大气边界层物理

物理学术语

大气边界层物理是研究在大气边界层中所发生的物理现象的学科，是大气物理学的一个分支。大气边界层中气象要素分布有如下特点：近地面层的气温、水汽含量和风速的铅直梯度特别大；风速随高度变化有其特殊规律（见大气近地面层，埃克曼螺线）。边界层的大气，既要受气压梯度力、科里奥利力和湍流粘性力的作用（见大气中的作用力），又要受地面的摩擦作用和由辐射引起的温度分布不均匀性的影响，运动非常复杂，具有涡旋和可压缩流体的湍流特征，故大气边界层物理是建立在大气湍流理论基础上的。

研究内容

大气边界层物理的主要内容包括：大气边界层中的湍流特征；边界层中各物理量（如动量、热量、水汽等）的湍流输送，气溶胶、二氧化硫、二氧化碳等的湍流扩散（见大气湍流扩散、空气污染气象学）；大气边界层内风、温度、湿度等气象要素的铅直分布及随时间的变化规律，大气边界层的辐射传输，以及蒸发、霜、露诸天气现象等问题。

需要用到的仪器

大气边界层物理需要一些非常规的气象仪器来进行探测，如气象塔上安装的能测量温度、风速等大气特性的仪器，能对这些气象要素的脉动（频率约每秒几周至每分几周）快速响应的仪器和直接测量边界层通量的仪器等。在遥感仪器中，声雷达（见声波大气遥感）和调频连续波雷达都是探测边界层的有力工具。

理论

当流体在大雷诺数条件下运动时，可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据边界层的这一特点，简化纳维－斯托克斯方程，并加以求解，即可得到阻力和传热规律。这一理论是德国物理学家L·普朗特于1904年提出的，它为粘性不可压缩流体动力学的发展创造了条件。

流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽略；但在固体壁面附近的薄层中，粘性力的影响则不能忽略，沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层叫做边界层。流体的雷诺数越大，边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度δ通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。根据雷诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。

大雷诺数的绕流流动可分为两个区，即很薄的一层边界层区和边界层以外的无粘性流动区。因此，处理粘性流体的方法是：略去粘性和热传导，把流场计算出来，然后用这样的初次近似求得的物体表面上的压力、速度和温度分布作为边界层外边界条件去解这一物体的边界层问题。算出边界层就可算出物面上的阻力和传热量。如此的迭代程序使问题求解大为简化，这就是经典的普朗特边界层理论的基本方法。

不可压缩流体在大雷诺数的层流情况下绕过平滑壁面的情况。沿物体壁面的方向为x轴，垂直于壁面的方向为y轴。由于边界层厚度δ比物面特征尺寸L小得多，因此对二维的忽略体积力的纳维－斯托克斯方程逐项进行数量级分析，在忽略数量级小的各项后，可近似认为边界层垂直方向的压力不变。

边界层脱离物面并在物面附近出现回流的现象。当边界层外流压力沿流动方向增加得足够快时，与流动方向相反的压差作用力和壁面粘性阻力使边界层内流体的动量减少，从而在物面某处开始产生分离，形成回流区或漩涡，导致很大的能量耗散。绕流过圆柱、圆球等钝头物体后的流动，角度大的锥形扩散管内的流动是这种分离的典型例子。分离区沿物面的压力分布与按无粘性流体计算的结果有很大出入，常由实验决定。边界层分离区域大的绕流物体，由于物面压力发生大的变化，物体前后压力明显不平衡，一般存在着比粘性摩擦阻力大得多的压差阻力（又称形阻）。当层流边界层在到达分离点前已转变为湍流时，由于湍流的强烈混合效应，分离点会后移。这样，虽然增大了摩擦阻力，但压差阻力大为降低，从而减少能量损失。

研究意义

地面的摩擦作用，使大气边界层成为大尺度运动动能的汇（见大气角动量平衡）。地面的物理量，如动量、热量、水汽含量等，向自由大气的输送，都要通过边界层，从这种意义上讲，大气边界层又是向大气输送物理量的源。因此关于大气边界层的物理知识，对大尺度天气过程的演变、长期预报和气候理论等问题的研究，都是很重要的。

发展

大气边界层物理的发展，还与国民经济和国防建设的发展密切相关。例如：高建筑物（如高楼、桥梁、高塔等）的风负荷（见建筑气象学）；波在湍流大气中的传播；对于原子、化学、细菌战争的防护，导弹、火箭运行的气象保障，新式兵器现场使用的气象条件的研究（见军事气象学）；随着工业发展而出现的大气污染，大气公害问题的研究；农作物生长的气象条件的研究（见农业气象学）等；都与大气边界层物理的研究有关。

主要区别

大气边界层物理是研究在大气边界层中所发生的物理现象的学科，是大气物理学的一个分支。农业气象学是研究农业生产与气象条件之间相互关系及其规律的科学。农业科学的基础学科之一，气象学科中应用气象学的重要分支。农业气象学研究的目的在于围绕农业的发展与现代化，不断认识和解决生产中的气象问题，提出促进农业生产的最优气象条件和措施。建筑气象学是研究气象对建筑的影响和建筑的气象效应的一门学科。在设计高层建筑时，除须考虑地震因素外，还须考虑风荷载等气象因素的影响。

此外，不合理的建筑布局会导致空气污染加重。因此，如何正确使用气象资料，保证建筑设计既安全、经济和实用，又有合理的布局，形成良好的气象效应，是建筑气象学的研究内容。军事气象学是研究气象条件对军事活动和武器装备使用的影响，以及对部队作战、训练和国防科学试验实施气象保障的手段和方法的学科。是气象学的一个分支。激光、卫星、电子计算机和军事运筹、系统工程等先进科学技术，将更加广泛地应用到军事气象研究和保障工作中来；天气预报将进一步客观、定量化；气象保障工作的自动化也将进一步普及和提高；人工影响天气在军事上的应用可望取得新的进展。

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