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 非均一下垫面对边界层的影响,一、内边界层 二、山谷风和海陆风 三、过山气流 四、热岛环流 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，都对边界层的结构产生了一定影响。从20世纪50年代末到80年代初，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，从水平距离百米尺度到数十公里尺度,一、内边界层,1、动力内边界层（简称内边界层） 2、热内边界层 3、内边界层对扩散的影响

2、,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。例如气流从相对光滑的海洋（z0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另一种粗糙度的下垫表面；（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表面。（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用下，在

3、新的下垫表面上空将形成一个内边界层,1、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中，新下垫表面的强制作用将调整原有的风速廓线和摩擦速度。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称为动力内边界层。 （边界层内的边界层）,hi之下为内边界层：IBL， Inner Boundary Layer。 hss之下为一个副层,内边界层发展示意图,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hi以上仍维

4、持上游的对数分布规律；在hss副层内则已适应新的表面粗糙度z02和摩擦速度u*02；在hss和hi之间则处于过渡阶段,注意：hi 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、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 (根据Bradley，1968) 观测资料 粗糙度跃变点在x = 0处。 图(a)为光滑到粗糙的过渡，z01=0.02mm，z02=2.5mm；图(b)为粗糙到光滑的过渡，z01=2.5mm, z02=0.02mm,Townsend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（Self- Preserving）的概念，即各个断面上的

5、风速廓线保持某种相似规律。之后，Mulhearn通过风洞实验给出了自保持的表达形式,流线位移产生的訂正值,由风洞实验得到,冯卡门常数,野外观测实验结果证明此公式比较满意,内边界层高度确定：Elliott 给出的经验公式为：,根据许多研究工作者在野外和风洞的实验结果，n=0.8相当合适,内边界层顶高度与距离的关系 （根据Garratt，1992） 实线A（圆点）为光滑到粗糙的过渡，实线B（三角点）为粗糙到光滑的过渡，虚线则为上式的结果。两组曲线的M值分别为4.8和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，平流输送速度为,

6、设x=0处hi=z02, 积分上式可得,B11。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，大多数学者已放弃了其解析表达式的推导，而采用数值模拟的方法,假设,内边界层中u* (或切应力 = u*2)的变化难以测量，但地表切应力 0或u*02的测量可以借助应力盘来完成,内边界层下垫表面切应力随距离的变化 （根据Bradley，1968） 长虚线为Panofsky和Townsend1的计算结果；短虚线为Jensen的计算结果；实线为Rao等人的计算结果,2、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,逆温顶高度,冷却：稳定层,加热：混合层,实际观

7、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层高度hit的预测模式中。根据9.4.7式，假设hit(t0) = 0，可写成：,上游空气层的逆位温梯度 A 卷夹系数取作0.20,内边界层的平均风速,下游地表的感热通量,对于缺乏感热通量观测的地区，Stundar和Sethuraman(1985) 建议可采用下列经验公式,T01和T02分别为上、下游的地表温度,为地表阻力系数,3、内边界层对扩散的影响,图(a)为由光滑进入到粗糙的动力内边界层的情况，烟云的扩散能力将会明显加强； 图(b)为进入不稳定层结热内边界层的情况，烟云在内边界层中迅速扩

8、展，形成熏烟型扩散。,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，因此只有在主导风比较弱时，这种局地环流才能清楚地表现出来。,1、山谷风,谷内横向环流的理想化日变化过程,如北京：,2、海陆风,海风发展初期压力场和流场的分布,海陆风数值模拟结果,10m 1400LT,系统风为东风,三、过山气流,1、中性层结条件下过山气流 2、稳定层结条件下过山气流,过山气流的

9、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,1、中性层结条件下过山气流,气压扰动,静压力很小，风速很大,正压,负压,正压,正、负压转换之处出现涡旋：即二次涡,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：,其中z为自山体表面起算的垂直高度，可用下式表示：,Hh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：

10、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 介于内层和外层的过渡层。令中间层高度（自山体表面起算）为hm,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，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,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

11、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),（2）背风坡的空腔区在中等稳定度的情况下会受到抑制,从A、B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 rotor）,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,定义山体水平弗罗德（Froude）数FL作为动力稳定度判据:,式中N是Brunt-Vaisala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，FL

12、，此判据不再适用,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，称作山体垂直扰动的弗罗德数FH：,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,一般认为，当天气尺度的风速较小时，边界层大气由于城市热岛的存在，可以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

13、成向内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,观测示意图,The observations in December 1984 lasted from 17th to 28th. The measurements of w

14、ind and temperature fields were taken every 2 h.,0600时观测风廓线,下层辐合气流,0600时观测温度廓线,热岛效应,0600时观测温度场,1200时观测温度场,冷岛效应,0700时SO2浓度场,白天冷岛强度,如果污染较重可能会出现冷岛效应,人为热排放,0600时模拟温度场,观测,模拟,0600时模拟流场,1200时模拟温度场,观测,模拟,结 论,弱风条件下： 夜间产生城市热岛，由人为热引起 夜间，在城市下风郊区产生反向气流，城市底层为辐合气流，即“热岛环流” 白天，由于大气污染、逆温等原因，产生“城市冷岛”。 三维数值模式可以模拟城市边界层一些重要特征，如热岛、冷岛、环流等。,五、建筑物周围局地环流,气流流过不同高