大氣邊界層之詳解

大氣邊界層之詳解演示文稿當(dāng)前1頁，總共25頁。優(yōu)選大氣邊界層之當(dāng)前2頁，總共25頁。（1）粘性副層（微觀層）：分子輸送過程處于支配地位，分子切應(yīng)力遠(yuǎn)大于湍流切應(yīng)力，幾厘米厚。（3）Ekman層（上部摩擦層、外部邊界層）：在這一層里，湍流粘性力、科氏力和氣壓梯度力同等重要，風(fēng)隨高度變化明顯，需要考慮風(fēng)隨高度的切變。大氣邊界層垂直分層結(jié)構(gòu)（2）近地邊界層（=近地面層+冠層，常通量層）：大氣受地表動力和熱力影響強(qiáng)烈，氣象要素隨高度變化激烈，運(yùn)動尺度小，科氏力可略。由于近地層很薄和湍流擴(kuò)散強(qiáng)烈混合的結(jié)果，該層中動量、熱量和水汽的鉛直輸送通量不隨高度變化，同樣原因，近地層中風(fēng)向也不隨高度變化。當(dāng)前3頁，總共25頁。(Oke,1987)自然界中的流體運(yùn)動存在著兩種完全不同的運(yùn)動狀態(tài)

層流：平順、光滑、清晰，沒有摻混現(xiàn)象

湍流（紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規(guī)則當(dāng)前4頁，總共25頁。近地邊界層特征高度：z≤0.1Zi，受下墊面的直接影響風(fēng)速、溫度等氣象要素場隨高度劇烈變化地面粗糙度小尺度湍流，地面增熱熱力對流

常通量層，各種湍流通量隨高度幾乎不變該層以上，湍流通量逐漸減弱風(fēng)向隨高度近乎不變，氣流結(jié)構(gòu)不受科氏力影響當(dāng)前5頁，總共25頁。

邊界層垂直高度的時空變化很大，空間范圍從幾百米到幾千米。

海洋上：由于海水上層強(qiáng)烈混合使海面溫度日變化很少。此外，海水熱容量大，海面溫度日變化不明顯，邊界層厚度變化十分緩慢。邊界層厚度的變化主要是由天氣、中尺度垂直運(yùn)動和不同氣團(tuán)平流引起的。1.2.2邊界層發(fā)展的日變化陸地上:邊界層具有輪廓分明、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前6頁，總共25頁。大陸高壓區(qū)邊界層發(fā)展的日變化

（1）混合層：湍流混合以對流為主。

（2）殘留層：日落前半小時，湍流在混合層中衰減形成的空氣層，屬中性層結(jié)。

（3）穩(wěn)定邊界層：夜間，與地面接觸的殘留層底部逐漸變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。其特點(diǎn)為在靜力穩(wěn)定大氣中有零散的湍流單體，這些湍流單體的上升氣流仍然可以導(dǎo)致超地轉(zhuǎn)風(fēng)，形成低空急流或夜間急流。當(dāng)前7頁，總共25頁。不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層ConvectiveboundarylayerCBL，混合層MixedlayerML）穩(wěn)定邊界層（Stableboundarylayer,Nocturnalboundarylayer）中性邊界層（Neutralboundarylayer） 不同類型陸地邊界層的基本特征CBLSBLBLDaytimeNighttimeNeutralstrongweakWindydaylargesmallmiddleSmallgradientLargegradientmiddleOccurredat**Turbulence intensityEddyscaleprofiles大氣邊界層的分類與特征當(dāng)前8頁，總共25頁。白天：不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層、混合層）近地面層、混合層、夾卷層夜間：穩(wěn)定邊界層近地面層、穩(wěn)定邊界層、殘留層(中性層結(jié))強(qiáng)風(fēng)（>12m/s）或陰天條件：中性邊界層大陸高壓區(qū)邊界層發(fā)展的日變化當(dāng)前9頁，總共25頁。1.2.3大氣能量收支與溫度1.輻射平衡(Rn

)太陽短波輻射Sin－向下地表反射短波輻射Sout

－向上地球表面長波輻射Lin

－向上大氣長波輻射Lout

－向下四分量輻射計(jì)Rn=（

Sin-Sout

）+（

Lin-Lout

）當(dāng)前10頁，總共25頁。下墊面能量平衡分配：Rn=H+LE+G＋△S2.能量平衡Rn：輻射平衡H：顯熱通量LE：潛熱通量G：土壤熱通量△S：儲熱GHLEΔSRnRnLEHG當(dāng)前11頁，總共25頁。輻射平衡能量分配渦度相關(guān)法直接測定生態(tài)系統(tǒng)尺度能量和物質(zhì)交換通量，但存在低估等技術(shù)缺陷。將生態(tài)系統(tǒng)中水分的散失和驅(qū)動蒸散作用的能量收支聯(lián)系起來，使能量和水循環(huán)得以貫穿在一起。動量、顯熱、潛熱和CO2通量當(dāng)前12頁，總共25頁。白天（暖）和夜間（冷）的能量平衡在白天和暖季，Rn＞0，地面由輻射獲得熱量，并通過分子傳導(dǎo)和湍流交換傳給土壤和空氣，氣溫與土溫分別向上和向下遞減。在夜間和中高緯度冷季，Rn＜0，地面由輻射損失熱量，氣溫與土溫分別向上和向下遞增。當(dāng)前13頁，總共25頁。2008年冬小麥冠層上方H、LE、G和Rn的日變化特征（左:4月右:5月）朝向系統(tǒng)為＋，背離系統(tǒng)為－能量通量的日變化當(dāng)前14頁，總共25頁。低層大氣的溫度日變化noonnoonnoonnoonnoon3.低層大氣溫度當(dāng)前15頁，總共25頁。（1）大氣的絕熱過程與泊松方程大氣的升降運(yùn)動總是伴有不同形式的能量交換。如果大氣中某一空氣塊作垂直運(yùn)動時與周圍空氣不發(fā)生熱量交換，則將這樣的狀態(tài)變化過程稱為大氣的絕熱過程。

由熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以推導(dǎo)出描述大氣熱力過程的微分方程.

泊松方程:T/T0=(P/P0)R/Cp=(P/P0)0.286Cp－干空氣的定壓比熱，Cp＝1005J／(kg.k)

R－干空氣的氣體常數(shù)，R＝287.0J／(kg.k)；

T－氣塊溫度，k

P－氣塊壓力，hPa

低層大氣溫度的垂直分布當(dāng)前16頁，總共25頁。（2）干絕熱直減率

干空氣塊（包括未飽和的濕空氣塊）絕熱上升或下降單位高度（通常取100ｍ時）溫度降低或升高的數(shù)值，稱為干空氣塊溫度絕熱垂直遞減率，以rd表示。其定義式為:ｇ－重力加速度ｇ＝9.81m／s2

Cp－干空氣定壓比熱，Cp＝1005J／(kg．K)下標(biāo)i--表示空氣塊下標(biāo)d--表示干空氣rd≈0.98K/100m，通常取rd=1K/100m，它表示干空氣塊（或未飽和的濕空氣塊）每升高（或下降）100ｍ時，溫度降低（或升高）約1K．

一干空氣塊絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（1000hPa）處所具有的溫度稱為它的位溫。

rd=-(dTi/dZ)d=g/Cp當(dāng)前17頁，總共25頁。氣溫隨高度的變化特征可以用氣溫垂直遞減率

來表示，簡稱氣溫直減率。它系指單位（通常取100m）高差氣溫變化率的負(fù)值。若氣溫隨高度增加是遞減的，

為正值，反之，

為負(fù)值。（3）氣溫的垂直分布?xì)鉁刂睖p率rrr若Z↑，T↓，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)>0，正值若Z↑，T↑，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)<0，負(fù)值氣溫垂直分布三種情形：①氣溫隨高度遞減②氣溫隨高度基本不變③氣溫隨高度逆增當(dāng)前18頁，總共25頁。大氣中的溫度層結(jié)有四種類型：

(1)氣溫隨高度增加而遞減，即

>rd，稱為正常分布層結(jié)或遞減層結(jié)；(2)氣溫直減率等于或近似等于干絕熱直減率，即

=rd，稱為中性層結(jié)；(3)氣溫不隨高度變化，即

＝0，稱為等溫層結(jié)；(4)氣溫隨高度增加而增加，即

<0，稱為氣溫逆轉(zhuǎn)，簡稱逆溫。rrrr當(dāng)前19頁，總共25頁。低層大氣溫度的垂直分布日變化氣溫直減率的大小與太陽輻射、云況、風(fēng)速和土壤熱性質(zhì)有關(guān)，具有明顯的日變化。當(dāng)前20頁，總共25頁。1.2.4大氣穩(wěn)定度與ABL結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度，用M-O長度L作為依據(jù)

L：負(fù)值無窮大正值對流（不穩(wěn)定）、中性、穩(wěn)定莫寧-奧布霍夫（Monin－Obukhov）相似理論以及π理論是邊界層湍流研究的理論基礎(chǔ)，主要用來分析邊界層中的外部參數(shù)對湍流擴(kuò)散過程的影響。當(dāng)前21頁，總共25頁。

不穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)

穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結(jié)中的波動及下部大對流湍渦湍流層較淺層內(nèi)存在顯著平均梯度,風(fēng)速極值分布湍渦尺度小,伴隨疊加重力波當(dāng)前22頁，總共25頁。大氣穩(wěn)定度與煙羽溫度高度污染物濃度環(huán)鏈形：不穩(wěn)定；湍流強(qiáng)，擴(kuò)散迅速；白天晴朗小風(fēng)或地形起伏區(qū)。圓錐形：中性；水平垂直方向擴(kuò)散均勻；平坦郊野大風(fēng)多云。當(dāng)前23頁，總共25頁。扇形：穩(wěn)定；湍流受抑，垂直擴(kuò)散小，水平沿主導(dǎo)風(fēng)向有一定側(cè)向擴(kuò)散；夜間小風(fēng)或凌晨強(qiáng)逆溫。漫煙形（熏煙形、陷阱型）：上穩(wěn)、下不穩(wěn)；下部煙羽充分?jǐn)U散，上部逆溫頂蓋；日出后，煙霧事件。屋脊形（上升型）：上中(或不穩(wěn))、下穩(wěn)；上部煙羽沿主風(fēng)向呈屋脊形擴(kuò)散，下部邊緣清晰；傍晚。當(dāng)前24頁，總共25頁。煙羽型環(huán)鏈形