的演變主要受地形加熱和冷卻的熱力作用驅(qū)動(dòng)。3垂直exchange山谷中的垂直換氣作用較強(qiáng),有利于物質(zhì)和能量的快速交換。4局地風(fēng)系山谷特有的山風(fēng)和谷風(fēng)循環(huán)對(duì)該區(qū)域的氣候有重要影響。農(nóng)業(yè)邊界層的特點(diǎn)微氣候調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)邊界層影響作物生長(zhǎng)所需的光、溫、濕度等微氣候條件。農(nóng)民能利用邊界層的特點(diǎn)調(diào)節(jié)農(nóng)田環(huán)境。物質(zhì)交換邊界層內(nèi)發(fā)生大量水、熱量、化學(xué)物質(zhì)的交換,影響著作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。特定特性農(nóng)業(yè)邊界層受作物高度、種植密度、地表覆蓋等因素影響,顯示出獨(dú)特的風(fēng)速剖面和溫度梯度。能量平衡邊界層中的能量平衡過(guò)程決定了農(nóng)田的微氣候特征,影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。邊界層與天氣系統(tǒng)的關(guān)系大氣環(huán)流大氣邊界層直接受到地表熱量、水分、動(dòng)量等交換過(guò)程的影響,從而影響大氣環(huán)流的形成和變化。天氣系統(tǒng)發(fā)展邊界層的溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)等條件直接影響低壓系統(tǒng)、鋒面、對(duì)流活動(dòng)等天氣系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。熱量和濕度輸送邊界層對(duì)熱量和水汽的垂直輸送對(duì)云系和降水的形成和發(fā)展起重要作用。動(dòng)量交換邊界層內(nèi)的湍流活動(dòng)影響了上層大氣的動(dòng)量交換,從而影響了上層風(fēng)場(chǎng)的特征。邊界層與污染物擴(kuò)散的關(guān)系邊界層影響擴(kuò)散過(guò)程大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特征直接影響著大氣污染物的擴(kuò)散過(guò)程,污染物是如何在邊界層內(nèi)進(jìn)行輸送和擴(kuò)散的。邊界層決定污染濃度邊界層的垂直結(jié)構(gòu)和熱力狀態(tài)決定了污染物在邊界層內(nèi)的濃度分布特征,從而影響了地面的污染程度。邊界層與化學(xué)反應(yīng)邊界層的溫度、濕度和湍流特征還會(huì)影響大氣中的光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,從而改變污染物的轉(zhuǎn)化和去除。大氣邊界層的數(shù)值模擬3+主要模型常用于邊界層數(shù)值模擬的主要模型包括PBL模型、LES模型和DNS模型。10+關(guān)鍵參數(shù)邊界層數(shù)值模擬需要精準(zhǔn)設(shè)定諸如地表特征、大氣狀況等10余個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。2K+文獻(xiàn)報(bào)道目前已有2000多篇學(xué)術(shù)論文報(bào)道了大氣邊界層數(shù)值模擬的研究成果。$100M投入經(jīng)費(fèi)政府和科研機(jī)構(gòu)每年在大氣邊界層數(shù)值模擬研究中投入近1億美元。邊界層參數(shù)化的方法基于物理過(guò)程的參數(shù)化這種方法嘗試從邊界層內(nèi)部的物理過(guò)程出發(fā),通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)描述邊界層中的湍流、熱量和動(dòng)量交換等過(guò)程。其優(yōu)點(diǎn)是可以更好地反映邊界層的物理特性?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化這種方法利用大量觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段,建立邊界層參數(shù)化關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是可以快速獲得參數(shù)化方案,適合于復(fù)雜的邊界層過(guò)程?；旌蠀?shù)化方法結(jié)合物理過(guò)程和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種方法,通過(guò)適當(dāng)?shù)募訖?quán)和融合,可以得到更加全面和準(zhǔn)確的邊界層參數(shù)化。這種方法能更好地捕捉邊界層的復(fù)雜特征。大氣邊界層的分類穩(wěn)定邊界層以溫度逆轉(zhuǎn)為主,垂直運(yùn)動(dòng)受到抑制。影響污染物擴(kuò)散和沉降。不穩(wěn)定邊界層受地面加熱影響,垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),有利于污染物擴(kuò)散。中性邊界層地面加熱和溫度逆轉(zhuǎn)的影響相互抵消,垂直運(yùn)動(dòng)較弱。穩(wěn)定和中性邊界層的特點(diǎn)穩(wěn)定邊界層在穩(wěn)定邊界層中,由于地表散熱作用,溫度逆轉(zhuǎn),湍流受到抑制,氣流較平穩(wěn),垂直運(yùn)動(dòng)較弱。常見于夜間和寒冷天氣。中性邊界層中性邊界層是指熱量交換過(guò)程對(duì)湍流狀況無(wú)明顯影響的邊界層。此時(shí)邊界層結(jié)構(gòu)依主要由機(jī)械湍流決定,具有較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)。層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由干燥對(duì)流層和穩(wěn)定層組成;中性邊界層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括湍流邊界層、緩沖層和對(duì)數(shù)層。不穩(wěn)定邊界層的特點(diǎn)強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定邊界層具有強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng),會(huì)產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)和湍流,有利于熱量和物質(zhì)的傳輸。熱量通量大地表向大氣釋放的熱量較多,地表和空氣溫差大,熱力對(duì)流強(qiáng)烈。速度剪切大由于存在強(qiáng)烈的熱力驅(qū)動(dòng),不穩(wěn)定邊界層具有較大的垂直速度剪切,有利于動(dòng)量混合。濕度梯度強(qiáng)烈水汽在邊界層內(nèi)的垂直分布不均勻,會(huì)產(chǎn)生較大的濕度梯度。邊界層的理論發(fā)展歷程早期理論1904年普朗特提出邊界層理論,開啟了邊界層研究的先驅(qū)之路。熱力學(xué)發(fā)展1940年代,泰勒等人將邊界層理論與熱力學(xué)相結(jié)合,提出了湍流邊界層理論。數(shù)值模擬1970年代,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,三維數(shù)值模擬成為研究邊界層的重要手段?，F(xiàn)代發(fā)展近年來(lái),邊界層理論與大氣物理、氣候模擬等多學(xué)科交叉融合,不斷深化。邊界層研究的前沿?zé)狳c(diǎn)大尺度模擬技術(shù)大氣邊界層涉及多尺度、多過(guò)程耦合,需要利用高性能計(jì)算機(jī)開發(fā)更準(zhǔn)確的大尺度數(shù)值模擬技術(shù)。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)新型遙感手段如衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等可提高對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)和參數(shù)的監(jiān)測(cè)能力,為模型驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐。邊界層對(duì)氣候的反饋探討邊界層對(duì)氣候變化的影響以及其與氣候系統(tǒng)之間的復(fù)雜反饋機(jī)制,是當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向。多尺度過(guò)程的耦合研究大氣邊界層與地表、湍流、化學(xué)過(guò)程等的相互作用,分析多尺度過(guò)程的協(xié)同機(jī)制。邊界層研究對(duì)氣候變化的意義1提高氣候模型精度邊界層過(guò)程是氣候模型的重要組成部分,研究有助于更準(zhǔn)確地模擬溫室氣體、水汽、熱量交換等,提高氣候預(yù)測(cè)能力。2分析極端天氣事件邊界層過(guò)程影響著極端天氣事件的發(fā)生,如熱浪、干旱、暴雨等,深入研究有助于應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的極端天氣。3改善碳排放評(píng)估邊界層內(nèi)的復(fù)雜熱量和物質(zhì)交換過(guò)程影響著碳匯和碳排放量,研究有助于更準(zhǔn)確評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響。4支持可持續(xù)發(fā)展邊界層研究促進(jìn)了對(duì)氣候-生態(tài)-社會(huì)系統(tǒng)的整體認(rèn)知,為氣候變化適應(yīng)和減緩提供科學(xué)依據(jù)。大氣邊界層在氣象服務(wù)中的應(yīng)用天氣預(yù)報(bào)大氣邊界層的狀態(tài)和演變直接影響天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。對(duì)邊界層的監(jiān)測(cè)和模擬是改善預(yù)