什么是边界层

什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。大气边界层厚度,一般白天约为 1.0km,夜间大约在 0.2km 左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。 什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。从 1915 年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到 1959 年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到 20 世纪50 年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。1905 年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的 Ekman 螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。1961 年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。从 20 世纪50 年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。1954 年, Monin 和 Obukhov[5]提出了具有划时代意义的 Monin—Obukhov 相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。1982 年,Dyer[6]等利用1976 年澳大利亚国际湍流对比实验 ITCE 对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。1971 年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。从 20 世纪70 年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现,大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。简洁地概括,对大气边界层物理结构研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验,即澳大利亚实验的Wanggara 和美国的 Min-nesota 实验以及 Deardorff 的大涡模拟实验。相似性理论是大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一,在建立了比较成熟的用于描述大气近地面层的Monin—Obukhov 相似性理论以后,人们开始寻...