边界层气象学课件：CH07_稳定边界层

1、CH07.稳定边界层,一、稳定边界层特征 二、稳定边界层模式 三、低空急流,一、稳定边界层特征,如果边界层内位温随着高度增加而升高，就成为稳定边界层。形成稳定边界层有多种原因，夜间地表辐射冷却形成的逆位温层结，就是常见的稳定边界层；另外，若有暖平流流经冷的下垫面，也能形成稳定边界层。在稳定边界层中，湍流热交换自上向下输送热量。通常，稳定边界层的厚度大约100500m。,Stull,（1）稳定边界层的共同特征是有逆温层，此时浮力的作用不但不能给湍流补充动能，相反，湍流微团在垂直运动中因反抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。但因为还有切应力的作用，所以湍流不会完全消失，而是在弱的水平上维持，在

2、大气边界层中仍是一个不可忽略的因子。这种情况下，湍流热交换过程并不占优势，而其它的热交换过程例如辐射、平流、气层的抬升及地形等的影响与湍流热交换过程的影响相当。,（2）理论分析和实验事实均表明，当浮力引起的湍流动能损失达到切应力产生动能的1/5左右，湍流便会因连续不断地耗散而衰竭，这相当于通量理查孙数Rf = 0.2。此时湍流结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。,（3）因湍流很弱，湍涡尺度小，边界层不同层次之间的相互作用减弱，地面强迫对边界层的响应放缓。下垫表面的强制作用达到边界层顶所需的时间尺度可长达数个小时，形成分层式湍流，故边界层往往不能作为整体处理。

3、例如，由地面参量计算的莫宁奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。,Stull,（4）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层顶的位置。 总之，由于湍流弱，其他的热力学和动力学因子的作用会表现出来，并与湍流相互作用而构成稳定边界层的特征。因此随着热力学和动力学因子大小的变化，稳定边界层就会发生相应的变化，增加了稳定边界层研究的复杂性和难度。而且，由于湍流及其他各项因子的量都比较小，使实际观测的精确度受到影响，不易将它们的数值特征从观测误差中分离。 比较有利的条件只有一点：稳定边界层发展的中、后期，边界层内的各种过程随时间变化较弱，可以视作为平稳过程。,二、稳定边界层模式,稳定边界

4、层厚度和强度的总体量度,强度：,积分厚度尺度：,累积冷却量：,热交换整体尺度：,稳定边界层的高度：,位温廓线的理想模式 a：,a，稳定混合层模式：,极端情况，强风及弱地面冷却时，类似于完全混合层,位温廓线的理想模式 b：,b，线性混合：位温随高度线性递增，但稳定边界层顶部仍保持强逆温跃变。中等强风和湍流时易出现。,位温廓线的理想模式 c：,c，线性：位温随高度线性递增，稳定边界层顶部没有位温跃变。,位温廓线的理想模式 d：,d，多项式：位温随高度按多项式递增，稳定边界层顶部逆温梯度为零。,位温廓线的理想模式 e：,e，指数：位温随高度按指数递增，没有明显的稳定边界层顶，必须人为假定。,累积冷却

5、量的预报：,对边界层厚度积分，代换,简化为：,积分冷却量定义：,得到积分冷却量预报：,积分冷却量预报：,水平平流热通量,垂直平流热通量,垂直方向辐射通量,潜热通量,感热通量,总热通量,注意：方程右边热通量均取运动学热通量单位，Kms-1,夜间，总通量为负值，一般夜晚，该值总体变化不是很大，假如为常数，则：,考虑到热交换整体尺度：,热交换整体尺度参数化：,当热交换总体尺度B大时（较强湍流），位温强度较小，积分厚度较大； 当热交换总体尺度B小时（较弱湍流），位温强度较大，积分厚度较小；,热交换整体尺度B可以用科氏力参数、地转风速、净热通量及宏观粗糙度（量级约510km，不是地表空气动力学粗糙长度）

6、进行参数化。,例：晴朗夜晚，f=10-4s-1。Z=4km，地转风G=10ms-1，总冷却量QT=-0.03Kms-1。求6小时后稳定边界层的积分厚度和位温强度，给出由此产生的对混合模式、线性模式、指数模式的位温廓线,热交换整体尺度参数化：,积分厚度尺度,位温强度,完全混合模式时边界层高度：,指数模式时边界层高度：,线性模式时边界层高度：,讨论：积分厚度尺度相同，但不同稳定边界层位温廓线模式将给出不同的边界层高度。,三、低空急流,低空急流是指在低空数百米至一公里高度上出现的风速特大区域，其最大风速值会超过10 20 m/s以上，并在最大风速上、下保持较强的风速切变。大多在夜间形成，也叫夜间急流

7、。形成急流的原因很多，常见的有下列几种情况： 1、稳定边界层的惯性振荡； 2、与天气尺度及地形有关的斜压性； 3、锋面； 4、过山气流； 5、平流加速；6、山谷风；7、海陆风；,边界层内出现超地转风的现象，可以简单从运动方程看出，定常、水平均匀边界层内：,对边界层积分，x轴沿地面风方向。 利用边条件：,所以，边界层内有小于地转风的区域，则必然有超地转的区域。在Ekman解中我们已经看到这一结果。但在中性正压条件下，这种边界层内超地转风速一般超的不多，这不是低空急流。低空急流另有机制。,惯性振荡理论解释低空急流：（Blackadar 1957） 认为低空急流是由于夜间边界层湍流减弱，上部风速产生惯性振荡使风速逐渐加速而形成的。 由于地面强摩擦阻力的作用，白天混合层内的风矢量保持较强的次地转分布；入夜后，转变为稳定层结的大气边界层其湍流强度迅速减弱，导致雷诺应力减小到很低的量级，称为摩擦撤除效应。最终导致科氏力诱发出惯性振荡。,夜间，相应于原来白天边界层上部气层的运动方程为：