第9章大氣邊界層

第九章大氣邊界層

本章主要內(nèi)容大氣邊界層地球表面是大氣圈一個(gè)邊界。在這個(gè)邊界上輸運(yùn)過(guò)程改變著100米到3000米厚的最低層大氣，形成所謂邊界層。對(duì)流層大氣其余部分統(tǒng)稱(chēng)為自由大氣。1邊界層定義對(duì)流層是從地面往上直達(dá)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(qiáng)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(duì)它產(chǎn)生直接的影響，其響應(yīng)時(shí)間尺度為1小時(shí)或者更小。邊界層雖然很薄，但是人類(lèi)和其它生物活動(dòng)主要區(qū)域，所以一直是大氣科學(xué)研究重點(diǎn)課題。下圖給出對(duì)流層下部溫度變化一個(gè)例子。近地面氣溫日變化比較明顯，而自由大氣則沒(méi)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(guò)傳輸強(qiáng)迫邊界層發(fā)生變化。湍流是其中重要運(yùn)輸過(guò)程，有時(shí)候也用湍流來(lái)定義邊界層。相應(yīng)時(shí)間尺度約為1小時(shí)或者更小。這并不意味著這段時(shí)間內(nèi)邊界層達(dá)到平衡，只是表示至少已經(jīng)開(kāi)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(guān)系密切；層積云在邊界層上部，溫度較低使水汽凝結(jié)。雷暴能夠?qū)⑦吔鐚涌諝獬槲朐茖踊蜾佋O(shè)冷的下層空氣罩而使邊界層在幾分鐘內(nèi)發(fā)生變化。2風(fēng)和氣流氣流或者風(fēng)可以分為三大類(lèi)：平均風(fēng)、湍流、波。各種物理量如水汽、熱量、動(dòng)量和污染物等輸送在水平方向上主要靠風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而垂直方向上主要靠湍流；平均風(fēng)波湍流風(fēng)和氣流平均風(fēng)：可以產(chǎn)生很快的水平輸送或平流；摩擦力使平均風(fēng)在近地面處達(dá)到最小值；量級(jí)：水平風(fēng)為2到10米（m）每秒垂直風(fēng)為幾毫米（mm）到幾厘米（cm）（小）波：一般在夜間邊界層觀測(cè)到波；波對(duì)動(dòng)量和能量輸運(yùn)起重要作用；來(lái)源于平均風(fēng)剪切（切邊）、平均風(fēng)經(jīng)過(guò)障礙物時(shí)產(chǎn)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(dāng)高；對(duì)流云中有湍流；在急流附近強(qiáng)風(fēng)剪切造成晴空湍流。大氣湍流和波動(dòng)疊加在平均場(chǎng)上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動(dòng)。3湍流輸送定義：湍流是疊加在平均風(fēng)速上的陣性流現(xiàn)象，遠(yuǎn)可以認(rèn)為是由作不規(guī)則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)強(qiáng)度就是湍流譜。邊界層湍流由來(lái)自地面的強(qiáng)迫力產(chǎn)生。例如：晴天時(shí)，地面受太陽(yáng)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(dāng)于最大渦旋的尺度，即直徑100-3000米；最小的渦旋量級(jí)只有幾毫米（mm），考慮分子粘性的耗散效應(yīng)，所以很弱。邊界層通過(guò)湍流作用來(lái)響應(yīng)地面強(qiáng)迫力的變化；（1）

運(yùn)動(dòng)學(xué)通量和湍流通量定義：通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳輸?shù)牧?。質(zhì)量、熱量、動(dòng)量和污染物的通量通量符號(hào)單位質(zhì)量熱量濕度動(dòng)量污染物或？運(yùn)動(dòng)學(xué)通量符號(hào)單位質(zhì)量熱量濕度動(dòng)量污染物

風(fēng)速表示質(zhì)量和動(dòng)量通量；溫度和風(fēng)速表示表示熱量；比濕（q）和風(fēng)速表示水汽通量。這些通量可以通過(guò)除以濕空氣密度而重新定義成運(yùn)動(dòng)學(xué)形式，設(shè)熱量通量,求熱量運(yùn)動(dòng)學(xué)通量QH解：4邊界層厚度與結(jié)構(gòu)4邊界層厚度與結(jié)構(gòu)1在海洋上方，邊界層厚度的時(shí)空變化相對(duì)陸地要慢。這是由于海洋上部很強(qiáng)的混合，海面溫度日變化極小。因此一個(gè)緩慢變化的海面溫度意味著一個(gè)緩慢變化的強(qiáng)迫力對(duì)邊界層底的作用；2海洋上面的邊界層厚度大多數(shù)變化是由海面的天氣尺度和中尺度過(guò)程的垂直運(yùn)動(dòng)以及不同氣團(tuán)的平流造成的。3無(wú)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)薄（P171）。（？）邊界層厚度與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)BL（BoundaryLayer）邊界層CL（CloudLayer）云層FA（FreeAtmosphere）自由大氣IBL（InternalBoundaryLayer）內(nèi)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(duì)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(diǎn)（高壓區(qū)、小風(fēng)、無(wú)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(jié)構(gòu)在陸地表面的高壓區(qū)，邊界層具有明確的結(jié)構(gòu)，其發(fā)展具有日循環(huán)特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要包括三部分：混合層（ML）：混合層(ML)中的湍流通常由對(duì)流驅(qū)動(dòng)的，對(duì)流的成因包括溫暖地面的熱傳遞，以及云層頂?shù)妮椛淅鋮s。剩余層（RL）：在日落前半小時(shí)，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(lái)臨，剩余邊界層（RL）的底部通過(guò)與地面接觸而轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。（1）混合層（ML）混合層主要生成機(jī)制是對(duì)流，所以在晴天，ML的發(fā)展依賴(lài)于地面的太陽(yáng)加熱。（？）混合層頂部的穩(wěn)定層作用？---頂蓋，限制對(duì)流---卷挾帶整個(gè)混合層的風(fēng)都是次地轉(zhuǎn)風(fēng)，風(fēng)速分布？（風(fēng)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(dāng)前湍流衰減著的混合層中的一樣。時(shí)間尺度：日落前半小時(shí)到日出后不久;2、剩余層（RL）：是中性層結(jié)，即其中的湍流在所有方向強(qiáng)度相等。結(jié)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(jiàn)圖8.7（P174）3、在夜間，夜間穩(wěn)定層（SBL）通過(guò)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(kuò)散極小，而在水平方向上則快的多，即稱(chēng)為扇形擴(kuò)散；夜間風(fēng)復(fù)雜。接近地面處，風(fēng)速變得很小甚至靜止；離地200米量級(jí)的高度上夜間急流可達(dá)10-30米每秒，再往上減小到地轉(zhuǎn)值。波動(dòng)在SBL中經(jīng)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(xué)（邊界層氣象學(xué)）與氣象學(xué)中有關(guān)運(yùn)動(dòng)的其他尺度相比，湍流（空間尺度小于3公里，時(shí)間尺度大約小于1小時(shí)）的尺度最小---微尺度。微氣象學(xué)便研究這樣小尺度現(xiàn)象。如果要確定的描述和預(yù)報(bào)每一個(gè)單獨(dú)的渦旋實(shí)際上是不可能的。微氣象學(xué)家發(fā)展了三種基本的方法：P175隨機(jī)方法相似理論現(xiàn)象學(xué)分類(lèi)法微氣象學(xué)6邊界層的意義特征邊界層自由大氣湍流幾乎整個(gè)厚度上都不斷發(fā)生在對(duì)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(qiáng)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(kuò)散，常有迅速的水平方向的平均風(fēng)輸運(yùn)風(fēng)表面層中近似為對(duì)數(shù)風(fēng)速廓線，通常為次地轉(zhuǎn)的，并與等壓線相交幾乎是地轉(zhuǎn)的垂直輸運(yùn)湍流占優(yōu)勢(shì)平均風(fēng)和積云尺度占優(yōu)勢(shì)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(shí)間變化慢進(jìn)一步體會(huì)邊界層重要性：每天預(yù)報(bào)實(shí)際上是邊界層預(yù)報(bào)；污染物積聚在邊界層中；霧發(fā)生在邊界層中；氣團(tuán)實(shí)際上是地球不同部分大氣邊界層；農(nóng)作物生長(zhǎng)在邊界層中；云核被邊界層過(guò)程從表面混入大氣雷暴和臺(tái)風(fēng)發(fā)展與潮濕邊界層空氣有關(guān)；大氣動(dòng)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(kāi)；7邊界條件和表面強(qiáng)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(guò)程在其中占優(yōu)勢(shì)的空氣薄層稱(chēng)為微層。ν?是分子熱擴(kuò)散系數(shù)（對(duì)于空氣，量級(jí)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(nèi)儲(chǔ)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(fēng)環(huán)流在沿海地帶，白天風(fēng)從海上吹向陸地，稱(chēng)為海風(fēng)；夜間，風(fēng)從陸地吹向海洋，稱(chēng)為陸風(fēng)。在大水體，例如湖泊，也可以發(fā)生這樣現(xiàn)象，稱(chēng)之為湖陸風(fēng)。無(wú)論是海風(fēng)環(huán)流還是陸風(fēng)環(huán)流，空氣都是由較暖一側(cè)上升，在較冷一側(cè)下沉，形成一個(gè)直接熱力環(huán)流，這種環(huán)流也稱(chēng)為正環(huán)流。白天本章小結(jié)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(fēng)可分為3大類(lèi)：平均風(fēng)、湍流和波。每一種都可存在于邊界層中，水汽、熱量、動(dòng)量等輸送在水平方向上主要是靠風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在垂直方向主要是湍流。無(wú)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(dòng)部分；例如溫度，平均部分表示平均溫度影響，而擾動(dòng)部分可以代表波的影響或疊加在平均風(fēng)速之上的湍流作用。3、湍流。湍流是疊加在平均風(fēng)速上陣性流現(xiàn)象，是由不規(guī)則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)渦旋組成。這些