第9章 大氣邊界層

第九章大氣邊界層

01邊界層定義02風和氣流03湍流輸送04邊界層厚度與結構05微氣象學06邊界層意義07邊界條件和表面強迫力08海陸風環(huán)流本章主要內容大氣邊界層地球表面是大氣圈一個邊界。在這個邊界上輸運過程改變著100米到3000米厚的最低層大氣，形成所謂邊界層。對流層大氣其余部分統(tǒng)稱為自由大氣。1邊界層定義對流層是從地面往上直達11千米平均高度，但通常只有最低2000米才直接被下墊面改變；定義：大氣邊界層指的是地面往上到1000-2000米高度的這一大氣層。邊界層定義由于它與地球表面直接接觸，所以地球表面的強迫力如摩擦力、蒸發(fā)和蒸騰、熱傳遞、污染物排放以及地形引起的流的變化等可以對它產生直接的影響，其響應時間尺度為1小時或者更小。邊界層雖然很薄，但是人類和其它生物活動主要區(qū)域，所以一直是大氣科學研究重點課題。下圖給出對流層下部溫度變化一個例子。近地面氣溫日變化比較明顯，而自由大氣則沒有什么日變化。邊界層定義地面因輻射而增溫和冷卻，從而通過傳輸強迫邊界層發(fā)生變化。湍流是其中重要運輸過程，有時候也用湍流來定義邊界層。相應時間尺度約為1小時或者更小。這并不意味著這段時間內邊界層達到平衡，只是表示至少已經開始。邊界層中研究中包括晴天積云和層積云2種。晴天積云與邊界層中熱泡關系密切；層積云在邊界層上部，溫度較低使水汽凝結。雷暴能夠將邊界層空氣抽吸入云層或鋪設冷的下層空氣罩而使邊界層在幾分鐘內發(fā)生變化。2風和氣流氣流或者風可以分為三大類：平均風、湍流、波。各種物理量如水汽、熱量、動量和污染物等輸送在水平方向上主要靠風來實現；而垂直方向上主要靠湍流；平均風波湍流風和氣流平均風：可以產生很快的水平輸送或平流；摩擦力使平均風在近地面處達到最小值；量級：水平風為2到10米（m）每秒垂直風為幾毫米（mm）到幾厘米（cm）（小）波：一般在夜間邊界層觀測到波；波對動量和能量輸運起重要作用；來源于平均風剪切（切邊）、平均風經過障礙物時產生等等湍流：湍流是邊界層區(qū)別于大氣其余部分的特征之一。在近地面湍流發(fā)生的頻率相當高；對流云中有湍流；在急流附近強風剪切造成晴空湍流。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現為風的起伏和擾動。3湍流輸送定義：湍流是疊加在平均風速上的陣性流現象，遠可以認為是由作不規(guī)則旋轉運動的渦旋所組成。通常情況，湍流由許多大小不同的渦相互疊加而成。這些不同尺度渦旋的相對強度就是湍流譜。邊界層湍流由來自地面的強迫力產生。例如：晴天時，地面受太陽輻射加熱，使得溫暖的熱泡上升，這些熱泡即大渦旋；邊界層（ABL）的厚度相當于最大渦旋的尺度，即直徑100-3000米；最小的渦旋量級只有幾毫米（mm），考慮分子粘性的耗散效應，所以很弱。邊界層通過湍流作用來響應地面強迫力的變化；（1）

運動學通量和湍流通量定義：通量是指單位時間內通過單位面積所傳輸的量。質量、熱量、動量和污染物的通量通量符號單位質量熱量濕度動量污染物或？運動學通量符號單位質量熱量濕度動量污染物

風速表示質量和動量通量；溫度和風速表示表示熱量；比濕（q）和風速表示水汽通量。這些通量可以通過除以濕空氣密度而重新定義成運動學形式，設熱量通量,求熱量運動學通量QH解：4邊界層厚度與結構（1）混合層（2）剩余層（3）穩(wěn)定邊界層4邊界層厚度與結構1在海洋上方，邊界層厚度的時空變化相對陸地要慢。這是由于海洋上部很強的混合，海面溫度日變化極小。因此一個緩慢變化的海面溫度意味著一個緩慢變化的強迫力對邊界層底的作用；2海洋上面的邊界層厚度大多數變化是由海面的天氣尺度和中尺度過程的垂直運動以及不同氣團的平流造成的。3無論在陸地還是海洋上，邊界層的共同特征是高壓區(qū)比低壓區(qū)?。≒171）。（？）邊界層厚度與結構updraftsDivergence(輻散)Convergence（輻合）Subsidence（下沉）高壓（H）低壓（L）（上升）低壓區(qū)邊界層高度如何確定？邊界層厚度與結構BL（BoundaryLayer）邊界層CL（CloudLayer）云層FA（FreeAtmosphere）自由大氣IBL（InternalBoundaryLayer）內邊界層ML（MixedLayer）混合層RL（ResidualLayer）剩余層SBL（StableBoundaryLayer）穩(wěn)定邊界層SCL（SubcloudLayer）云下層SL（SurfaceLayer）表面層：占邊界層10%的底部區(qū)域中午noon日落sunset午夜midnight中午noon日出sunrise夾卷層剩余層（RL）夾卷層自由大氣（FA）蓋頂逆溫混合層(ML)混合層(ML)陸上高壓區(qū)大氣邊界層由三部分組成：大渦對流混合層；含有原先混合層空氣的殘余層；具有間隙性湍流的夜間穩(wěn)定邊界層。高度(m)200010000邊界層的發(fā)展具有明顯的日變化特點（高壓區(qū)、小風、無云條件）穩(wěn)定（夜間）邊界層表面層（SL）表面層（SL）表面層（SL）云層邊界層厚度與結構在陸地表面的高壓區(qū)，邊界層具有明確的結構，其發(fā)展具有日循環(huán)特點。其結構主要包括三部分：混合層（ML）：混合層(ML)中的湍流通常由對流驅動的，對流的成因包括溫暖地面的熱傳遞，以及云層頂的輻射冷卻。剩余層（RL）：在日落前半小時，熱泡不再形成，在早先充分混合層中的湍流衰減，這樣的氣層即剩余層(RL)。穩(wěn)定邊界層（SBL）：隨著夜晚的來臨，剩余邊界層（RL）的底部通過與地面接觸而轉變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。（1）混合層（ML）混合層主要生成機制是對流，所以在晴天，ML的發(fā)展依賴于地面的太陽加熱。（？）混合層頂部的穩(wěn)定層作用？---頂蓋，限制對流---卷挾帶整個混合層的風都是次地轉風，風速分布？（風速向下遞減，在近地面處趨近于零）水汽混合比隨高度增加而減小，為什么？大部分污染物是靠近地球表面（2）剩余層（RL）1、剩余層（RL）：它的初始平均狀態(tài)變量和濃度變量與當前湍流衰減著的混合層中的一樣。時間尺度：日落前半小時到日出后不久;2、剩余層（RL）：是中性層結，即其中的湍流在所有方向強度相等。結果，排入RL中的煙羽以相等的速率在垂直方向和水平方向彌散，形成錐形羽，見圖8.7（P174）3、在夜間，夜間穩(wěn)定層（SBL）通過剩余層（RL）變性而逐漸加厚（3）穩(wěn)定邊界層（SBL、NBL）穩(wěn)定邊界層：特征：靜力穩(wěn)定的空氣中帶有弱而散在的湍流；與白天的混合層（ML）具有清晰頂部不同，SBL的頂大多不明顯；SBL中的污染物在垂直方向擴散極小，而在水平方向上則快的多，即稱為扇形擴散；夜間風復雜。接近地面處，風速變得很小甚至靜止；離地200米量級的高度上夜間急流可達10-30米每秒，再往上減小到地轉值。波動在SBL中經常發(fā)生。穩(wěn)定邊界層SBL也能在白天發(fā)生，條件是下墊面比空氣冷就行。5微氣象學（邊界層氣象學）與氣象學中有關運動的其他尺度相比，湍流（空間尺度小于3公里，時間尺度大約小于1小時）的尺度最小---微尺度。微氣象學便研究這樣小尺度現象。如果要確定的描述和預報每一個單獨的渦旋實際上是不可能的。微氣象學家發(fā)展了三種基本的方法：P175隨機方法相似理論現象學分類法微氣象學6邊界層的意義特征邊界層自由大氣湍流幾乎整個厚度上都不斷發(fā)生在對流云中，以及在廣而薄的氣層中有散在的CAT摩擦地球表面很強的阻力，大量能量耗散小的粘性耗散彌散垂直和水平方向迅速的湍流混合小的分子擴散，常有迅速的水平方向的平均風輸運風表面層中近似為對數風速廓線，通常為次地轉的，并與等壓線相交幾乎是地轉的垂直輸運湍流占優(yōu)勢平均風和積云尺度占優(yōu)勢厚度變化于100米到3公里之間，陸上有日變化變化小，在8-18公里之間，時間變化慢進一步體會邊界層重要性：每天預報實際上是邊界層預報；污染物積聚在邊界層中；霧發(fā)生在邊界層中；氣團實際上是地球不同部分大氣邊界層；農作物生長在邊界層中；云核被邊界層過程從表面混入大氣雷暴和臺風發(fā)展與潮濕邊界層空氣有關；大氣動能大約50%耗散在邊界層中；暖鋒和冷鋒將不同溫度邊界層分開；7邊界條件和表面強迫力（1）

有效表面湍流通量有效湍流通量等于分子通量和湍流通量之和；在表面上，湍流通量為0，故有效表面湍流通量的量值等于分子通量；在最低幾厘米以上，分子湍流通量忽略不記，主要考慮湍流通量；分子過程在其中占優(yōu)勢的空氣薄層稱為微層。ν?是分子熱擴散系數（對于空氣，量級為2*10??m2/S）P178下墊面能量平衡分配（向上為正）：－Q*S=QH+QE-QG＋△QS凈輻射顯熱潛熱分子熱通量冠層內儲存熱量（2）

表面熱平衡

+QG－QS-QH-QE夜間-QG－Q*SQHQE白天陸地白天和夜間的能量平衡condensationevaporationThinboundary8海陸風環(huán)流在沿海地帶，白天風從海上吹向陸地，稱為海風；夜間，風從陸地吹向海洋，稱為陸風。在大水體，例如湖泊，也可以發(fā)生這樣現象，稱之為湖陸風。無論是海風環(huán)流還是陸風環(huán)流，空氣都是由較暖一側上升，在較冷一側下沉，形成一個直接熱力環(huán)流，這種環(huán)流也稱為正環(huán)流。白天本章小結1、大氣邊界層。大氣邊界層指的是從地面往上到1000-2000米高度的這一大氣層。2、大氣邊界層基本理論和研究方法。氣流或者風可分為3大類：平均風、湍流和波。每一種都可存在于邊界層中，水汽、熱量、動量等輸送在水平方向上主要是靠風來實現的，在垂直方向主要是湍流。無論是研究湍流還是研究波，共同方法是將變量分解成平均部分和擾動部分；例如溫度，平均部分表示平均溫度影響，而擾動部分可以代表波的影響或疊加在平均風速之上的湍流作用。3、湍流。湍流是疊加在平均風速上陣性流現象，是由不規(guī)則旋轉運動渦旋組