大气边界层物理

课程编码：070602M04008H 英文名称：Atmospheric Boundary Layer Physics 课时：60 学分：3.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：胡非等

本课程是大气科学各专业博士、硕士研究生的学科基础课，同时可作大气化学、大气环境、海洋科学与工程科学等专业的研究生选修课。
大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，它与天气、气候以及大气环境研究有非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交通、以及城市规划和生态环境保护等紧密相关。大气边界层物理主要是研究发生在大气边界层中的各种动力和物理过程。
本课程针对不同学科背景交叉的研究生，重点介绍大气边界层物理最基本的内容，包括大气边界层的特征，描述大气边界层的主要数学物理工具，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、数值模拟、大气污染扩散以及大气边界层探测的原理和方法等。
通过本课程学习，希望能够使研究生掌握大气边界层物理的基本概念、基本理论以及基本的数值模拟和观测实验方法，为将来从事天气、气候、空气污染、环境工程、生态环境等研究工作打下基础。

大气物理学、流体力学

第一章 导论-课程的意义和应用介绍 3学时 胡非
第1节 课程历史和总体情况简介
第2节 课程的基础科学意义
第3节 本课程的实际应用意义
第二章 预备知识-湍流和复杂性 3学时 胡非
第1节 湍流运动与统计物理
第2节 非线性动力学与湍流发生机制
第3节 复杂系统理论（混沌、分形与自组织）
第三章 流体力学边界层基本概念和发展历史 3学时 胡非
第1节 流体力学边界层
第2节 边界层理论的发展历史
第3节 边界层理论的数学物理基础
第四章 大气边界层基本特征和控制方程 3学时 胡非
第1节 大气边界层的基本特征
第2节 大气边界层的控制方程
第3节 湍流通量和稳定度参数
第五章 大气边界层垂直结构和日变化 3学时 胡非
第1节 大气边界层垂直结构
第2节 近地层和常通量层
第3节 大气边界层的日变化
第六章 近地层和相似理论 3学时 胡非
第1节 相似理论简介
第2节 莫宁-奥布霍夫相似理论
第3节 相似理论的应用
第七章 对流大气边界层（I） 3学时 胡非
第1节 对流边界层的三层结构
第2节 对流边界层的湍流特性（间歇性）
第3节 对流边界层的湍流特性（相干结构）
第八章 对流大气边界层（II） 3学时 胡非
第1节 对流边界层参数化（湍流通量）
第2节 对流边界层参数化（高阶矩）
第3节 对流边界层参数化（边界层高度）
第九章 稳定大气边界层（I） 3学时 胡非
第1节 夜间稳定边界层结构特征
第2节 残留层和逆温层
第3节 惯性振荡和低空急流
第十章 稳定大气边界层（II） 3学时 胡非
第1节 稳定边界层相似理论
第2节 稳定边界层参数化（湍流通量）
第3节 稳定边界层参数化（边界层高度）
第十一章 复杂下垫面边界层 3学时 胡非
第1节 水平非均匀边界层
第2节 复杂地形边界层
第3节 局地环流及其相互作用
第十二章 城市边界层 3学时 程雪玲
第1节 城市边界层基本特征
第2节 城市冠层湍流特性
第3节 城市热岛和城市小气候
第十三章 海洋大气边界层 3学时 程雪玲
第1节 海洋大气边界层基本特征
第2节 海表粗糙度和海气通量
第3节 海洋大气边界层参数化
第十四章 大气边界层数值模拟（I） 3学时 程雪玲
第1节 大气边界层数值模拟方法简介
第2节 降尺度和精细模拟
第3节 计算流体动力学（CFD）（网格生成技术）
第十五章 大气边界层数值模拟（II） 3学时 程雪玲
第1节 计算流体动力学（CFD）（模拟示例）
第2节 大涡模拟（LES）
第3节 格子-玻尔兹曼模拟（阵风和起沙）
第十六章 大气边界层的应用-风能开发 3学时 程雪玲
第1节 风能利用的历史发展
第2节 复杂地形风场观测和模拟
第3节 风电短期预报基础
第十七章 大气边界层的应用-空气污染 3学时 胡非
第1节 大气扩散的基础理论
第2节 大气物理与大气化学的相互作用
第3节 若干重要大气污染专题
第十八章 大气边界层探测 3学时 胡非
第1节 大气边界层探测技术介绍
第2节 探测平台介绍（地基-塔基-艇基-空基-卫星）
第3节 国内外大型观测实验介绍
第十九章 总复习 3学时 胡非
第1节 基本概念复习
第2节 数值模拟和观测实验复习
第3节 实际应用和知识拓展复习

胡非，中国科学院大气物理所研究员，博士生导师，中国科学院大学教授。国防科技大学空气动力学专业本科毕业，中国科学院大气物理所大气物理和大气环境专业博士毕业。曾在意大利都灵大学和香港科技大学从事访问学者研究以及多次国际学术访问和交流。曾任中国科学院可持续发展战略研究小组成员，中国科学院大气物理所学术委员会副主任，“大气边界层物理和大气化学国家重点实验室”（LAPC）主任，北京市气象局特聘专家，北京大学、清华大学等国家重点实验的学术委员会委员，《Advances in Atmospheric Sciences》、《力学学报》和《力学与实践》等期刊编委。
现任“中国工业与应用数学系学会气候与环境数学专业委员会”主任，“中国气象学会城市气象专业委员会”副主任，LAPC学术委员副主任，“全国专业标准化技术委员会”委员(风能太阳能)，“北京2022冬奥会气象中心专家指导委员会”专家，北京交通大学“结构风工程与城市环境北京市重点实验室”学术委员会委员，中国电力科学研究院“新能源与储能运行控制国家重点实验室”学术委员会委员,《大气科学》、《气象学报》、《气象科学》和《气象科技》等期刊编委,以及“北京市海淀科普教育协会气象专家组”组长等。主持过多项国家级、部委级和国际合作项目或课题、专题，特别是主持我国第一代城市和区域空气污染预报模式系统的研制（被国家环保局和中国气象局联合推广到47个城市应用）和全国“风能资源详查和评价”项目（任副总师）。目前是国家重点研发计划项目“陆地边界层大气污染垂直探测技术”的首席科学家。发表研究论文150多篇，独立和参与撰写专著4部，培养博士、硕士与博士后近60人。曾获“赵九章优秀中青年科技工作奖”特等奖、“中国科学院杰出科技成就奖”、“中国人民解放军科技进步二等奖”、科技部《国家科技成果证书》、中国科学院大学《杰出贡献教师》奖和“学笃风正奖”等。
研究领域包括：大气边界层和湍流理论、大气环境、风能利用以及工程与航空气象。