大气边界层之详解

大气边界层之详解演示文(Wen)稿第一页，共二十五页。优选大气(Qi)边界层之第二页，共二十五页。（1）粘性副层（微观层）：分子输送过程处(Chu)于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力，几厘米厚。（3）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）：在这一层里，湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，风随高度变化明显，需要考虑风随高度的切变。大气边界层垂直分层结构（2）近地边界层（=近地面层+冠层，常通量层）：大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略。由于近地层很薄和湍流扩散强烈混合的结果，该层中动量、热量和水汽的铅直输送通量不随高度变化，同样原因，近地层中风向也不随高度变化。第三页，共二十五页。(Oke,1987)自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态

层流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象

湍流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则第四页，共二十五页。近地边界层特征高度：z≤0.1Zi，受下垫面的直接影响风速、温度等气象要素场随高度剧烈(Lie)变化地面粗糙度小尺度湍流，地面增热热力对流

常通量层，各种湍流通量随高度几乎不变该层以上，湍流通量逐渐减弱风向随高度近乎不变，气流结构不受科氏力影响第五页，共二十五页。

边界层垂直高度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。

海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很少。此外，海水热容量大，海面温度日变化不明显，边界层厚度变化十分缓慢。边界层厚度的变化主要是由天气、中尺(Chi)度垂直运动和不同气团平流引起的。1.2.2边界层发展的日变化陆地上:边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。第六页，共二十五页。大陆高压(Ya)区边界层发展的日变化

（1）混合层：湍流混合以对流为主。

（2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结。

（3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流单体，这些湍流单体的上升气流仍然可以导致超地转风，形成低空急流或夜间急流。第七页，共二十五页。不稳定边界层（对流边界层ConvectiveboundarylayerCBL，混合层MixedlayerML）稳定边界层（Stableboundarylayer,Nocturnalboundarylayer）中性边界层（Neutralboundarylayer） 不同类型陆地边界层的(De)基本特征CBLSBLBLDaytimeNighttimeNeutralstrongweakWindydaylargesmallmiddleSmallgradientLargegradientmiddleOccurredat**Turbulence intensityEddyscaleprofiles大气边界层的分类与特征第八页，共二十五页。白天：不稳定边界层（对流边界层、混合层）近地面层、混合层、夹卷层夜间：稳定边界层近地面层、稳定边界层、残留层(中(Zhong)性层结)强风（>12m/s）或阴天条件：中性边界层大陆高压区边界层发展的日变化第九页，共二十五页。1.2.3大气能量(Liang)收支与温度1.辐射平衡(Rn

)太阳短波辐射Sin－向下地表反射短波辐射Sout

－向上地球表面长波辐射Lin

－向上大气长波辐射Lout

－向下四分量辐射计Rn=（

Sin-Sout

）+（

Lin-Lout

）第十页，共二十五页。下垫面能量平(Ping)衡分配：Rn=H+LE+G＋△S2.能量平衡Rn：辐射平衡H：显热通量LE：潜热通量G：土壤热通量△S：储热GHLEΔSRnRnLEHG第十一页，共二十五页。辐射(She)平衡能量分配涡度相关法直接测定生态系统尺度能量和物质交换通量，但存在低估等技术缺陷。将生态系统中水分的散失和驱动蒸散作用的能量收支联系起来，使能量和水循环得以贯穿在一起。动量、显热、潜热和CO2通量第十二页，共二十五页。白天（暖）和夜间（冷）的(De)能量平衡在白天和暖季，Rn＞0，地面由辐射获得热量，并通过分子传导和湍流交换传给土壤和空气，气温与土温分别向上和向下递减。在夜间和中高纬度冷季，Rn＜0，地面由辐射损失热量，气温与土温分别向上和向下递增。第十三页，共二十五页。2008年冬小麦冠层(Ceng)上方H、LE、G和Rn的日变化特征（左:4月右:5月）朝向系统为＋，背离系统为－能量通量的日变化第十四页，共二十五页。低层大气的温度日(Ri)变化noonnoonnoonnoonnoon3.低层大气温度第十五页，共二十五页。（1）大气的绝热(Re)过程与泊松方程大气的升降运动总是伴有不同形式的能量交换。如果大气中某一空气块作垂直运动时与周围空气不发生热量交换，则将这样的状态变化过程称为大气的绝热过程。

由热力学第一定律和理想气体状态方程，可以推导出描述大气热力过程的微分方程.

泊松方程:T/T0=(P/P0)R/Cp=(P/P0)0.286Cp－干空气的定压比热，Cp＝1005J／(kg.k)

R－干空气的气体常数，R＝287.0J／(kg.k)；

T－气块温度，k

P－气块压力，hPa

低层大气温度的垂直分布第十六页，共二十五页。（2）干绝热直减率

干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降(Jiang)单位高度（通常取100ｍ时）温度降(Jiang)低或升高的数值，称为干空气块温度绝热垂直递减率，以rd表示。其定义式为:ｇ－重力加速度ｇ＝9.81m／s2

Cp－干空气定压比热，Cp＝1005J／(kg．K)下标i--表示空气块下标d--表示干空气rd≈0.98K/100m，通常取rd=1K/100m，它表示干空气块（或未饱和的湿空气块）每升高（或下降）100ｍ时，温度降低（或升高）约1K．

一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称为它的位温。

rd=-(dTi/dZ)d=g/Cp第十七页，共二十五页。气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率

来表(Biao)示，简称气温直减率。它系指单位（通常取100m）高差气温变化率的负值。若气温随高度增加是递减的，

为正值，反之，

为负值。（3）气温的垂直分布气温直减率rrr若Z↑，T↓，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)>0，正值若Z↑，T↑，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)<0，负值气温垂直分布三种情形：①气温随高度递减②气温随高度基本不变③气温随高度逆增第十八页，共二十五页。大气中的温度层结有四种类型：

(1)气温随高度增加而递减，即

>rd，称为正常分布层结或递减层结；(2)气温直减率等于或近似等于干绝热直减率，即

=rd，称为中性层结；(3)气温不随高度变化，即

＝0，称为等温层结；(4)气温随高度增加而增加，即

<0，称为气温逆转，简称逆温。rrrr第十九页，共二十五页。低层大气温度的垂直分(Fen)布日变化气温直减率的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。第二十页，共二十五页。1.2.4大(Da)气稳定度与ABL结构稳定度，用M-O长度L作为依据

L：负值无穷大正值对流（不稳定）、中性、稳定莫宁-奥布霍夫（Monin－Obukhov）相似理论以及π理论是边界层湍流研究的理论基础，主要用来分析边界层中的外部参数对湍流扩散过程的影响。第二十一页，共二十五页。

不稳定边界层结构及其流场图(Tu)象。（引自Wyngaard,1990)

稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard,1990)盖帽逆温上部稳定层结中的波动及下部大对流湍涡湍流层较浅层内存在显著平均梯度,风速极值分布湍涡尺度小,伴随叠加重力波第二十二页，共二十五页。大气稳定度与烟(Yan)羽温度高度污染物浓度环链形：不稳定；湍流强，扩散迅速；白天晴朗小风或地形起伏区。圆锥形：中性；水平垂直方向扩散均匀；平坦郊野大风多云。第二十三页，共二十五页。扇形：稳定；湍流受抑，垂直扩散小，水平沿主导风向有一定侧向扩散；夜间小风或凌晨强逆温。漫烟形（熏烟形、陷阱型）：上稳、下不稳；下部烟羽充分扩散，上部逆温顶盖；日出(Chu)后，烟雾事件。屋脊形（上升型）：上中(或不稳)、下稳；上部烟羽沿主风向呈屋脊形扩散，下部边缘清晰；傍晚。第二十四页，共二十五页。烟羽型环链