邊界層理論與陸面過程11課程簡單介紹對流層下部有一層直接與下墊面作用，有摩擦（動力）、熱交換（熱力）、水汽交換等作用。22

大氣邊界層是指離地面1~2公里范圍的大氣層最底下的一個薄層，它是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次，它與天氣、氣候以及大氣環(huán)境研究有非常密切的關(guān)系。由于人類的生命和工程活動絕大多數(shù)都是發(fā)生在這一層次內(nèi)，所以大氣邊界層的研究又與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、以及城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護等緊密相關(guān)。動量、熱量、水分、物質(zhì)交換33第一部分：（大氣）邊界層理論

闡述大氣邊界層基本概念和介紹理論、方程的基礎(chǔ)上，講解大氣邊界層研究的的特征、規(guī)律，試圖給出大氣邊界層分析的一般方法。大氣邊界層概述大氣邊界層湍流基礎(chǔ)大氣邊界層（大氣湍流）的控制方程和穩(wěn)定性參數(shù)近地層氣象學(xué)及近地層相似理論（定常大氣邊界層）下墊面的能量平衡和熱力強迫地表湍流通量的計算方法非定常大氣邊界層（大氣邊界層）非均勻下墊面大氣邊界層大氣邊界層的數(shù)值模擬和邊界層參數(shù)化簡介課程講授計劃一55本部分重點介紹大氣邊界層物理最基本的內(nèi)容，包括大氣邊界層的特征，描述大氣邊界層的主要數(shù)學(xué)物理工具，大氣湍流理論，大氣邊界層的半經(jīng)驗相似理論、數(shù)值模擬等。參考書目：楊長新譯

RoladB.Stull《邊界層氣象導(dǎo)論》氣象出版社1991Stull,R.B.1988：Anintroductiontoboundarylayermeteorology

KluwerAcademicPublishersGarratt,J.R.1992：

Theatmosphericboundarylayer

CambridgeUniversityPress趙鳴等《邊界層氣象學(xué)教程》氣象出版社1991蔣維楣等《邊界層氣象學(xué)基礎(chǔ)》南京大學(xué)出版社1994趙鳴《大氣邊界層動力學(xué)》氣象出版社200466第二部分陸面過程

介紹陸面狀況的基本特征、陸面過程及陸氣相互作用的概念、原理；陸面參數(shù)化方案和陸面模擬的原理和方法。課程講授計劃二參考材料：孫菽芬

《陸面過程的物理、生化機理和參數(shù)化模型》氣象出版社2005

陸面過程概述陸面過程的重要性陸面過程參數(shù)化的主要內(nèi)容和陸面模式的發(fā)展陸面的能量平衡陸面的水分平衡陸面的其他過程（植被的生物物理、生物化學(xué)過程、積雪、凍土過程）代表性陸面模式介紹陸面過程模擬陸面過程研究的最新進展和動態(tài)77一、大氣邊界層的基本概念1、大氣邊界層的含義大氣邊界層：大氣與下墊面（陸地、海洋）之間形成的一個運動性質(zhì)特殊的區(qū)域。流體力學(xué)邊界層：99大氣的最低部分受地面影響的一層，平均厚度為地面以上1km范圍，以湍流運動為主要特征。大氣邊界層又稱行星邊界層，是指存在著連續(xù)性湍流的低層大氣：（1）湍流是邊界層大氣的主要運動形態(tài)，對地表面與大氣間的動量、熱量、水汽及其他物質(zhì)的輸送起著重要作用；（2）地球表面熱力強迫的日變化通過湍流混合擴散使得邊界層中氣象要素呈現(xiàn)日周期的循環(huán)。大氣邊界層(ABL)：Atmosphericboundarylayer行星邊界層(PBL)：Planetaryboundarylayer.大氣邊界層的定義：10102、大氣邊界層的主要特征：（1）大氣運動的湍流性大氣邊界層的主要運動形態(tài)一般是湍流：不規(guī)則性和脈動性。風(fēng)和氣流的三種主要形態(tài)：平均風(fēng)速波動湍流1111（2）大氣邊界層的日變化氣象要素的空間分布具有明顯的日變化（DiurnalCycle)1313下墊面的作用:表面加熱和冷卻的日循環(huán)引起熱力穩(wěn)定度的日變化，從而影響湍流混合和動量交換過程，進而邊界層中風(fēng)的分布。不穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（Wyngaard,1990)穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（Wyngaard,1990)1414邊界層結(jié)構(gòu)明顯的日變化15153、研究邊界層的意義（重要性）大氣邊界層研究與天氣、氣候、生態(tài)環(huán)境以及人類的生命和工程活動密切相關(guān)。大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過大氣后被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣；霜、露和最高最低溫度預(yù)報，實際上都是邊界層預(yù)報；霧發(fā)生在邊界層中；污染物大部分被阻擋在邊界層中；到達自由大氣的全部水汽，都是依靠邊界層輸送上去的；云中的凝結(jié)核也是通過邊界層輸送上去的；雷暴和颶風(fēng)的發(fā)展要依靠邊界層輸送濕的空氣；大約50％的大氣動能被耗散在邊界層中；海上大氣邊界層風(fēng)切變是海洋的主要能源之一…….1717三、大氣邊界層的分層、厚度和垂直結(jié)構(gòu)1.大氣邊界層的分層(1).粘性副層（微觀層）(2).近地層（常通量層）(3).Ekman層（上部摩擦層）1818大氣邊界層的分層(1).粘性副層（微觀層）：分子輸送過程處于支配地位，分子切應(yīng)力遠大于湍流切應(yīng)力。在這一層中，由分子輸送的熱通量可表示為：

其中，為分子熱擴散率（空氣的分子熱擴散率為210-5m/s）。典型的熱通量值為0.2Km/s，由此計算的溫度梯度為1.0104K/m，這相當于穿過1毫米厚的微觀層的溫差為10度。1919海洋上：由于海水上層強烈混合使海面溫度日變化很小。此外，海水熱容量大，海面溫度日變化不明顯，邊界層厚度變化十分緩慢。邊界層厚度的變化重要是由天氣、中尺度垂直運動和不同氣團平流引起的。

邊界層厚度的時空變化很大，空間范圍從幾百米到幾千米。2.大氣邊界層的厚度和結(jié)構(gòu)陸地上，邊界層具有輪廓分明、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。2121陸地高壓區(qū)邊界層主要包括三層：強湍流混合層、弱湍流殘留層和有分散湍流的夜間穩(wěn)定邊界層。（1）混合層：（2）殘留層：日落前半小時，湍流在混合層中衰減形成的空氣層，屬中性層結(jié)。（3）穩(wěn)定邊界層：夜間，與地面接觸的殘留層底部逐漸變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。其特點為在靜力穩(wěn)定大氣中有零散的湍流，雖然夜間近地面層風(fēng)速常常減弱或靜風(fēng)，但高空200m左右，風(fēng)卻由于低空急流或夜間急流能達到超地轉(zhuǎn)風(fēng)速。2222大氣邊界層的分類與特征不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層ConvectiveboundarylayerCBL,

混合層MixedlayerML）穩(wěn)定邊界層（Stableboundarylayer,Nocturnalboundarylayer）中性邊界層（Neutralboundarylayer）不同類型陸地邊界層的基本特征Occurredat**TurbulenceintensityEddyscaleprofilesCBLDaytimestronglargeSmallgradientSBLNighttimeweaksmallLargegradientBLNeutralWindydaymiddlemiddle23231970-1980?Introductionofresolved3DcomputermodelingofBLturbulence(large-eddysimulationorLES).Applicationofhigher-orderturbulenceclosuretheory.1980-1990?Majorfieldeffortsinstratocumulus-toppedboundarylayersandland-surface,vegetationparameterization.Meso-scalemodeling.1990-TheAgeofTechnology ?Newsurfaceremotesensingtools(lidar,cloudradar)andextensivespace-basedcoverageofsurfacecharacteristics; ?LESasatoolforimprovingparameterizationsandbridgingtoobservations. ?Coupledocean-atmosphere-ice-biosphereandmedium-rangeforecastmodelscreatestringentaccuracyrequirementsforBLparameterizations. ?Accuratemeso-scalemodelingforurbanairflow;couplingtoairpollution. ?Boundarylayer