大氣邊界層物理

大氣邊界層物理是研究在大氣邊界層中所發生的物理現象的學科，是大氣物理學的一個分支。大氣邊界層中氣象要素分布有如下特點：近地面層的氣溫、水汽含量和風速的鉛直梯度特別大；風速隨高度變化有其特殊規律（見大氣近地面層，埃克曼螺線）。邊界層的大氣，既要受氣壓梯度力、科里奧利力和湍流粘性力的作用（見大氣中的作用力），又要受地面的摩擦作用和由輻射引起的溫度分布不均勻性的影響，運動非常複雜，具有渦旋和可壓縮流體的湍流特徵，故大氣邊界層物理是建立在大氣湍流理論基礎上的。

研究內容

大氣邊界層物理的主要內容包括：大氣邊界層中的湍流特徵；邊界層中各物理量（如動量、熱量、水汽等）的湍流輸送，氣溶膠、二氧化硫、二氧化碳等的湍流擴散（見大氣湍流擴散、空氣污染氣象學）；大氣邊界層內風、溫度、濕度等氣象要素的鉛直分布及隨時間的變化規律，大氣邊界層的輻射傳輸，以及蒸發、霜、露諸天氣現象等問題。

需要用到的儀器

大氣邊界層物理需要一些非常規的氣象儀器來進行探測，如氣象塔上安裝的能測量溫度、風速等大氣特性的儀器，能對這些氣象要素的脈動（頻率約每秒幾周至每分幾周）快速回響的儀器和直接測量邊界層通量的儀器等。在遙感儀器中，聲雷達（見聲波大氣遙感）和調頻連續波雷達都是探測邊界層的有力工具。

理論

當流體在大雷諾數條件下運動時，可把流體的粘性和導熱看成集中作用在流體表面的薄層即邊界層內。根據邊界層的這一特點，簡化納維－斯托克斯方程，並加以求解，即可得到阻力和傳熱規律。這一理論是德國物理學家L·普朗特於1904年提出的，它為粘性不可壓縮流體動力學的發展創造了條件。

流體在大雷諾數下作繞流流動時，在離固體壁面較遠處，粘性力比慣性力小得多，可以忽略；但在固體壁面附近的薄層中，粘性力的影響則不能忽略，沿壁面法線方向存在相當大的速度梯度，這一薄層叫做邊界層。流體的雷諾數越大，邊界層越薄。從邊界層內的流動過渡到外部流動是漸變的， 所以邊界層的厚度δ通常定義為從物面到約等於99%的外部流動速度處的垂直距離，它隨著離物體前緣的距離增加而增大。根據雷諾數的大小，邊界層內的流動有層流與湍流兩種形態。一般上游為層流邊界層，下游從某處以後轉變為湍流，且邊界層急劇增厚。層流和湍流之間有一過渡區。當所繞流的物體被加熱（或冷卻）或高速氣流掠過物體時，在鄰近物面的薄層區域有很大的溫度梯度，這一薄層稱為熱邊界層。

大氣邊界層分析圖

大雷諾數的繞流流動可分為兩個區，即很薄的一層邊界層區和邊界層以外的無粘性流動區。因此，處理粘性流體的方法是：略去粘性和熱傳導，把流場計算出來，然後用這樣的初次近似求得的物體表面上的壓力、速度和溫度分布作為邊界層外邊界條件去解這一物體的邊界層問題。算出邊界層就可算出物面上的阻力和傳熱量。如此的疊代程式使問題求解大為簡化，這就是經典的普朗特邊界層理論的基本方法。

不可壓縮流體在大雷諾數的層流情況下繞過平滑壁面的情況。沿物體壁面的方向為x軸，垂直於壁面的方向為y軸。由於邊界層厚度δ比物面特徵尺寸L小得多，因此對二維的忽略體積力的納維－斯托克斯方程逐項進行數量級分析，在忽略數量級小的各項後，可近似認為邊界層垂直方向的壓力不變。

邊界層脫離物面並在物面附近出現回流的現象。當邊界層外流壓力沿流動方向增加得足夠快時，與流動方向相反的壓差作用力和壁面粘性阻力使邊界層內流體的動量減少，從而在物面某處開始產生分離，形成回流區或漩渦，導致很大的能量耗散。繞流過圓柱、圓球等鈍頭物體後的流動，角度大的錐形擴散管內的流動是這種分離的典型例子。分離區沿物面的壓力分布與按無粘性流體計算的結果有很大出入，常由實驗決定。邊界層分離區域大的繞流物體，由於物面壓力發生大的變化，物體前後壓力明顯不平衡，一般存在著比粘性摩擦阻力大得多的壓差阻力（又稱形阻）。當層流邊界層在到達分離點前已轉變為湍流時，由於湍流的強烈混合效應，分離點會後移。這樣，雖然增大了摩擦阻力，但壓差阻力大為降低，從而減少能量損失。

大氣邊界層物理-研究意義

地面的摩擦作用，使大氣邊界層成為大尺度運動動能的匯（見大氣角動量平衡）。地面的物理量，如動量、熱量、水汽含量等，向自由大氣的輸送，都要通過邊界層，從這種意義上講，大氣邊界層又是向大氣輸送物理量的源。因此關於大氣邊界層的物理知識，對大尺度天氣過程的演變、長期預報和氣候理論等問題的研究，都是很重要的。

大氣邊界層物理的發展

大氣邊界層物理的發展，還與國民經濟和國防建設的發展密切相關。例如：高建築物（如高樓、橋樑、高塔等）的風負荷（見建築氣象學）；波在湍流大氣中的傳播；對於原子、化學、細菌戰爭的防護，飛彈、火箭運行的氣象保障，新式兵器現場使用的氣象條件的研究（見軍事氣象學）；隨著工業發展而出現的大氣污染，大氣公害問題的研究；農作物生長的氣象條件的研究（見農業氣象學）等；都與大氣邊界層物理的研究有關。

區別

大氣邊界層物理是研究在大氣邊界層中所發生的物理現象的學科，是大氣物理學的一個分支。農業氣象學是研究農業生產與氣象條件之間相互關係及其規律的科學。農業科學的基礎學科之一，氣象學科中套用氣象學的重要分支。農業氣象學研究的目的在於圍繞農業的發展與現代化，不斷認識和解決生產中的氣象問題，提出促進農業生產的最優氣象條件和措施。建築氣象學是研究氣象對建築的影響和建築的氣象效應的一門學科。在設計高層建築時，除須考慮地震因素外，還須考慮風荷載等氣象因素的影響。

此外，不合理的建築布局會導致空氣污染加重。因此，如何正確使用氣象資料，保證建築設計既安全、經濟和實用，又有合理的布局，形成良好的氣象效應，是建築氣象學的研究內容。軍事氣象學是研究氣象條件對軍事活動和武器裝備使用的影響，以及對部隊作戰、訓練和國防科學試驗實施氣象保障的手段和方法的學科。是氣象學的一個分支。雷射、衛星、電子計算機和軍事運籌、系統工程等先進科學技術，將更加廣泛地套用到軍事氣象研究和保障工作中來；天氣預報將進一步客觀、定量化；氣象保障工作的自動化也將進一步普及和提高；人工影響天氣在軍事上的套用可望取得新的進展。