大氣邊界層案例分析大氣邊界層案例分析大氣邊界層案例分析1.由下圖分析晴天白天和夜間典型的風溫垂直分布。分析：大氣邊界層中溫度層級起著重要作用，層結的穩定與否決定了湍流的強弱，也就決定了邊界層中氣象要素的垂直分布(廓線)。圖1.3.1是晴天白天和夜間典型的理想的風溫垂直分布。在貼近地面的薄氣層內(近地層SL)，白天由于地面強烈受熱，形成貼近地面大氣中超絕熱溫度遞減率，而反映在位溫上，即是/0zθ??，即1’/Re1lvk=。此處Re1是湍流運動的雷諾數，如果考慮到常數因子，則實際上Re1Rec，湍流才能發展，Rec是某臨界值。說明：尺度大的擾動，由于Re1大，容易激發出湍流，也可以推論出，湍能來源主要是尺度較大的湍渦。設大氣本身的雷諾數Re=VL/k很大，此處V和L分別是速度尺度和長度尺度，這時層流運動是不穩定的。設激發出的具有較小尺度l而速度尺度’v的擾動仍使Re1Rec，則尺度l的湍流發展，并產生尺度更小的擾動，把能量輸送到尺度更小的湍渦中，如此發展。如果把湍流場分解為不同頻率或不同大小的湍渦的疊加數學上說，就是將湍流場按頻率或波數作傅里葉展開則可見能量是由尺度大的湍渦即低頻渦向尺度小的高頻渦傳輸。從ε與l關系可見，l越小，ε越大，這樣湍流在低頻端獲得能量而在高頻端耗散。上述分析是對機械湍流而言。根據大氣湍流場分析結果，機械湍流與熱力湍流相比，熱力湍流能量更集中于低頻端，也就是說不穩定層結引起的熱力湍流主要是大渦，當熱力湍流強盛時，脈動場的低頻部分占主要地位。4.大氣邊界層的研究越來越受到人們的重視，分析研究大氣邊界層有何實際意義。分析：從大氣動力學而言，大氣邊界層中的動力學過程及其與自由大氣的相互作用是大氣動力學中重要的組成部分，邊界層中動力學過程的研究有助于對整個大氣動力學過程的了解。大氣科學的一個重要應用是天氣和氣候的預測，當前數值模擬和預報已是大氣預報的主流方向。現在模式結構越來越細，動力學框架越來越精確，物理過程考慮得越來越全面，這就需要對邊界層的描述更為精確，歷史上對邊界層模式的研究都很快被應用到大氣的數值模式中。與國民經濟有關的很多問題都要用到邊界層的研究成果，如農田小氣候、水庫建設、蒸發量估算、農田水利建設、防護林的營造、風能利用和土木建設中的風振、風壓等問題都要應用大氣邊界層的研究成果。而作為環保問題的大氣污染防治問題更與大氣邊界層的研究息息相關，大氣污染防治中需要定量一定的污染源造成污染的時空分布，而這就需要知道邊界層的湍流狀態和大氣邊界層的運動規律。因此，大氣邊界層在環保問題中有重要的應用。從歷史上講，大氣邊界層的動力學正是在數值預報和環保問題這兩個主要研究課題的推動下發展起來的。現在大氣模式越來越復雜，地氣、海氣耦合的模式，生物圈、水圈與大氣圈耦合的模式也在蓬勃的發展之中，下墊面與大氣間的耦合主要通過邊界層，因此大氣邊界層的深入研究無疑在大氣科學中占據了重要的地位，有著充分的發展前途。5.由下圖分析邊界層的日變化。分析：日出后由于地面受到太陽輻射的加熱而增溫，在近地面形成一個不穩定的超絕熱層，湍流發展，使混合層形成，原來夜間的逆溫層結被破壞，逐步形成白天層結。日落后，地面由于長波輻射而冷卻，在地面形成逆溫層并向上發展，直到次日再重復。如果把邊界層看成是受地面影響的層次，則可見白天邊界層的上界就應是混合層或夾卷層的上界，而夜間就是逆溫層的上界。實際上邊界層厚度問題是一個很復雜的問題，典型的對流邊界層由于層結曲線很清晰，其厚度很易定出；而穩定邊界層比較難以定出，除了用逆溫層頂，也可用風最大值高度等來確定邊界層頂。實用中還常用一些理論公式來計算。注意不同層結穩定度下邊界層高度的確定。6.大氣邊界層研究歷史、現狀及未來分析介紹。分析：大氣邊界層氣象學是大氣科學中一門重要的基礎理論學科，大氣邊界層氣象學的發展，不僅受到觀測系統和探測技術的制約，也受到數學、物理學等基礎支撐學科發展水平的影響，并隨著它們的發展而發展。大氣邊界層氣象學是以湍流理論為基礎的，研究大氣和它下墊面(陸面和洋面)相互作用以及地球—大氣之間物質和能量交換的一門新型氣象學科分支。什么是湍流?英文湍流為“turbulence”，日文為“亂流”，湍流簡單定義:流體微團進行的有別于一般宏觀運動的不規則的隨機運動，從宏觀上看，它沒有穩定的運動方向，但它能夠象分子運動一樣通過其隨機運動過程有規律地傳遞物質和能量。從1915年由Taylor提出大氣中的湍流現象到1959年Priestley提出自由對流大氣湍流理論，可以說，到20世紀50年代以前經典的湍流理論基本上已經形成。以后，湍流理論基本上再沒有出現大的突破。1905年Ekman從地球流體力學角度提出了著稱于世的Ekman螺線，在此基礎上形成了行星邊界層的概念，他的基本觀點仍沿用至今。1961年，Blackadar引入混合長假定，用數值模式成功地得到了中性時大氣邊界層具體的風矢端的螺旋圖象。行星邊界層的提出使人們認識到了大氣邊界層在大氣中的特殊性和一些奇妙的規律。從20世紀50年代開始，由于農業、航空、大氣污染和軍事科學的需要，掀起了大氣邊界層研究的高潮。1954年，Monin和Obukhov提出了具有劃時代意義的Monin—Obukhov相似性理論，建立了近地層湍流統計量和平均量之間的聯系。1982年，Dyer等利用1976年澳大利亞國際湍流對比實驗ITCE對其進行完善，使得該理論有了極大的應用價值。1971年Wyngaard提出了局地自由對流近似，補充了近地面層相似理論在局地自由對流時的空白。從20世紀70年代開始，隨著大氣探測技術和研究方法的發展，特別是雷達技術，飛機機載觀測，系留氣球和小球探空觀測以及衛星遙感和數值模擬等手段的出現，大氣邊界層的研究開始從近地層向整個邊界層發展。簡潔地概括，對大氣邊界層物理結構研究貢獻最突出的是兩大野外實驗和一個數值實驗，即澳大利亞實驗的Wanggara和美國的Min2nesota實驗以及Deardorff的大渦模擬實驗。相似性理論是大氣邊界層氣象學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Monin—Obukhov相似性理論以后，人們開始尋求類似的全邊界層的相似性理論。國際上，除Neuwstadt、Shao等做了大量工作外，我國胡隱樵等以野外實驗驗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系。張強等還對局地相似性理論在非均勻下墊面近地面層的適應性做了一些研究。自1895年雷諾平均方程建立以來，該方程組的湍流閉合問題是至今未解決的一個跨兩個世紀的科學難題。人們發展湍流閉合理論，以達到能夠數值求解大氣運動方程，實現對大氣的數值模擬。閉合理論有一階局地閉合理論即K閉合。1990年HoItsIag在1972年理論框架的基礎上，用大渦模擬資料對K理論做了負梯度輸送的重大修正。為更精確地求解大氣運動方程，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，高階湍流閉合技術也開始被模式要求。由于大氣邊界層研究是以野外探測實驗為基礎的實驗性很強的科學，我國以往由于經濟落后，無法得到第一手的實驗資料，研究相對落后，與國外相比，總體上差距在20a左右，但我國學者在大氣邊界層的研究中也有其特殊貢獻:1940年周培源先生提出的湍流應力方程模式理論，被認為是湍流模式理論開始的標志，這一工作奠定了他在國際湍流研究領域的崇高地位。蘇從先等在上世紀50年代給出的近地面層通量廓線與當時國外同類研究同步，被國外學者稱為“蘇氏定律”，在上世紀80年代蘇從先等首次發現了干旱區邊界層的綠洲“冷島效應”結構。上世紀70年代周秀驥提出的湍流分子動力學理論也很有獨特的見解。1981年周明煜提出的大氣邊界層湍流場團塊結構是對湍流結構的新認識。上世紀80～90年代趙鳴對邊界層頂抽吸作用的研究是對Charney—Eiassen公式的很好發展。在20世紀90年代的“黑河實驗”中，胡隱樵等和張強首次發現了鄰近綠洲的荒漠大氣逆濕，并總結提出了綠洲與荒漠相互作用下熱力內邊界層的特征等等。國內外有關大氣邊界層和大氣湍流的專著已有數十本，其中，起里程碑作用的幾本專著對大氣邊界層的發展做出了特殊貢獻。1953年Sutton著的《微氣象學》、1973年Haugen等著的《微氣象學》、1984年Panofsky等著的《大氣湍流》、1988年StuII著的《邊界層氣象學導論》和1992年Garratt著的《大氣邊界層》等。國內直到20世紀90年代才出現大氣邊界層專著，較有代表性的是1990年趙鳴等編著的《邊界層氣象學教程》。綜上所述，到上世紀70年代，對均勻下墊面大氣邊界層物理結構，基本有了比較全面的認識，大氣邊界層基礎理論基本上已經形成。從20世紀80年代到目前的20多年間，除了數值模擬水平和觀測技術等實驗手段有較大提高外，大氣邊界層領域的工作，幾乎主要集中在解決大氣數值模式中邊界層和地表通量參數化問題上，而在理論研究方面則顯得過于平靜。因此，最近20多年實際上是大氣邊界層研究領域發展相對比較緩慢的時期。而今，邊界層氣象學的發展方向已向非均勻下墊面、陸氣海氣相互作用，生態邊界層等邊緣學科方向滲透，并在各種尺度的大氣模式，大氣污染模式中得到越來越深入的發展和應用。與此同時，用動力氣象學觀點研究大氣邊界層的規律正在興起，這些不同方向的研究將共同促進大氣邊界層氣象學這門學科的發展。7.說明方程3311mmmnnmcmnnnmnAApBgfBtXXXτδερρ????+=-+-+????所表示的具體方程應該是怎么的？分析：根據求和應用規則：a．每當兩個相同的指數出現在同一項中時，它總是意味著重復指數取每一個值（1，2，3）后對該項求和；b．每當一個指數在某一項中出現不求和（自由）時，那么同指數在該方程所有項中都必須不求和。因此該方程就能有效地代表三個方程，用一個值就可以代替不求和指數的各個值。首先對方程中等式左端的非線性項mnnABX??，由于指數n在一項中出現了兩次，這表示n分別去1、2、3然后三項相加，即123123mmmmnnAAAABBBBXXXX????=++????；其次對指數m由于在每項中均出現，表示該方程就有效地代表三個方程，即m分別去1、2、3。最后，要知道01mnmnmnδ≠?=?+=?，01321,213,132,1123,231,312,mnqmnqmnqε??=-=??+=?當任何兩個或兩個以上指數相等時逆序（奇序）排列順序（偶序）排列，運用以上規則即可寫出上述方程的具體形式，即代表了三個方程，并且每個方程中的非線性項代表了三項相加（可參見運動方程）。8.什么是閉合問題，閉合問題是怎么產生的，如何解決？就這些問題加以分析說明。分析：通過推導，得到如下形式的平均量方程和二階矩方程：在以上導出描寫邊界層運動的平均運動的控制方程組時，清楚地看到這些方程內出現了由湍流脈動量組成的統計量，例如()ijjuux’’?-?，jjuxθ’’??項。于是，方程所包括的未知量超過了方程的個數，必須要給出ijuu’’和juθ’’項，方程組才能求解。然而，當我們建立起有關二階相關矩ijuu和ju方程時，方程中又出現了脈動量的三階相關矩。當然可以重復上面推導二階矩方程的步驟，建立三階矩的方程式，但在這些方程的右端必然有出現四階矩。依此類推，但建立第n階相關矩方程時，將出現n+1階相關矩項。故為使方程閉合可解，必須針對所研究的問題需要，在某階相關矩方程處截斷。所謂閉合問題實質上是研究在哪階相關矩處截斷以及如何用有關參數來表征方程中出現的更高一階的相關矩。這一問題十分重要，因為邊界層內運動的湍流性是關鍵特征，它的變化是引起邊界層結構變化的重要因子。解決方法：使用一個有限數目的方程組，然后用已知量來近似未知量。這種閉合近似或閉合假說是通過保留最高階的預報方程命名的。常用的閉合方案有：0階閉合、1階閉合、高階閉合，非局地閉合等。1）0階閉合這是最簡單的閉合方案，即不計湍流脈動相關矩項。顯然這樣做等于不計湍流，因此在邊界層問題中幾乎不用，只在湍流運動不占重要地位的某些大氣區域內使用。此外，在某些求解析解的問題中，也用0階閉合方案。2）1階閉合（K理論）這是用得最多的閉合方案，其理論根據是湍流運動與分子運動的相似性。實際上湍流引起的物理量的輸送與分子運動引起的輸送機制并不完全相同，將分子運動的一套理論搬來用于研究湍流是缺乏嚴格的理論根據的，因而沿用分子輸送的處理方法處理湍流問題雖然取得了一定的成功，但卻也有不適用之處。理論中，如分子內摩擦、分子熱傳導等問題中，一個基本思路是由分子運動引起的通量正比于物理量的梯度，例如分子運動引起的熱傳導，其熱通量正比于溫度梯度，而其比例系數即分子熱傳導系數K：pHcKρθ=-?，如果認為湍流熱輸送與分子相似，那么也可寫出有湍流一起的熱通量是：’’piphcuHcKρθρθ==-?，Kh為湍流熱傳導系數，或湍流熱量交換系數，由于湍流輸送遠快于分子輸送，故hKK。對鉛直湍流熱通量’’pHcwρθ=，可得’’hwKzθθ?=-?。相似地對動量通量’’xuwτρ=-，可得’’xmuuwKzτρρ?=-=?。Km為湍流動量交換系數。這種將湍流交換用分子交換同樣的方法來處理的做法稱為K理論，又因它帶有一定的經驗性，亦稱半經驗理論，它的好處是簡單，缺點是理論基礎不夠，并不能普遍適用，對大氣而言，在強不穩定層結時幾乎不能用，因為不穩定時，湍流交換主要由“大渦”完成，而大渦的輸送機制并不服從上面的規律。但由于簡單，它如今仍是用得最多的辦法。特別在大、中尺度大氣模式中大部分用的都是這種一階閉合方法，這種方法也稱“局地閉合”，因方程中的微分是相應于一個很小范圍內的梯度，是“局地”性的。像不穩定大氣中的大渦輸送就不再是“局地”的了，這時就需要用“非局地閉合”來處理。局部閉合：空間任一點的未知量是用同一點已知量的值和（或）梯度來參數化的。一般為2、3階閉合。非局部閉合：空間任一點的未知量是用空間許多點的已知量的值和（或）梯度來參數化的。基本是1階閉合。在1階閉合下，得：如果Km已知，方程就閉合了。湍流動量交換系數Km的大小與垂直速度脈動有關，并且還依賴于地面粗糙度、風速、溫度層結和離地面的距離等。通常應用的典型的湍流交換系數有三種：動量交換系數Km，熱量交換系數Kh和水汽交換系數Kg。三者具有相同的量級，但彼此不完全相等。3）高階閉合1階閉合用了K理論，帶有一定經驗性，不帶經驗性的最好辦法是直接寫出二階矩所服從的方程。即寫出二階矩方程，但同時又引入三階矩，依此類推可以有更高階的閉合。現今最多的也就是三階閉合。實用中二階已足夠。4）非局地閉合K理論是局地閉合，高階閉合實際上是一種非局地閉合，盡管在高階閉合的一些閉合關系式中也有的仍用K理論的概念，但對于主要的二階矩而言，是用的預報方程。按照局地閉合的概念，通量或物理量的交換只發生在相鄰兩氣層間。有的處理就排除了上述做法，而認為物理量的交換不僅發生于相鄰兩氣層間，也發生在與其他層次間，這就比較符合不穩邊界層湍渦輸送的實際過程。像這樣的處理方法就是非局地閉合，并已成功運用于邊界層模式中。9.說明理查遜數表示的意義，并比較各個理查遜數，在研究中如何判斷平流和湍流。分析：常用的穩定度參數有兩類，一類是從湍流能量方程出發，以理查孫數Ri為代表；另一類是以相似理論、量綱分析為基礎，以Монии-Обухов(M-O)的相似理論最為完整。湍能方程：右端①②項表示脈動流場從平均流場提取的動能，即單位質量空氣微團在單位時間內通過湍流應力由平均運動動能轉化為脈動動能的湍能增益率。在近地層不考慮平均風向隨高度的變化，選擇平均風向為x軸方向，則有u0v0≠=，，故②項為零，只存在①項’’uwzu?-?。③項’’0wgTθ代表脈動運動中阿基米德靜浮力對運動的空氣微團的做功率。如大氣層結不穩定，熱通量向上，則該項為正，表示阿基米德靜浮力對空氣微團作正功，增加微團的湍能；如層結穩定，熱通量向下，該項為負，力作負功，減少湍能；中性，熱力因子不起作用。通量理查遜數Rf設略去湍流能量方程的其它各項，只保留以上兩項。Rf數定義為熱力湍能產生率的負值與機械湍能產生率之比，即2*’pfgHgwTcTRuuuwuzzθρ’=-=-??’’-??靜力不穩定時：Rf0，表示熱力作用減弱湍能。無論如何，Rf的絕對值越大，熱力作用越強。梯度理查遜數RiRf雖然物理概念清楚，但是其中含有脈動量的協方差(‘‘,’’wuwθ-)，直接測量比較困難，應用很不方便。于是引入用平均風、溫度梯度表示的梯度理查遜數Ri。由湍流半經驗理論(K理論)，有：’’()()’’hhdmTwKKzzuuwKzθθγ??-==+???-=?代入Rf得：i22()’RhhhfmmmgKwKKggzzTRuuuTKTKuwKzzzθθθ??’??=-===???’’-???（）（）定義梯度理查遜數Ri：di22TzRggzuuTTzzθγ??+??==????（）（）Ri數的好處是可由溫度和風速的梯度計算，即只要有溫、風的梯度觀測，即可算得。Ri的符號與Rf是一致的，穩定層結均為正值，不穩定層結均為負值，中性時皆為零。二者關系：iffiRRRRmhhmKKKK==實用中梯度理查遜數Ri的差分形式：2221i121212*********211212111lnlnzzlnzzRz)[]()1()()()lnlnzln(ln)TTu,RizRiddzTzgggTzzzzuuTTTuzzzzzzzzTuuzθγγ??+???====+??????=-?=-=此處，，是的函數。由上式計算出的數表Ri。總體理查遜數RbRi好處是它可以代表某一高度的穩定度，但如果平均風場、溫度場的的觀測數據精度不高，則由此計算的風、溫度梯度，特別是分母的風梯度平方，會引起較大的誤差，并且計算中的差分取對數畢竟麻煩，如果取線性差分，便不能代表某一高度，而只能代表z2和z1高度間的總體穩定度狀況，這邊是總體理查遜數Rb，兩個高度中一個常取為地面，設z處與地面處位溫差為△θ，因地面風為零，設z處風為u，則0～z間的Rb數：b2gRzTuθ?=Rb數由于簡單，在實用中也很有用。理查孫數臨界值Ric。理查遜數表示了穩定度，亦即熱力作用和動力作用的相對大小，理查遜數小于零，湍流肯定發展，因為熱力和動力因子均使湍流增強；當理查遜數大于零，湍流發展狀況要看熱力和動力的綜合作用，此時熱力作用恒使湍流衰減，而動力作用使湍流增強，湍流存在或發展就依賴兩者作用的大小。把區分湍流和層流狀態的理查遜數稱臨界理查遜數。RiRic，流動是層（片）流。10.根據下圖分析各種穩定度層結下風隨高度的變化。分析：非中性層結的大氣，由于受熱力因子的作用，湍流結構要發生相應的變化。氣象要素的鉛直分布受大氣穩定度影響也會發生相應的變化。以風速為例，平均風廓線，在平坦、均一的下墊面上，中性層結時呈對數分布，在單對數坐標系為直線形式，如圖所示。非中性層結風廓線偏離對數分布，穩定層結呈上凸型，不穩定層結呈下凹型，而且高度愈低，愈接近對數律，即熱力作用愈不顯著。圖上的三條風廓線，也表示了典型的風速分布的日變化。清晨或傍晚，近中性層結，風廓線接近對數律；白天太陽輻射強，溫度超絕熱遞減，為不穩定層結；夜晚地面輻射降溫，為穩定層結。晴空、小風時，日變化明顯；陰天、大風時，這種日變化不明顯。風廓線日變化定性解釋：層結不穩定，湍流發展，上下各層空氣湍流交換強烈，風速分布趨向均勻，差異減小，故呈下凹型；層結穩定，湍流受抑制，湍流交換微弱，上下風速差異大，故呈上凸型。11.解釋無z尺度，有效中性，無u*尺度。分析：無z尺度：層結十分穩定時，湍流受到很大抑制，風速隨高度分布按照線性規律分布，而不是“對數＋線性”規律。很穩定層結，即z/L為很大的正值，這時近地層局地湍流特性量與高度z無關，這個結論首先由Monin和Yaglom（1971）提出，并為美國堪薩斯州觀測資料所證實。為什么z不是控制變量呢？原因分析，在中性層結，|L|→∞，這時唯一的特征長度就是z，這標志著湍渦的尺度可以達到離地面的高度。但當層結很穩定時，有強烈的“恢復力”，湍渦受到很大抑制，湍渦尺度小于中性層結的情況。當層結穩定度不斷增加時，可以預期湍渦尺度完全受層結制約而與高度無關。有效中性：中性層結是非中性層結的一種極限情況，即無量綱高度|z/L|→0的情況。|z/L|→0有兩種可能：固定高度z，|L|→∞；固定|L|，z→0。前者表示鉛直熱通量|H|→0，這就是通常的中性穩度層結；后者表示|L|有一定大小，這時湍流鉛直熱通量并不為零，但只要高度足夠低，z1時，稱為自由對流。由于局地增溫，密度減小，從而引起較強的阿基米德凈浮力，促使較大塊空氣發生鉛直向不規則運動，如夏季晴天，風力微弱，地面強烈受熱，形成對流運動，往往造成陣性對流性降水。自由對流主要受熱力作用，故又稱熱對流。這時機械作用甚微，u*和u都很小，而z/-L很大。這可以有兩種情況：固定z，使－L減小，即使u*減小而使H/ρcp增大，u＊小時，會出現小風或靜風情況；固定－L，使z增大，這時有一定的u*值，只要高度z增大到足夠的數值（注意這時z仍需滿足遠小于邊界層頂高的條件），也會出現自由對流。實際出現自由對流情況的大氣可能是以上兩種情況的綜合作用。但無論如何，自由對流時機械作用總是比熱力作用小得多，可以從控制變量中除去u*，即使u*不為零，但在動量和熱量輸送中，不起垂直作用。這時控制變量有三個，即g/T，H/cp，z。12.分析說明為什么要做湍流通量的參數化，方法有哪些？分析：湍流通量是常用的近地層湍流參數，在天氣預報和污染氣象等領域中經常應用。近地層是常通量層，其中動量、熱量、水汽通量亦可看成地表面處的通量，這些通量是大氣科學中很重要的量，因為它們是地面和大氣間的通量，代表了大氣從地表得到或失去的該物理量的多少，是海氣和陸氣相互作用的具體體現。在大氣模式中這些量的計算有非常重要的意義，在一些特定下墊面上的氣象問題，如沙漠和綠洲的形成于維持、城市熱島、農林生態區的小氣候等問題中，這些量的計算也是起關鍵作用。根據湍流通量的定義，直接計算需要有湍流脈動資料，如θ’’’’、‘uww等，而湍流觀測及其資料并非常規氣象量，沒有專門的觀測就很難得到，因此常用氣象量將其參數化就成為計算通量的主要方法。這當中，前面講過的風、溫、濕廓線求通量就成為最主要的方法，因為這些廓線都表示了通量和風、溫、濕梯度的關系。也就是說，應用近地層相似理論，以盡可能少的平均風、溫資料，可以確定動量、熱量和水汽通量，這就是湍流通量的參數化。方法：13.氣象塔的簡單介紹。分析：近年來，為研究大氣邊界層結構，建造了許多氣象觀測塔，塔上安裝氣象儀器，觀測氣象要素在邊界層下部的變化規律。塔的高度不一，通常在50~500m之間，這層的厚度已不滿足常值通量層的條件，實際上已超出近地層的范圍。氣象塔是觀測大氣邊界層的氣象要素鉛直分布的設施。隨著大氣邊界和污染擴散研究工作的開展，第二次世界大戰后，世界各國陸續建造了裝有各種氣象觀測儀器的專用氣象塔，初期，塔高約100米，后來有達400米以上的。此外，還有利用電視塔、電訊塔等安裝氣象儀器進行觀測的，其高度更高。1978年，我國在北京北郊建造了第一座高為325米的專用氣象塔，為亞洲第一。它是中國科學院大氣物理研究所的基礎科研設備之一，可為研究城市大氣污染和大氣邊界層物理提供高質量的觀測資料，為北京市乃至全國提供服務。這個鐵塔設有15層觀測平臺，每層裝有測定風、溫、濕等氣象要素的傳感器，可以獲得15個不同高度上的觀測數據。測量結果用電纜傳輸至地面計算機進行數據處理，每層的信號可用單片機控制。在塔上還裝有三分量風速儀、超聲測風儀等先進儀器。氣象塔現有PDP-11-37小型計算機系統和一套微機系統，實現了觀測和數據處理自動化。氣象塔上儀器的安裝高度可根據需要和可能決定，通常上疏下密，采用對數等間距分布。塔上儀器有兩類：一類是鉛直梯度觀測儀器，測量溫度、濕度和風的平均值隨高度的分布;另一類是大氣湍流的測量儀器，連續測量溫度和風速的瞬時值，這些儀器要求時間常數小、觀測精度高。為避免塔身對氣流和溫度的影響，儀器應盡量安在離塔身較遠的伸桿上，并最好同時安裝互成180度方向的兩套儀器，以便根據當時的風向，選用其中的一套讀數。為了使各個高度上的儀器具有較高的可比較性，儀器性能必需相同，還需經常進行平行對比。塔上多使用遙測儀器，配備計算機系統，以實現觀測程序和記錄、資料儲存和處理的自動化。對氣象塔場地的要求，主要由建塔目的來確定。如果用于研究大氣邊界層的基本規律，則氣象塔應該建設在地表特性均勻而平坦地區。如果用于研究某特定場區的邊界層大氣和環境污染等情況，則氣象塔就應該建于該場區。14.說明湍流統計理論和半經驗理論及其各自優缺點。分析：研究邊界層的兩種理論方法湍流統計理論和半經驗理論。半經驗理論，只著重于研究時均湍流的運動規律，沒有對脈動結構進行深入的分析。在涉及到脈動流速的相關矩(即相關函數)時，也只是簡單地對脈動規律作了一些假定，以建立湍流應力與時均特征特征量之間的關系，這對掌握剪切湍流的脈動規律和解決許多工程技術的變化規律方面有重要意義。但它并沒有深究這些假定是否符合于湍流脈動的實際情況，在解決湍流的脈動結構及其統計特征值的變化規律方面，現有的半經驗理論已顯得無能為力。湍流是在人類生活和生產活動中一些實質現象的最重要的因素之一。例如污染物質在大氣中的擴散稀釋以及大工業中心上空空氣污染的控制等問題，都需要了解湍流脈動的結構。為此，近幾十年來已非常注意建立一種拉格朗日變數表征的湍流統計理論。這樣，使隨機函數相關理論與譜分析得到廣泛發展。又如，氣象要素(風速、溫度、濕度)的湍流起伏使大氣變成一個隨機、非均勻介質，這造成聲、光和無線電波的獨特散射，從而表現為無線電接收系統的噪聲、聲音的衰減、地面與天體光源的閃爍等現象。此外，高聳建筑和橋梁的結構的損壞，不僅與強大的平均風速，也與風分量的脈動強度有關系。以上列舉的問題，都需要研究脈動場，或者說需要知道大氣湍流結構。為此，另一理論分支湍流統計理論也得到了發展。湍流統計理論采用較嚴格的統計途徑，對湍流的內部結構進行分析，研究各種量的相關矩和譜函數等。對于理解湍流運動中很多基本性質和概念十分有用，因它力圖從微觀導出宏觀，從而深刻地揭示了微觀和宏觀之間的內在聯系。然而，由于湍流結構的復雜，統計理論目前尚局限于研究實際上并不存在的理論化的均勻各向同性湍流這一簡單情況，還不能為湍流力學提供充分的理論依據。15.介紹常見譜圖的形式。分析：大氣譜的圖象顯示(譜圖)有以下形式：1.線性-線性表示法：s(n)~n或F(K1)~K1。因為2()vSndn∞-∞’=?，所以曲線下方的面積與所在頻率范圍表示的方差成正比。很容易說明這個頻率范圍的湍渦對總能量的貢獻。可以清晰地反映出湍能的頻率分布情況。2.半對數表示法：nS(n)—lnn縱坐標為線性，橫坐標為對數，畫出nS(n)—lnn。縱坐標用nS(n)是為了使曲線下面的面積仍然等于該頻率段的方差。這樣的譜圖至少會出現一個極大值，而這個極大值所在位置往往是湍流的典型尺度。3.對數—對數表示法：ln［nS(n)］—lnn能使各種各樣的頻率和譜密度顯示出來，S(n)與n之間的任何冪律關系也表示為直線，S(n)與n-5/3成正比，但曲線下方的面積不再與能量成正比。值得注意的是在采用對數—對數表示法時，再采用標準化之后，可以很容易比較湍譜。16.大氣邊界層的高度如何定義。分析：大氣邊界層高度是一個重要的參數，在大氣模式中邊界層參數化、大氣污染擴散、邊界層結構、各物理量廓線中都是一個重要參數，它是一個變量，前面講的邊界層高度為1km只