第9章 大气边界层

第九章大气边界层01边界层定义02风和气流03湍流输送04边界层厚度与结构05微气象学06边界层意义07边界条件和表面强迫力08海陆风环流本章主要内容大气边界层•地球表面是大气圈一个边界。在这个边界上输运过程改变着100米到3000米厚的最低层大气，形成所谓边界层。•对流层大气其余部分统称为自由大气。1边界层定义对流层是从地面往上直达11千米平均高度，但通常只有最低2000米才直接被下垫面改变；定义：大气边界层指的是地面往上到1000-2000米高度的这一大气层。边界层定义由于它与地球表面直接接触，所以地球表面的强迫力如摩擦力、蒸发和蒸腾、热传递、污染物排放以及地形引起的流的变化等可以对它产生直接的影响，其响应时间尺度为1小时或者更小。边界层虽然很薄，但是人类和其它生物活动主要区域，所以一直是大气科学研究重点课题。下图给出对流层下部温度变化一个例子。近地面气温日变化比较明显，而自由大气则没有什么日变化。边界层定义•地面因辐射而增温和冷却，从而通过传输强迫边界层发生变化。湍流是其中重要运输过程，有时候也用湍流来定义边界层。•相应时间尺度约为1小时或者更小。这并不意味着这段时间内边界层达到平衡，只是表示至少已经开始。•边界层中研究中包括晴天积云和层积云2种。晴天积云与边界层中热泡关系密切；层积云在边界层上部，温度较低使水汽凝结。•雷暴能够将边界层空气抽吸入云层或铺设冷的下层空气罩而使边界层在几分钟内发生变化。2风和气流•气流或者风可以分为三大类：平均风、湍流、波。•各种物理量如水汽、热量、动量和污染物等输送在水平方向上主要靠风来实现；而垂直方向上主要靠湍流；uuuu平均风波湍流风和气流平均风：可以产生很快的水平输送或平流；摩擦力使平均风在近地面处达到最小值；量级：水平风为2到10米（m）每秒垂直风为几毫米（mm）到几厘米（cm）（小）波：一般在夜间边界层观测到波；波对动量和能量输运起重要作用；来源于平均风剪切（切边）、平均风经过障碍物时产生等等湍流：湍流是边界层区别于大气其余部分的特征之一。在近地面湍流发生的频率相当高；对流云中有湍流；在急流附近强风剪切造成晴空湍流。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。3湍流输送定义：•湍流是叠加在平均风速上的阵性流现象，远可以认为是由作不规则旋转运动的涡旋所组成。•通常情况，湍流由许多大小不同的涡相互叠加而成。•这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。①边界层湍流由来自地面的强迫力产生。例如：晴天时，地面受太阳辐射加热，使得温暖的热泡上升，这些热泡即大涡旋；②边界层（ABL）的厚度相当于最大涡旋的尺度，即直径100-3000米；最小的涡旋量级只有几毫米（mm），考虑分子粘性的耗散效应，所以很弱。③边界层通过湍流作用来响应地面强迫力的变化；•（1）运动学通量和湍流通量–定义：通量是指单位时间内通过单位面积所传输的量。质量、热量、动量和污染物的通量通量符号单位质量热量湿度动量污染物或2akgms2Jms2wkgms12()akgmsms2kgms污2kgmmss污~F~R~HQ~M~？运动学通量符号单位质量热量湿度动量污染物msmKsmmssaMM~paaHHCQQ~aRR~风速表示质量和动量通量；温度和风速表示表示热量；比湿（q）和风速表示水汽通量。aFF~a~smkgkgawsmkgkga污这些通量可以通过除以湿空气密度而重新定义成运动学形式，•设热量通量,求热量运动学通量QH•解：2365~mWQHsmKCQQPHH/30.0100521.1365~4边界层厚度与结构（1）混合层（2）剩余层（3）稳定边界层4边界层厚度与结构•1在海洋上方，边界层厚度的时空变化相对陆地要慢。这是由于海洋上部很强的混合，海面温度日变化极小。因此一个缓慢变化的海面温度意味着一个缓慢变化的强迫力对边界层底的作用；•2海洋上面的边界层厚度大多数变化是由海面的天气尺度和中尺度过程的垂直运动以及不同气团的平流造成的。•3无论在陆地还是海洋上，边界层的共同特征是高压区比低压区薄（P171）。（？）边界层厚度与结构updraftsDivergence(辐散)Convergence（辐合）Subsidence（下沉）高压（H）低压（L）（上升）低压区边界层高度如何确定？边界层厚度与结构•BL（BoundaryLayer）边界层•CL（CloudLayer）云层•FA（FreeAtmosphere）自由大气•IBL（InternalBoundaryLayer）内边界层•ML（MixedLayer）混合层•RL（ResidualLayer）剩余层•SBL（StableBoundaryLayer）稳定边界层•SCL（SubcloudLayer）云下层•SL（SurfaceLayer）表面层：占边界层10%的底部区域中午noon日落sunset午夜midnight中午noon日出sunrise夹卷层剩余层（RL）夹卷层自由大气（FA）盖顶逆温混合层(ML)混合层(ML)陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。高度(m)200010000边界层的发展具有明显的日变化特点（高压区、小风、无云条件）稳定（夜间）边界层表面层（SL）表面层（SL）表面层（SL）云层边界层厚度与结构•在陆地表面的高压区，边界层具有明确的结构，其发展具有日循环特点。其结构主要包括三部分：①混合层（ML）：混合层(ML)中的湍流通常由对流驱动的，对流的成因包括温暖地面的热传递，以及云层顶的辐射冷却。②剩余层（RL）：在日落前半小时，热泡不再形成，在早先充分混合层中的湍流衰减，这样的气层即剩余层(RL)。③稳定边界层（SBL）：随着夜晚的来临，剩余边界层（RL）的底部通过与地面接触而转变为稳定边界层。（1）混合层（ML）•混合层主要生成机制是对流，所以在晴天，ML的发展依赖于地面的太阳加热。（？）•混合层顶部的稳定层作用？---顶盖，限制对流---卷挟带•整个混合层的风都是次地转风，风速分布？（风速向下递减，在近地面处趋近于零）•水汽混合比随高度增加而减小，为什么？•大部分污染物是靠近地球表面（2）剩余层（RL）1、剩余层（RL）：它的初始平均状态变量和浓度变量与当前湍流衰减着的混合层中的一样。时间尺度：日落前半小时到日出后不久;2、剩余层（RL）：是中性层结，即其中的湍流在所有方向强度相等。结果，排入RL中的烟羽以相等的速率在垂直方向和水平方向弥散，形成锥形羽，见图8.7（P174）3、在夜间，夜间稳定层（SBL）通过剩余层（RL）变性而逐渐加厚（3）稳定边界层（SBL、NBL）稳定边界层：特征：静力稳定的空气中带有弱而散在的湍流；与白天的混合层（ML）具有清晰顶部不同，SBL的顶大多不明显；SBL中的污染物在垂直方向扩散极小，而在水平方向上则快的多，即称为扇形扩散；夜间风复杂。接近地面处，风速变得很小甚至静止；离地200米量级的高度上夜间急流可达10-30米每秒，再往上减小到地转值。波动在SBL中经常发生。稳定边界层SBL也能在白天发生，条件是下垫面比空气冷就行。5微气象学（边界层气象学）•与气象学中有关运动的其他尺度相比，湍流（空间尺度小于3公里，时间尺度大约小于1小时）的尺度最小---微尺度。微气象学便研究这样小尺度现象。•如果要确定的描述和预报每一个单独的涡旋实际上是不可能的。微气象学家发展了三种基本的方法：P175–随机方法–相似理论–现象学分类法微气象学6边界层的意义特征边界层自由大气湍流几乎整个厚度上都不断发生在对流云中，以及在广而薄的气层中有散在的CAT摩擦地球表面很强的阻力，大量能量耗散小的粘性耗散弥散垂直和水平方向迅速的湍流混合小的分子扩散，常有迅速的水平方向的平均风输运风表面层中近似为对数风速廓线，通常为次地转的，并与等压线相交几乎是地转的垂直输运湍流占优势平均风和积云尺度占优势厚度变化于100米到3公里之间，陆上有日变化变化小，在8-18公里之间，时间变化慢进一步体会边界层重要性：每天预报实际上是边界层预报；污染物积聚在边界层中；雾发生在边界层中；气团实际上是地球不同部分大气边界层；农作物生长在边界层中；云核被边界层过程从表面混入大气雷暴和台风发展与潮湿边界层空气有关；大气动能大约50%耗散在边界层中；暖锋和冷锋将不同温度边界层分开；7边界条件和表面强迫力•（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，湍流通量为0，故有效表面湍流通量的量值等于分子通量；–在最低几厘米以上，分子湍流通量忽略不记，主要考虑湍流通量；分子过程在其中占优势的空气薄层称为微层。0=-HTQZν₀是分子热扩散系数（对于空气，量级为2*10⁻⁵m²/S）P178下垫面能量平衡分配（向上为正）：－Q*S=QH+QE-QG＋△QS净辐射显热潜热分子热通量冠层内储存热量（2）表面热平衡+QG－QS-QH-QE夜间-QG－Q*SQHQE白天陆地白天和夜间的能量平衡condensationevaporationThinboundary8海陆风环流在沿海地带，白天风从海上吹向陆地，称为海风；夜间，风从陆地吹向海洋，称为陆风。在大水体，例如湖泊，也可以发生这样现象，称之为湖陆风。无论是海风环流还是陆风环流，空气都是由较暖一侧上升，在较冷一侧下沉，形成一个直接热力环流，这种环流也称为正环流。白天本章小结1、大气边界层。大气边界层指的是从地面往上到1000-2000米高度的这一大气层。2、大气边界层基本理论和研究方法。气流或者风可分为3大类：平均风、湍流和波。每一种都可存在于边界层中，水汽、热量、动量等输送在水平方向上主要是靠风来实现的，在垂直方向主要是湍流。无论是研究湍流还是研究波，共同方法是将变量分解成平均部分和扰动部分；例如温度，平均部分表示平均温度影响，而扰动部分可以代表波的影响或叠加在平均风速之上的湍流作用。3、湍流。湍流是叠加在平均风速上阵性流现象，是由不规则旋转运动涡旋组成。这些不同尺度涡旋相对强度就是湍流谱。4、边界层基本组成结构。在陆地表面高压区，边界层发展有日循环特点，由混合层、剩余层和稳定边界层3部分组成；当混合层有云时，再细分为云层和云下层。混合层中湍流发展旺盛，主要依赖于地面的太阳加热，从太阳升起后半小时直到傍晚；在日落前半小时，混合层中湍流衰减，这样的气层叫做剩余层；在夜间剩余层底部通过与地面接触而变成稳定边界层，通过底部不断变性稳定边界层而逐渐加厚，在稳定边界层中带有弱而散在的湍流。谢谢观赏