大氣邊界層之詳解

大氣邊界層之詳解演示文稿當前1頁，總共25頁。優(yōu)選大氣邊界層之當前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，分子切應力遠大于湍流切應力，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，風隨高度變化明顯，需要考慮風隨高度的切變。大氣邊界層垂直分層結構（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烈，氣象要素隨高度變化激烈，運動尺度小，科氏力可略。由于近地層很薄和湍流擴散強烈混合的結果，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，近地層中風向也不隨高度變化。當前3頁，總共25頁。(Oke,1987)自然界中的流體運動存在著兩種完全不同的運動狀態(tài)

層流：平順、光滑、清晰，沒有摻混現象

湍流（紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規(guī)則當前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向隨高度近乎不變，氣流結構不受科氏力影響當前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、中尺度垂直運動和不同氣團平流引起的。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)展的結構。當前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。

（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致超地轉風，形成低空急流或夜間急流。當前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)強風（>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Rn=（

Sin-Sout

）+（

Lin-Lout

）當前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當前11頁，總共25頁。輻射平衡能量分配渦度相關法直接測定生態(tài)系統(tǒng)尺度能量和物質交換通量，但存在低估等技術缺陷。將生態(tài)系統(tǒng)中水分的散失和驅動蒸散作用的能量收支聯系起來，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。

由熱力學第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以推導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，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i--表示空氣塊下標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準氣壓（1000hPa）處所具有的溫度稱為它的位溫。

rd=-(dTi/dZ)d=g/Cp當前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值。若氣溫隨高度增加是遞減的，

為正值，反之，

為負值。（3）氣溫的垂直分布氣溫直減率rrr若Z↑，T↓，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)>0，正值若Z↑，T↑，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)<0，負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氣溫隨高度逆增當前18頁，總共25頁。大氣中的溫度層結有四種類型：

(1)氣溫隨高度增加而遞減，即

>rd，稱為正常分布層結或遞減層結；(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；(3)氣溫不隨高度變化，即

＝0，稱為等溫層結；(4)氣溫隨高度增加而增加，即

<0，稱為氣溫逆轉，簡稱逆溫。rrrr當前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、風速和土壤熱性質有關，具有明顯的日變化。當前20頁，總共25頁。1.2.4大氣穩(wěn)定度與ABL結構穩(wěn)定度，用M-O長度L作為依據

L：負值無窮大正值對流（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，主要用來分析邊界層中的外部參數對湍流擴散過程的影響。當前21頁，總共25頁。

不穩(wěn)定邊界層結構及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)

穩(wěn)定邊界層結構及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結中的波動及下部大對流湍渦湍流層較淺層內存在顯著平均梯度,風速極值分布湍渦尺度小,伴隨疊加重力波當前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，擴散迅速；白天晴朗小風或地形起伏區(qū)。圓錐形：中性；水平垂直方向擴散均勻；平坦郊野大風多云。當前23頁，總共25頁。扇形：穩(wěn)定；湍流受抑，垂直擴散小，水平沿主導風向有一定側向擴散；夜間小風或凌晨強逆溫。漫煙形（熏煙形、陷阱型）：上穩(wěn)、下不穩(wěn)；下部煙羽充分擴散，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)；上部煙羽沿主風向呈屋脊形擴散，下部邊緣清晰；傍晚。當前24頁，總共25頁。煙羽型環(huán)鏈形