第1章大气边界层之2

1、第一章第一章 大气边界层大气边界层 1.2 大气边界层的厚度与结构大气边界层的厚度与结构 1.2.1 大气边界层垂直分层结构大气边界层垂直分层结构 （重点掌握）（重点掌握） 1.2.2 边界层发展的日变化边界层发展的日变化 （重点掌握）（重点掌握） 1.2.3 大气能量收支与温度大气能量收支与温度（理解）（理解） 1.2.4 大气稳定度与大气稳定度与ABL结构结构 （掌握）（掌握） 1.2.5 地面影响与边界层结构地面影响与边界层结构 （了解）（了解） z0.1 Zi 近地边界层近地边界层 大大 气气 边边 界界 层层 Zi 上部摩擦层（上部摩擦层（Ekman层）层） 逆逆 温温 层层 底底

2、云云 层层 夹夹 卷卷 层层 1.2.1 大气边界层垂直分层结构大气边界层垂直分层结构 0 2 10 100 1 k 10 k 高高 度（米）度（米） 对对 流流 层层 顶顶 自自 由由 大大 气气 近地面层近地面层 贴地层贴地层 （冠层）（冠层） 动动 量量 热热 量量 水水 分分 物物 质质 交交 换换 （1）粘性副层（微观层）粘性副层（微观层）： 分子输送过程处于支配地位，分子输送过程处于支配地位， 分子切应力远大于湍流切应力，分子切应力远大于湍流切应力， 几厘米厚。几厘米厚。 （3）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）层（上部摩擦层、外部边界层）：在这一层里，湍流粘性：在这一层里，湍

3、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。高度的切变。 大气边界层垂直分层结构大气边界层垂直分层结构 （2）近地边界层（）近地边界层（=近地面层近地面层 +冠层，常通量层）冠层，常通量层）：大气受：大气受 地表动力和热力影响强烈，气地表动力和热力影响强烈，气 象要素随高度变化激烈，运动象要素随高度变化激烈，运动 尺度小，科氏力可略。由于近尺度小，科氏力可略。由于近 地层很薄和湍流扩散强烈混合地层很薄和湍流扩散强烈混合 的结果，该层中动量、热量和的结果，该层中动量、热量和 水汽的铅直输送通量不

4、随高度水汽的铅直输送通量不随高度 变化，同样原因，近地层中风变化，同样原因，近地层中风 向也不随高度变化。向也不随高度变化。 (Oke, 1987)(Oke, 1987) 自然界中的自然界中的流体流体运动存在着两种完全不同运动存在着两种完全不同的运动状态的运动状态 层层 流流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍湍 流流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则 高度：高度：z 0.1 Zi，受下垫面的直接影响，受下垫面的直接影响 风速、温度等气象要素场随高度剧烈变化风速、温度等气象要素场随高度剧烈变化 地面粗糙度地面粗糙度小

5、尺度湍流，地面增热小尺度湍流，地面增热热力对流热力对流 常通量层常通量层，各种湍流通量随高度几乎不变，各种湍流通量随高度几乎不变 该层以上，湍流通量逐渐减弱该层以上，湍流通量逐渐减弱 风向随高度近乎不变，风向随高度近乎不变， 气流结构不受科氏力影响气流结构不受科氏力影响 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。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、中尺度垂直运动和不同气团平边界层厚度的变化主要是由天气、中尺度垂

6、直运动和不同气团平 流引起的。流引起的。 1.2.2 边界层发展的日变化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。 大陆高压区边界层发展的日变化大陆高压区边界层发展的日变化 （1）混合层：）混合层：湍流混合以对流为主。湍流混合以对流为主。 （2）残留层：）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，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。属中性层结。 （3）稳定边界层：）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。其特点为在静界层。其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流单体，力稳

7、定大气中有零散的湍流单体，这些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或夜间急流。流。 不稳定边界层（对流边界层Convective boundary layer CBL， 混合层Mixed layer ML） 稳定边界层（Stable boundary layer, Nocturnal boundary layer） 中性边界层（Neutral boundary layer） 不同类型陆地边界层的基本特征 CBL SBL BL Daytime Nighttime Neutral strong weak Windy

8、day large small middle Small gradient Large gradient middle Occurred at* Turbulence intensity Eddy scale profiles 大气边界层的分类与特征大气边界层的分类与特征 大陆高压区边界层发展的日变化大陆高压区边界层发展的日变化 1.2.3 大气能量收支与温度大气能量收支与温度 太阳短波辐射太阳短波辐射Sin向下向下 地表反射短波辐射地表反射短波辐射Sout 向上向上 地球表面长波辐射地球表面长波辐射Lin 向上向上 大气长波辐射大气长波辐射Lout 向下向下 四分量辐射计四分量辐射计 下垫面

9、能量平衡分配：下垫面能量平衡分配： Rn=H+LE+GS R Rn n：辐射平衡：辐射平衡 H H：显热通量：显热通量 LELE：潜热通量：潜热通量 G G：土壤热通量：土壤热通量 S S：储热：储热 G H LE S Rn Rn LEH G 辐射平衡辐射平衡 ()() ninoutinout RSSLL 能量分配能量分配 n RGHLE p HCW T LEL W q 涡度相关法直接测定生态系统尺度能涡度相关法直接测定生态系统尺度能 量和物质交换通量，但存在量和物质交换通量，但存在低估低估等技等技 术缺陷。术缺陷。 将生态系统中水分的散失和将生态系统中水分的散失和 驱动蒸散作用的能量收支联驱

10、动蒸散作用的能量收支联 系起来，使能量和水循环得系起来，使能量和水循环得 以贯穿在一起以贯穿在一起 。 动量、显热、潜热和动量、显热、潜热和 CO2通量通量 在白天和暖季，在白天和暖季，R Rn n0 0，地面由辐射，地面由辐射获得获得热量，热量， 并通过分子传导和湍流交换传给土壤和空气，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。气温与土温分别向上和向下递减。 在夜间和中高纬度冷季，在夜间和中高纬度冷季，R Rn n0 0，地面由辐射，地面由辐射 损失损失热量，气温与土温分别向上和向下递增。热量，气温与土温分别向上和向下递增。 n RGHLE 2008年冬小麦冠层

11、上方年冬小麦冠层上方H、LE、G和和Rn的日变化特征（左的日变化特征（左:4月月 右右:5月）月） 朝向系统为，背离系统为朝向系统为，背离系统为 能量通量的日变化能量通量的日变化 低层大气的温度日变化低层大气的温度日变化 noonnoonnoon noonnoon （1） 大气的绝热过程与泊松方程大气的绝热过程与泊松方程 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. 泊松方程泊松方程: T/T0=(P/P0)R/Cp

12、=(P/P0)0.286 Cp干空气的定压比热，Cp1005 J(kg.k) R干空气的气体常数，R287.0 J(kg.k)； T气块温度，k P气块压力，hPa （2）干绝热直减率）干绝热直减率 干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降单干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降单 位高度（通常取位高度（通常取100时）温度降低或升高的数值，称为干空时）温度降低或升高的数值，称为干空 气块温度气块温度绝热垂直递减率绝热垂直递减率，以，以 rd 表示。其定义式为表示。其定义式为: rd0.98K/100m，通常取，通常取 rd=1K/100m，它表示干空气块（或未饱，它表示干空气块

13、（或未饱 和的湿空气块）和的湿空气块）每升高（或下降）每升高（或下降）100时，温度降低（或升高）时，温度降低（或升高） 约约1K 一干空气块绝热升降到标准气压（一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称）处所具有的温度称 为它的为它的位温位温。 rd=-(dTi/dZ)d=g/Cp 气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率 来表来表 示，简称气温直减率。它系指单位（通常取示，简称气温直减率。它系指单位（通常取100m）高差气温变）高差气温变 化率的负值。若气温随高度增加是递减的，化率的负值。若气温随高度增加是递减的， 为正值，反为正

14、值，反 之，之， 为负值。为负值。 （3）气温的垂直分布）气温的垂直分布 气温直减率气温直减率 r r r 若Z，T，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1)0，正值正值 若Z，T，r=-(T2-T1)/(Z2-Z1) 200km 台风台风 Meso 尺度尺度 20km 200km 低空急流低空急流 Meso 尺度尺度 2km 20km 重力波、地形重力波、地形 Meso 尺度尺度 200m 2km 对流对流 Micro 尺度尺度 20m 200m 对流单体对流单体 Micro 尺度尺度 2m 20m 烟气扩散烟气扩散 Micro 尺度尺度 2m 湍流湍流 Micro 尺度尺度 中尺度中尺度 小尺度小尺度 FA: FA: