《边界层气象学》课件：CH08_非均一下垫面对边界层的影响

1、第八章第八章 非均一下垫面对边界非均一下垫面对边界层的影响层的影响一、内边界层一、内边界层 二、山谷风和海陆风二、山谷风和海陆风三、过山气流三、过山气流四、热岛环流四、热岛环流五、建筑物周围局地环流五、建筑物周围局地环流在实际的地理条件下，很难找到有几十甚至上百公在实际的地理条件下，很难找到有几十甚至上百公里的均一平坦的下垫面。城镇建筑物、大面积水域、里的均一平坦的下垫面。城镇建筑物、大面积水域、森林、农作物以及地形的起伏分布，都对边界层的森林、农作物以及地形的起伏分布，都对边界层的结构产生了一定影响。从结构产生了一定影响。从2020世纪世纪5050年代末到年代末到8080年代年代初，边界层的

2、研究工作重心逐渐转向了非均一下垫初，边界层的研究工作重心逐渐转向了非均一下垫面影响的理论研究，野外观测、数值模拟技术以及面影响的理论研究，野外观测、数值模拟技术以及环境风洞模拟实验对这方面的研究起了很大的推动环境风洞模拟实验对这方面的研究起了很大的推动作用。这方面的工作重点多集中在中小尺度，从水作用。这方面的工作重点多集中在中小尺度，从水平距离百米尺度到数十公里尺度平距离百米尺度到数十公里尺度 一、内边界层一、内边界层1、动力内边界层（简称内边界层）、动力内边界层（简称内边界层）2、热内边界层、热内边界层3、内边界层对扩散的影响、内边界层对扩散的影响当气流从上游的均一下垫面移向下游的另一种均一

3、下垫面当气流从上游的均一下垫面移向下游的另一种均一下垫面时，下垫表面的动力、热力或水汽输送条件常会发生跃变。时，下垫表面的动力、热力或水汽输送条件常会发生跃变。例如气流从相对光滑的海洋（例如气流从相对光滑的海洋（z0值很小）移向相对粗糙的陆值很小）移向相对粗糙的陆地时，不但下垫面的粗糙度发生跃变，而且还极有可能产地时，不但下垫面的粗糙度发生跃变，而且还极有可能产生下垫面温度以及水汽蒸发条件的跃变。为了简化研究的生下垫面温度以及水汽蒸发条件的跃变。为了简化研究的问题，现问题，现讨论下述两种情况讨论下述两种情况： 上游来流为中性大气，气流从一种粗糙度表面跃变到上游来流为中性大气，气流从一种粗糙度表

4、面跃变到另一种粗糙度的下垫表面；另一种粗糙度的下垫表面；（动力内边界层）（动力内边界层） 气流从一种温度的下垫表面过渡到另一种温度的下垫气流从一种温度的下垫表面过渡到另一种温度的下垫表面。表面。（热内边界层）（热内边界层）前一种情况是纯动力过程。后一种情况比较复杂，大多数前一种情况是纯动力过程。后一种情况比较复杂，大多数人最关心的一种特例是：上游来流为稳定层结，从冷下垫人最关心的一种特例是：上游来流为稳定层结，从冷下垫表面跃变到较暖的下垫表面。在地面的动力或热力强制作表面跃变到较暖的下垫表面。在地面的动力或热力强制作用下，在新的下垫表面上空将形成一个内边界层用下，在新的下垫表面上空将形成一个内

5、边界层 1、动力内边界层（简称内边界层）、动力内边界层（简称内边界层）在气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度表面的过程在气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度表面的过程中，新下垫表面的强制作用将调整原有的中，新下垫表面的强制作用将调整原有的风速廓线和摩擦风速廓线和摩擦速度速度。随着气流往下游的运行，它的强制作用逐渐向上扩。随着气流往下游的运行，它的强制作用逐渐向上扩散，因而在新表面上空形成一个散，因而在新表面上空形成一个厚度逐渐加大的新边界层厚度逐渐加大的新边界层。最后，空气层完全摆脱来流的影响，形成了适应新下垫表最后，空气层完全摆脱来流的影响，形成了适应新下垫表面的边界层。在这个过程的初始

6、和中期阶段形成的新边界面的边界层。在这个过程的初始和中期阶段形成的新边界层就层就称为动力内边界层称为动力内边界层。 （边界层内的边界层）（边界层内的边界层）hi之下为内边界层：之下为内边界层：IBL，Inner Boundary Layer。hss之下为一个副层之下为一个副层内边界层发展示意图内边界层发展示意图内边界层中风速廓线：内边界层中风速廓线：当上游来流为中性大气时，内边界层顶当上游来流为中性大气时，内边界层顶hi以上仍维持上游的对数分布规律；在以上仍维持上游的对数分布规律；在hss副层内则已适应新的副层内则已适应新的表面粗糙度表面粗糙度z02和摩擦速度和摩擦速度u*02；在；在hss和

7、和hi之间则处于过渡阶段之间则处于过渡阶段 i0202*ln)(hzfzzuzu1,01lnlnii0202*0101*ihzhz , zzuzzuhzf注意：注意：hi 是下风距离的函数是下风距离的函数我们的目的是：确定内边界层中风速廓线、内边界层的高度、我们的目的是：确定内边界层中风速廓线、内边界层的高度、内边界层的摩擦速度或者切应力。内边界层的摩擦速度或者切应力。内边界层上下的风速廓线内边界层上下的风速廓线 (根据根据Bradley，1968) 观测资料观测资料粗糙度跃变点在粗糙度跃变点在x = 0处。处。 图图(a)为光滑到粗糙的过渡，为光滑到粗糙的过渡，z01=0.02mm，z02=

8、2.5mm；图；图(b)为粗糙到光滑的过渡，为粗糙到光滑的过渡，z01=2.5mm, z02=0.02mm TownsendTownsend根据相似理论概念，对内边界层中的风速廓线提出了根据相似理论概念，对内边界层中的风速廓线提出了自保持（自保持（Self- PreservingSelf- Preserving）的概念，即各个断面上的风速廓）的概念，即各个断面上的风速廓线保持某种相似规律。之后，线保持某种相似规律。之后，MulhearnMulhearn通过风洞实验给出了自通过风洞实验给出了自保持的表达形式保持的表达形式 )()()(p01*02*12uhzguuzuzuzui流线流线位移位移产

9、生产生的訂的訂正值正值 由风由风洞实洞实验得验得到到冯卡冯卡门常门常数数野外观测实验结果证野外观测实验结果证明此公式比较满意明此公式比较满意内边界层高度确定内边界层高度确定：Elliott 给出的经验公式为：给出的经验公式为： nzxMzh0202i)03. 075. 0(0201lnzzM 根据许多研究工作根据许多研究工作者在野外和风洞的者在野外和风洞的实验结果，实验结果，n=0.8相当合适相当合适 内边界层顶高度与距离的内边界层顶高度与距离的关系关系 （根据（根据Garratt，1992）实线实线A A（圆点）为光滑到粗（圆点）为光滑到粗糙的过渡，实线糙的过渡，实线B B（三角点）（三角点

10、）为粗糙到光滑的过渡，虚为粗糙到光滑的过渡，虚线则为上式的结果。两组线则为上式的结果。两组曲线的曲线的M M值分别为值分别为 4.84.8和和4.8 4.8 Miyaka提出一个比较明确而简单的理论模式来确定内边界层提出一个比较明确而简单的理论模式来确定内边界层高度，假设内边界层顶的垂直伸展速度与高度，假设内边界层顶的垂直伸展速度与u*02成正比，平流输成正比，平流输送速度为送速度为 ),(zxu ),(dd02*1izxuuBxh 0202*ln,zzuzxu设设x=0处处hi=z02, 积分上式可得积分上式可得 102ii1lnBzhxhB1 1。上式的唯一不足是，完全没有考虑上游来流的影

11、响。上式的唯一不足是，完全没有考虑上游来流的影响。目前，有关内边界层高度预测的进一步工作，大多数学者已目前，有关内边界层高度预测的进一步工作，大多数学者已放弃了其解析表达式的推导，而采用数值模拟的方法放弃了其解析表达式的推导，而采用数值模拟的方法 假设假设内边界层中内边界层中u* (或切应力或切应力 = u*2)的变化难以测量，但地表切的变化难以测量，但地表切应力应力 0或或u*02的测量可以借助应力盘来完成的测量可以借助应力盘来完成 内边界层下垫表面切应内边界层下垫表面切应力随距离的变化力随距离的变化 （根据（根据Bradley，1968）长虚线为长虚线为PanofskyPanofsky和和

12、Townsend1Townsend1的计算结果；的计算结果；短虚线为短虚线为JensenJensen的计算的计算结果；实线为结果；实线为RaoRao等人的等人的计算结果计算结果 2、热内边界层、热内边界层热内边界层的发展及其温度廓线随距离的变化热内边界层的发展及其温度廓线随距离的变化 逆温顶高度逆温顶高度冷却：稳定层冷却：稳定层加热：混合层加热：混合层实际观测证实，不稳定层结热内边界层的结构完全与混合层一实际观测证实，不稳定层结热内边界层的结构完全与混合层一致。因而可以将预测混合层随时间变化的规律应用到热内边界致。因而可以将预测混合层随时间变化的规律应用到热内边界层高度层高度hit的预测模式中

13、。根据的预测模式中。根据9.4.7式，假设式，假设hit(t0) = 0，可写成：，可写成： twAths2it) (212 xwuAxhs2it) (212 上游空气层的逆位温梯度上游空气层的逆位温梯度A 卷夹系数取作卷夹系数取作0.20 u内边界层的平均风速内边界层的平均风速 s) (w下游地表的感热通量下游地表的感热通量 对于缺乏感热通量观测的地区，对于缺乏感热通量观测的地区，Stundar和和Sethuraman(1985) 建议可采用下列经验公式建议可采用下列经验公式 xTTCxh0102D2itT01和和T02分别为上、下游的地表温度分别为上、下游的地表温度 220*D/uuC为地

14、表阻力系数为地表阻力系数 3、内边界层对扩散的影响、内边界层对扩散的影响图图(a)为由光滑进入到粗为由光滑进入到粗糙的动力内边界层的情糙的动力内边界层的情况，烟云的扩散能力将况，烟云的扩散能力将会明显加强；会明显加强；图图(b)为进入不稳定层结为进入不稳定层结热内边界层的情况，烟热内边界层的情况，烟云在内边界层中迅速扩云在内边界层中迅速扩展，形成熏烟型扩散。展，形成熏烟型扩散。二、山谷风和海陆风二、山谷风和海陆风下垫面性质不均匀（如陆地和水面、沙漠和植被）和地形起下垫面性质不均匀（如陆地和水面、沙漠和植被）和地形起伏不平等动力因素和热力因素的变化，都能引起地方性的气伏不平等动力因素和热力因素的

15、变化，都能引起地方性的气流变化。这种局地环流一般是中、小尺度的，范围从几公里流变化。这种局地环流一般是中、小尺度的，范围从几公里到一百多公里，其中最常见的是山谷风和海陆风。应指出的到一百多公里，其中最常见的是山谷风和海陆风。应指出的是，由于实际风是大尺度天气形势和局地环流综合作用的结是，由于实际风是大尺度天气形势和局地环流综合作用的结果，因此只有在果，因此只有在主导风比较弱时，这种局地环流才能清楚地主导风比较弱时，这种局地环流才能清楚地表现出来。表现出来。 1、山谷风、山谷风谷内横向环流的理想化日变化过程谷内横向环流的理想化日变化过程 如北京：如北京：2、海陆风、海陆风海风发展初期压力场和流场

16、的分布海风发展初期压力场和流场的分布 海陆风数值模拟结果海陆风数值模拟结果10m1400LT系统风为系统风为东风东风三、过山气流三、过山气流1、中性层结条件下过山气流、中性层结条件下过山气流2、稳定层结条件下过山气流、稳定层结条件下过山气流过山气流的研究无论从理论上和实验上都存在极大的难度，过山气流的研究无论从理论上和实验上都存在极大的难度，我们在这里仅简单介绍一些低矮山丘（山丘高度远低于边界我们在这里仅简单介绍一些低矮山丘（山丘高度远低于边界层顶）的研究结果，而且限于二维山丘的情况，以便对过山层顶）的研究结果，而且限于二维山丘的情况，以便对过山气流的基本情况有所了解气流的基本情况有所了解 1

17、、中性层结条件下过山气流、中性层结条件下过山气流气压扰动气压扰动静压力很小，风速很大静压力很小，风速很大正压正压负压负压正压正压正、负压转换之处正、负压转换之处出现涡旋：即二次出现涡旋：即二次涡涡内层内层 最贴近山体的具有风速切变的气层，厚度以l表示。该层内的风切变被加强，非线性平流项与湍流切应力散度达到局地平衡，即： zxuu其中z为自山体表面起算的垂直高度，可用下式表示： hhLxfHzzHh为山丘的高度，Lh为0.5Hh高处的山丘半宽度，f (x/Lh) 为小山丘的外形曲线函数。据估计，内层厚度l约为0.010.05Lh 外层：边界层的顶层，可以假设平均流场已不存在任何切变。中间层 介于

18、内层和外层的过渡层。令中间层高度（自山体表面起算）为hm 210hmlnzlLh在山丘的背风坡，包括贴近背风坡的空腔区以及随后的高湍在山丘的背风坡，包括贴近背风坡的空腔区以及随后的高湍流区通称尾流区。尾流区内已经很难再划分出它的副层，污流区通称尾流区。尾流区内已经很难再划分出它的副层，污染物输送到尾流区内将可能出现熏烟型的扩散。尾流区的控染物输送到尾流区内将可能出现熏烟型的扩散。尾流区的控制因子比较复杂，例如山丘的外形也将是一个比较重要因子，制因子比较复杂，例如山丘的外形也将是一个比较重要因子，一些坡度较缓的山丘，贴近背风坡后空腔区中的二次涡将不一些坡度较缓的山丘，贴近背风坡后空腔区中的二次涡

19、将不一定形成一定形成。2、稳定层结条件下过山气流、稳定层结条件下过山气流稳定层结条件下过山气流的流场是相当复杂的，可能出现下列几种现象： （1）气层在背风坡产生波动，波动的波长为 Nhum02可理解为稳定层结条件下扰动气块以N 频率振荡，以平均风速 移动时，形成的波动的波长 。N为布伦特维塞拉频率Brunt-Vaisala (稳定层结时大气重力内波的频率稳定层结时大气重力内波的频率)(m0hudzdgN002（2）背风坡的空腔区在中等稳定度的情况下会受到抑制 从从A、B点同时释放小球探空点同时释放小球探空（3）强稳定条件下近地面处将产生在背风坡波动的脱体，形成背风坡波动滚轴（lee wave

20、rotor） 判断过山气流的稳定性判断过山气流的稳定性，不但需考虑当时的大气温度层结，还应考虑山体尺度对气流扰动的影响。取山体的半宽度Lh作为障碍物（山体）特征尺度，令特征速度 )(m0huU 定义山体水平弗罗德（Froude）数FL作为动力稳定度判据: hLNLUF 式中式中N是是Brunt-Vaisala频率。弗罗德数的平方表征惯性力频率。弗罗德数的平方表征惯性力与浮力之比。受山体扰动的气流处于中性稳定时，与浮力之比。受山体扰动的气流处于中性稳定时，FL，此判据不再适用此判据不再适用 稳定度类别稳定度类别判判 据据背背 风风 坡坡 流流 场场 特特 征征弱弱u* / NLh 1；FL1；F

21、H 1存在空腔区二次涡，无大气波动存在空腔区二次涡，无大气波动中中FL 1; FH1无空腔区二次涡，存在大气波动并诱发波动滚轴无空腔区二次涡，存在大气波动并诱发波动滚轴强强1 FH0存在明显的波动滚轴存在明显的波动滚轴过山气流稳定度的强弱除了与弗罗德数FL有关之外，还与山体的坡度有密切的关系，他们引入了一个新的判据，称作山称作山体垂直扰动的弗罗德数体垂直扰动的弗罗德数FH： hHNHUF四、热岛环流城市有这样一些特点： 大多数城市都存在许多人为的热源和污染源；市区地面覆盖着大面积沥青、混凝土表面，它们干燥不透水，水分蒸散所消耗的热量少；建筑物墙面对热量的吸收，使城市储存一部分热量。因此城市近地

22、层的空气将高于周围郊区和农田近地面层的气温。在地图上的等温线将出现一个高温中心，称之为城市热岛 热岛环流热岛环流 一般认为，当天气尺度的风速较小时，一般认为，当天气尺度的风速较小时，边界层大气由于边界层大气由于城市热岛城市热岛的存在，可以的存在，可以在城市中心形成一个低压中心并产生指在城市中心形成一个低压中心并产生指向城市的气压梯度力，在低层造成向内向城市的气压梯度力，在低层造成向内的辐合流场和上升气流。在几百米的高的辐合流场和上升气流。在几百米的高度上，空气又以相反的方向从城市向郊度上，空气又以相反的方向从城市向郊外流出并下沉，形成一缓慢地热岛环流。外流出并下沉，形成一缓慢地热岛环流。 城市热岛的影响对边界层下层最为明显。白天城市具有高的感热通量，使城市热内边界层的厚度高于四周乡村的混合层；夜间乡村的来流空气层为稳定边界层时，在城市上空仍能发展出不稳定的热内边界层。沿主导风方向穿过市区中心作一剖面图（图10.18），可显示出城市上空温度层结及热内边界层厚度随距离的变化。 热岛环流观测和模拟实例热岛环流观测和模拟实例观测示意图The observations in December 1984 lasted from 17th to 28th. The measurementsof wind and temperature