大气边界层案例分析1.由下图分析晴天白天和夜间典型的风温垂直分布。
分析：大气边界层中温度层级起着重要作用，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中气象要素的垂直分布(廓线)。
图1.3.1是晴天白天和夜间典型的理想的风温垂直分布。
在贴近地面的薄气层内(近地层SL)，白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即是/0zθ<，风速则随高度递增。
再向上，在边界层的大部分范围内θ有一个不随高度变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。
其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减小，造成均匀分布。
在边界层以上的自由大气(FA)中，温度恢复为自由大气的递减率，位温则随高度而增，风则接近地转风速。
在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各气象要素由边界层值逐渐过渡到自由大气。
此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透边界层与自由大气间的逆温而进入自由大气。
同样，湍流、重力波等亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进行着边界层与自由大气间的各种交换。
典型夜间的风温廓线从图1.3.1可看出在地面附近有一个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T和θ上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成地面温度低于大气造成，在其上则是一个θ随高度变化很小的“残留层”(RL)，从成因来说，白天的对流边界层在夜间由于地面降温而在近地面形成逆温，但上部一段却保持着白天混合层的特征，使θ近于随高度不变，并且在残留层与自由大气间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地面脱离关系，其中湍流得不到发展的动力而逐渐衰减。
夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦力减小，风速与白天比得到加强，因而呈现出有最大风在某高度出现。
2.大气边界层是与人类活动关系最为密切的一层，大气边界层具有哪些基本特点？分析：大气边界层的基本特点有：（1）运动的湍流性大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。
自由大气中也有时有“晴空湍流”存在，但不像边界层中湍流是始终占主导地位的流动。
而边界层湍流运动也正是下垫面作用的结果。
在地表空气运动速度为零；在海面，海水流动速度相对于空气而言也是非常小，因而在海面也可以近似看成风速为零。
而在这个零风速与边界层某个高度处的某个风速之间就会形成巨大的风切变，即大的/uz。
从动力学角度来看，气候系统中最大的摩擦在大气的最低层，在地球表面附近形成很大的风速垂直速度。
根据湍流形成的条件，这种风速切变往往导致空气流动由层流状态向湍流状态转变的临界值。
所以湍流运动成为行星边界层内流动的主要特征。
这我们也可称为机械湍流，因为它纯由机械运动而形成。
地表与大气的一个重要物理性质的差别是其辐射特性。
地表白天强烈吸收日光辐射，使表面增温强烈，在地表与大气间形成一个强的超绝热的温度梯度，对做向上(向下)垂直运动的气块形成一个正(负)的净浮力，使垂直运动得到加速，加剧了湍流运动，此时温度层结是不稳定的。
夜间地表因长波辐射而剧烈降温，形成与白天相反的垂直温度梯度，造成与白天相反的净浮力，减弱垂直运动。
此时温度层结是稳定的。
这种由温度层结形成的湍流运动可称为热力湍流，它是大气所特有的。
由于下垫面的这种作用使得边界层内的温度垂直梯度远大于自由大气的温度垂直梯度，因而也造成了边界层内的强湍流。
因为湍流受层结强烈影响，因而边界层内的气象要素的时空分布—它是湍流运动的直接结果---也受层结的强烈影响，这是与自由大气不同的。
（2）受下垫面的影响巨大不同下垫面沙漠、土壤、植被、城市、水面等有不同的物理性质，它们的辐射性质、热容量、含水量、粗糙程度等均不相同，于是以后各自造成的对大气运动的动力影响及由于热力特性不同产生的不同温度状态及进而形成的不同层结状态就会造成不同的湍流，造成不同的边界层状态，因而下垫面的巨大影响是大气边界层的另一个重要特点。
（3）日变化明显上面讲过边界层中湍流受层结的巨大影响，而层结有明显的日变化，因而边界层中湍流也有明显的日变化，从而造成了大气边界层的结构及气象要素的空间分布也有明显的日变化，这是边界层的又一特点。
3.运动的湍流性是边界层中大气运动的重要特征，分析湍流的发展过程。
此处Re1是湍流运动的雷诺数，如果考虑到常数因子，则实际上Re1>Rec，湍流才能发展，Rec是某临界值。
设大气本身的雷诺数Re=VL/k很大，此处V和L分别是速度尺度和长度尺度，这时层流运动是不稳定的。
如果把湍流场分解为不同频率或不同大小的湍涡的叠加---数学上说，就是将湍流场按频率或波数作傅里叶展开---则可见能量是由尺度大的湍涡即低频涡向尺度小的高频涡传输。
从ε与l关系可见，l越小，ε越大，这样湍流在低频端获得能量而在高频端耗散。
上述分析是对机械湍流而言。
根据大气湍流场分析结果，机械湍流与热力湍流相比，热力湍流能量更集中于低频端，也就是说不稳定层结引起的热力湍流主要是大涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占主要地位。
4.大气边界层的研究越来越受到人们的重视，分析研究大气边界层有何实际意义。
分析：从大气动力学而言，大气边界层中的动力学过程及其与自由大气的相互作用是大气动力学中重要的组成部分，边界层中动力学过程的研究有助于对整个大气动力学过程的了解。
大气科学的一个重要应用是天气和气候的预测，当前数值模拟和预报已是大气预报的主流方向。
现在模式结构越来越细，动力学框架越来越精确，物理过程考虑得越来越全面，这就需要对边界层的描述更为精确，历史上对边界层模式的研究都很快被应用到大气的数值模式中。
与国民经济有关的很多问题都要用到边界层的研究成果，如农田小气候、水库建设、蒸发量估算、农田水利建设、防护林的营造、风能利用和土木建设中的风振、风压等问题都要应用大气边界层的研究成果。
因此，大气边界层在环保问题中有重要的应用。
从历史上讲，大气边界层的动力学正是在数值预报和环保问题这两个主要研究课题的推动下发展起来的。
现在大气模式越来越复杂，地气、海气耦合的模式，生物圈、水圈与大气圈耦合的模式也在蓬勃的发展之中，下垫面与大气间的耦合主要通过边界层，因此大气边界层的深入研究无疑在大气科学中占据了重要的地位，有着充分的发展前途。
5.由下图分析边界层的日变化。
分析：日出后由于地面受到太阳辐射的加热而增温，在近地面形成一个不稳定的超绝热层，湍流发展，使混合层形成，原来夜间的逆温层结被破坏，逐步形成白天层结。
日落后，地面由于长波辐射而冷却，在地面形成逆温层并向上发展，直到次日再重复。
如果把边界层看成是受地面影响的层次，则可见白天边界层的上界就应是混合层或夹卷层的上界，而夜间就是逆温层的上界。
实际上边界层厚度问题是一个很复杂的问题，典型的对流边界层由于层结曲线很清晰，其厚度很易定出；而稳定边界层比较难以定出，除了用逆温层顶，也可用风最大值高度等来确定边界层顶。
实用中还常用一些理论公式来计算。
注意不同层结稳定度下边界层高度的确定。
6.大气边界层研究历史、现状及未来分析介绍。
分析：大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科，大气边界层气象学的发展，不仅受到观测系统和探测技术的制约，也受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响，并随着它们的发展而发展。
大气边界层气象学是以湍流理论为基础的，研究大气和它下垫面(陆面和洋面)相互作用以及地球—大气之间物质和能量交换的一门新型气象学科分支。
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提出大气中的湍流现象到1959年Priestley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Min2nesota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，人们开始寻求类似的全边界层的相似性理论。
国际上，除Neuwstadt、Shao等做了大量工作外，我国胡隐樵等以野外实验验证了局地相似性理论，并建立了各种局地相似性理论之间的关系。
张强等还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。
自1895年雷诺平均方程建立以来，该方程组的湍流闭合问题是至今未解决的一个跨两个世纪的科学难题。
人们发展湍流闭合理论，以达到能够数值求解大气运动方程，实现对大气的数值模拟。
闭合理论有一阶局地闭合理论即K闭合。
1990年HoItsIag在1972年理论框架的基础上，用大涡模拟资料对K理论做了负梯度输送的重大修正。
为更精确地求解大气运动方程，也为了满足中小尺度模式，特别是大气边界层模式刻画边界层湍流通量和其它高阶矩量的目的，高阶湍流闭合技术也开始被模式要求。
由于大气边界层研究是以野外探测实验为基础的实验性很强的科学，我国以往由于经济落后，无法得到第一手的实验资料，研究相对落后，与国外相比，总体上差距在20a左右，但我国学者在大气边界层的研究中也有其特殊贡献:1940年周培源先生提出的湍流应力方程模式理论，被认为是湍流模式理论开始的标志，这一工作奠定了他在国际湍流研究领域的崇高地位。
苏从先等在上世纪50年代给出的近地面层通量廓线与当时国外同类研究同步，被国外学者称为“苏氏定律”，在上世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构。
上世纪70年代周秀骥提出的湍流分子动力学理论也很有独特的见解。
1981年周明煜提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认识。
上世纪80～90年代赵鸣对边界层顶抽吸作用的研究是对Charney—Eiassen公式的很好发展。
在20世纪90年代的“黑河实验”中，胡隐樵等和张强首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿，并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征等等。
国内外有关大气边界层和大气湍流的专著已有数十本，其中，起里程碑作用的几本专著对大气边界层的发展做出了特殊贡献。
1953年Sutton著的《微气象学》、1973年Haugen等著的《微气象学》、1984年Panofsky等著的《大气湍流》、1988年StuII著的《边界层气象学导论》和1992年Garratt著的《大气边界层》等。
国内直到20世纪90年代才出现大气边界层专著，较有代表性的是1990年赵鸣等编著的《边界层气象学教程》。
综上所述，到上世纪70年代，对均匀下垫面大气边界层物理结构，基本有了比较全面的认识，大气边界层基础理论基本上已经形成。
从20世纪80年代到目前的20多年间，除了数值模拟水平和观测技术等实验手段有较大提高外，大气边界层领域的工作，几乎主要集中在解决大气数值模式中边界层和地表通量参数化问题上，而在理论研究方面则显得过于平静。
因此，最近20多年实际上是大气边界层研究领域发展相对比较缓慢的时期。
而今，边界层气象学的发展方向已向非均匀下垫面、陆气海气相互作用，生态边界层等边缘学科方向渗透，并在各种尺度的大气模式，大气污染模式中得到越来越深入的发展和应用。
与此同时，用动力气象学观点研究大气边界层的规律正在兴起，这些不同方向的研究将共同促进大气边界层气象学这门学科的发展。
7.说明方程3311mmmnnmcmnnnmnAApBgfBtXXXτδερρ+=-+-+所表示的具体方程应该是怎么的？分析：根据求和应用规则：a．每当两个相同的指数出现在同一项中时，它总是意味着重复指数取每一个值（1，2，3）后对该项求和；b．每当一个指数在某一项中出现不求和（自由）时，那么同指数在该方程所有项中都必须不求和。
因此该方程就能有效地代表三个方程，用一个值就可以代替不求和指数的各个值。
首先对方程中等式左端的非线性项mnnABX，由于指数n在一项中出现了两次，这表示n分别去1、2、3然后三项相加，即123123mmmmnnAAAABBBBXXXX=++；其次对指数m由于在每项中均出现，表示该方程就有效地代表三个方程，即m分别去1、2、3。
最后，要知道01mnmnmnδ≠=+=，01321,213,132,1123,231,312,mnqmnqmnqε=-=+=当任何两个或两个以上指数相等时逆序（奇序）排列顺序（偶序）排列，运用以上规则即可写出上述方程的具体形式，即代表了三个方程，并且每个方程中的非线性项代表了三项相加（可参见运动方程）。
8.什么是闭合问题，闭合问题是怎么产生的，如何解决？就这些问题加以分析说明。
当然可以重复上面推导二阶矩方程的步骤，建立三阶矩的方程式，但在这些方程的右端必然有出现四阶矩。
这一问题十分重要，因为边界层内运动的湍流性是关键特征，它的变化是引起边界层结构变化的重要因子。
解决方法：使用一个有限数目的方程组，然后用已知量来近似未知量。
这种闭合近似或闭合假说是通过保留最高阶的预报方程命名的。
常用的闭合方案有：0阶闭合、1阶闭合、高阶闭合，非局地闭合等。
显然这样做等于不计湍流，因此在边界层问题中几乎不用，只在湍流运动不占重要地位的某些大气区域内使用。
此外，在某些求解析解的问题中，也用0阶闭合方案。
2）1阶闭合（K理论）这是用得最多的闭合方案，其理论根据是湍流运动与分子运动的相似性。
实际上湍流引起的物理量的输送与分子运动引起的输送机制并不完全相同，将分子运动的一套理论搬来用于研究湍流是缺乏严格的理论根据的，因而沿用分子输送的处理方法处理湍流问题虽然取得了一定的成功，但却也有不适用之处。
Km为湍流动量交换系数。
这种将湍流交换用分子交换同样的方法来处理的做法称为K理论，又因它带有一定的经验性，亦称半经验理论，它的好处是简单，缺点是理论基础不够，并不能普遍适用，对大气而言，在强不稳定层结时几乎不能用，因为不稳定时，湍流交换主要由“大涡”完成，而大涡的输送机制并不服从上面的规律。
但由于简单，它如今仍是用得最多的办法。
特别在大、中尺度大气模式中大部分用的都是这种一阶闭合方法，这种方法也称“局地闭合”，因方程中的微分是相应于一个很小范围内的梯度，是“局地”性的。
像不稳定大气中的大涡输送就不再是“局地”的了，这时就需要用“非局地闭合”来处理。
局部闭合：空间任一点的未知量是用同一点已知量的值和（或）梯度来参数化的。
一般为2、3阶闭合。
非局部闭合：空间任一点的未知量是用空间许多点的已知量的值和（或）梯度来参数化的。
基本是1阶闭合。
在1阶闭合下，得：如果Km已知，方程就闭合了。
湍流动量交换系数Km的大小与垂直速度脉动有关，并且还依赖于地面粗糙度、风速、温度层结和离地面的距离等。
通常应用的典型的湍流交换系数有三种：动量交换系数Km，热量交换系数Kh和水汽交换系数Kg。
三者具有相同的量级，但彼此不完全相等。
3）高阶闭合1阶闭合用了K理论，带有一定经验性，不带经验性的最好办法是直接写出二阶矩所服从的方程。
即写出二阶矩方程，但同时又引入三阶矩，依此类推可以有更高阶的闭合。
现今最多的也就是三阶闭合。
实用中二阶已足够。
4）非局地闭合K理论是局地闭合，高阶闭合实际上是一种非局地闭合，尽管在高阶闭合的一些闭合关系式中也有的仍用K理论的概念，但对于主要的二阶矩而言，是用的预报方程。
按照局地闭合的概念，通量或物理量的交换只发生在相邻两气层间。
有的处理就排除了上述做法，而认为物理量的交换不仅发生于相邻两气层间，也发生在与其他层次间，这就比较符合不稳边界层湍涡输送的实际过程。
像这样的处理方法就是非局地闭合，并已成功运用于边界层模式中。
9.说明理查逊数表示的意义，并比较各个理查逊数，在研究中如何判断平流和湍流。
分析：常用的稳定度参数有两类，一类是从湍流能量方程出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是以相似理论、量纲分析为基础，以Монии-Обухов(M-O)的相似理论最为完整。
如大气层结不稳定，热通量向上，则该项为正，表示阿基米德静浮力对空气微团作正功，增加微团的湍能；如层结稳定，热通量向下，该项为负，力作负功，减少湍能；中性，热力因子不起作用。
通量理查逊数Rf设略去湍流能量方程的其它各项，只保留以上两项。
Rf数定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即。