第6章非定常ABL

1、第六章第六章 非定常大氣邊界層問題非定常大氣邊界層問題 相似理論與半經(jīng)驗(yàn)理論相似理論與半經(jīng)驗(yàn)理論 定常條件下邊界層定常條件下邊界層氣象要素的垂直分布規(guī)律；不同要素的垂直分布之氣象要素的垂直分布規(guī)律；不同要素的垂直分布之間具有非常密切的關(guān)系。間具有非常密切的關(guān)系。 實(shí)際的大氣邊界層的氣象要素和湍流交換是外實(shí)際的大氣邊界層的氣象要素和湍流交換是外部因素的影響下相互作用、相互影響的。部因素的影響下相互作用、相互影響的。外部因素緩慢變化外部因素緩慢變化 定常邊界層定常邊界層地表強(qiáng)迫的明顯變化地表強(qiáng)迫的明顯變化 引起邊界層的非定常變化引起邊界層的非定常變化大陸高壓區(qū)邊界層發(fā)展的日變化大陸高壓區(qū)邊界層發(fā)展

2、的日變化地表熱力強(qiáng)迫有關(guān)地表熱力強(qiáng)迫有關(guān)非定常邊界層：非定常邊界層：不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層或混合層）不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層或混合層）穩(wěn)定邊界層穩(wěn)定邊界層第六章第六章 非定常大氣邊界層問題非定常大氣邊界層問題6.1 6.1 地表強(qiáng)迫引起的非定常變化地表強(qiáng)迫引起的非定常變化6.2 6.2 對流邊界層對流邊界層6.3 6.3 穩(wěn)定邊界層穩(wěn)定邊界層6.1 6.1 地表強(qiáng)迫引起的非定常變化地表強(qiáng)迫引起的非定常變化6.1.1 6.1.1 地表熱量收支地表熱量收支6.1.2 6.1.2 溫度的時空分布及日變化理論溫度的時空分布及日變化理論 6.1.3 6.1.3 風(fēng)的分布及其變化風(fēng)的分布及其變化6.1.

3、4 6.1.4 濕度的日變化濕度的日變化6.1.3 6.1.3 風(fēng)的分布及其變化風(fēng)的分布及其變化u (m/s) v (m/s) 不同高度上風(fēng)的日變化不同高度上風(fēng)的日變化 1、一般情況，風(fēng)速在較低高度，白天增加，晚上下降；較高一般情況，風(fēng)速在較低高度，白天增加，晚上下降；較高層情況相反，其中存在一個轉(zhuǎn)換高度，風(fēng)向也有相應(yīng)變化。層情況相反，其中存在一個轉(zhuǎn)換高度，風(fēng)向也有相應(yīng)變化。 2、轉(zhuǎn)換高度在、轉(zhuǎn)換高度在213m和和46m之間。風(fēng)矢端點(diǎn)隨時間作順時針旋之間。風(fēng)矢端點(diǎn)隨時間作順時針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速日變化振幅在邊界層中部最大，兩端逐漸減少。轉(zhuǎn)，風(fēng)速日變化振幅在邊界層中部最大，兩端逐漸減少。 風(fēng)的日變化的原

4、因在于：邊界層內(nèi)風(fēng)的日變化的原因在于：邊界層內(nèi)湍流交換系數(shù)湍流交換系數(shù)白天大于夜白天大于夜晚，晝夜動量傳輸快慢不同。晚，晝夜動量傳輸快慢不同。 6.2 6.2 對流邊界層（混合層）對流邊界層（混合層）1、對流邊界層（、對流邊界層（ML）的基本概念）的基本概念邊界層晝夜演變過程：邊界層晝夜演變過程：白天白天風(fēng)小少云的天氣下，風(fēng)小少云的天氣下，太陽對下墊太陽對下墊表面的增熱導(dǎo)致感熱通量向上的輸送，表面的增熱導(dǎo)致感熱通量向上的輸送，逐漸形成逐漸形成不穩(wěn)定層結(jié)不穩(wěn)定層結(jié)的邊界層。的邊界層。晴朗白天中緯度陸地上的大氣邊界層基本上都屬晴朗白天中緯度陸地上的大氣邊界層基本上都屬于于不穩(wěn)定類型不穩(wěn)定類型。太陽

5、對下墊表面加熱導(dǎo)致能量向上輸送是不穩(wěn)定邊太陽對下墊表面加熱導(dǎo)致能量向上輸送是不穩(wěn)定邊界層形成的根本原因；由于界層形成的根本原因；由于地面加熱地面加熱而觸發(fā)的而觸發(fā)的對流對流熱泡熱泡是不穩(wěn)定大氣邊界層湍流的源動力，它們的對是不穩(wěn)定大氣邊界層湍流的源動力，它們的對流上升和下沉決定了邊界層基本的動力學(xué)結(jié)構(gòu)；流上升和下沉決定了邊界層基本的動力學(xué)結(jié)構(gòu)；因此因此不穩(wěn)定大氣邊界層不穩(wěn)定大氣邊界層常稱為常稱為對流邊界層對流邊界層；而大尺；而大尺度強(qiáng)湍流的驅(qū)動，度強(qiáng)湍流的驅(qū)動，使其具有垂直方向的強(qiáng)烈混合，使其具有垂直方向的強(qiáng)烈混合，因此通常又稱為因此通常又稱為混合層?；旌蠈?。u 熱泡（熱泡（ThermalThe

6、rmal） 熱泡：由對流混合層中熱泡：由對流混合層中浮力上升空氣浮力上升空氣組成的大氣組成的大氣柱。熱泡的垂直伸展約等于混合層厚度（柱。熱泡的垂直伸展約等于混合層厚度（ZiZi），），水平尺度大約水平尺度大約1.5Zi1.5Zi。 熱泡尺度隨混合層的發(fā)展而變化，清晨最小熱泡尺度隨混合層的發(fā)展而變化，清晨最小( (約約100m)100m)，午后熱泡最大，午后熱泡最大( (可達(dá)可達(dá)1-2km1-2km）。）。 熱泡下面有輻合區(qū)，熱泡上面有輻散區(qū)，整個熱泡下面有輻合區(qū)，熱泡上面有輻散區(qū)，整個環(huán)流使空氣以環(huán)流使空氣以5-10min5-10min的周期上下混合。的周期上下混合。 u 熱泡的穿透對流熱泡的

7、穿透對流 穿透對流穿透對流(Penetrative convection)(Penetrative convection)：當(dāng)熱泡頂：當(dāng)熱泡頂上升進(jìn)入穩(wěn)定的夾卷區(qū)時，負(fù)浮力使熱泡下沉，上升進(jìn)入穩(wěn)定的夾卷區(qū)時，負(fù)浮力使熱泡下沉，最后原封不動的回到混合層中。最后原封不動的回到混合層中。穿透對流會使自由大氣中的大氣塊從熱泡之間夾穿透對流會使自由大氣中的大氣塊從熱泡之間夾卷進(jìn)入混合層，導(dǎo)致混合層高度增加。卷進(jìn)入混合層，導(dǎo)致混合層高度增加?；旌蠈訉α鳠崤萁Y(jié)構(gòu)混合層對流熱泡結(jié)構(gòu) () z (km) z (km) 混合層中下部，熱通量從地面向上輸送混合層中下部，熱通量從地面向上輸送混合層頂部，熱泡之間有向下

8、的熱通量混合層頂部，熱泡之間有向下的熱通量2、對流邊界層的基本特征、對流邊界層的基本特征（1）對流邊界層的發(fā)展不是依賴于較強(qiáng)的風(fēng)切變形成的動力）對流邊界層的發(fā)展不是依賴于較強(qiáng)的風(fēng)切變形成的動力驅(qū)動，地面輸送的感熱通量是驅(qū)動，地面輸送的感熱通量是熱力驅(qū)動湍流能量的來源。熱力驅(qū)動湍流能量的來源。（2）各種氣象要素除了在近地面層存在明顯的梯度外，由于）各種氣象要素除了在近地面層存在明顯的梯度外，由于強(qiáng)烈的混合作用，強(qiáng)烈的混合作用，對流邊界層的主體部分對流邊界層的主體部分氣象要素梯度很??；氣象要素梯度很??；在中在中等以上不穩(wěn)定時溫度和風(fēng)隨高度接近均勻分布，等以上不穩(wěn)定時溫度和風(fēng)隨高度接近均勻分布，湍流

9、通量湍流通量隨高度近似線性變化。隨高度近似線性變化。（3）對流熱泡對流熱泡在對流在對流邊界層頂邊界層頂?shù)纳仙龥_擊，引發(fā)自由大氣的上升沖擊，引發(fā)自由大氣空氣團(tuán)向下空氣團(tuán)向下卷入邊界層，形成了卷入邊界層，形成了卷夾層；卷夾層；卷夾層以上是無湍卷夾層以上是無湍流或很弱湍流的自由大氣。流或很弱湍流的自由大氣。（4）對流熱泡對流熱泡尺度大、壽命長、攜帶的湍流能量也大，導(dǎo)致尺度大、壽命長、攜帶的湍流能量也大，導(dǎo)致對流邊界層內(nèi)各對流邊界層內(nèi)各氣象屬性的垂直分布比較均勻，具有整體的氣象屬性的垂直分布比較均勻，具有整體的空間結(jié)構(gòu)以及較強(qiáng)的時間相關(guān)?？臻g結(jié)構(gòu)以及較強(qiáng)的時間相關(guān)。 不穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象不穩(wěn)定

10、邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象（引自（引自Wyngaard, 1990)Wyngaard, 1990)3、對流邊界層的基本結(jié)構(gòu)、對流邊界層的基本結(jié)構(gòu)對流邊界層中氣象要素及湍流特征量的垂直廓線對流邊界層中氣象要素及湍流特征量的垂直廓線（引自（引自Stull,1988）各種氣象要素及湍流特征量的垂各種氣象要素及湍流特征量的垂直分布廓線，依其分布特征分為：直分布廓線，依其分布特征分為：近地面層；近地面層；混合層；混合層；卷夾層卷夾層（1）近地面層近地面層近地面層在近地面層在邊界層底部，大致占對流邊界層厚度邊界層底部，大致占對流邊界層厚度Zi的的510%。其底層呈現(xiàn)明顯的超絕熱層結(jié)，厚度與其底層呈現(xiàn)明顯的超絕

11、熱層結(jié)，厚度與L值值的大小相當(dāng)，的大小相當(dāng)，莫寧莫寧奧布霍夫奧布霍夫相似理論仍然適用。相似理論仍然適用。31svgzvfwufsuvfw近地面層的上層（近地面層的上層（ ），浮力的影響將），浮力的影響將超出動力，雖然高度超出動力，雖然高度Z仍然是該層的尺度控制因子，仍然是該層的尺度控制因子，但但u*0已經(jīng)不是重要的速度尺度，取而代之的是已經(jīng)不是重要的速度尺度，取而代之的是局地對局地對流速度流速度 以及相應(yīng)的以及相應(yīng)的位溫尺度位溫尺度 。ffuZiZL1 . 0（2）混合層混合層W*的值可達(dá)到的值可達(dá)到1m/s以上。近地面層只占對流邊界層的小部以上。近地面層只占對流邊界層的小部分，因此混合層內(nèi)將

12、保持分，因此混合層內(nèi)將保持整層均一增溫，整層均一增溫，從而維持一個從而維持一個感熱感熱通量線性遞減的規(guī)律。通量線性遞減的規(guī)律。31*svigzvwW*WsMLvw混合層（狹義）指對流邊界層的中部，其厚度約占整個混合層（狹義）指對流邊界層的中部，其厚度約占整個邊界層的邊界層的50%80%。強(qiáng)烈的垂直混合使風(fēng)速、位溫和比強(qiáng)烈的垂直混合使風(fēng)速、位溫和比濕等要素的垂直梯度接近于零。濕等要素的垂直梯度接近于零。高度控制因子為對流邊高度控制因子為對流邊界層厚度界層厚度Zi，相應(yīng)的，相應(yīng)的特征速度和特征溫度為特征速度和特征溫度為W* 和和 。ML*湍流通量在對流邊界層中占優(yōu)勢，湍流通量在對流邊界層中占優(yōu)勢，

13、湍流平均量方程可簡化成下湍流平均量方程可簡化成下列形式：列形式：（2a）（2b）（2c）（2d）以（以（2c）式為例，由于等式兩邊分別對不同的變量微分，則必然滿足）式為例，由于等式兩邊分別對不同的變量微分，則必然滿足因而在因而在對流邊界層內(nèi)各個二階通量隨高度呈線性關(guān)系。對流邊界層內(nèi)各個二階通量隨高度呈線性關(guān)系。zuvvftug) ()(wzvuuftvg) ()(wzwt) (zqwtq) (常數(shù)zwt) (湍流中平均變量方程概要湍流中平均變量方程概要（略去分子擴(kuò)散和粘性）（略去分子擴(kuò)散和粘性） vdTRp 狀態(tài)狀態(tài): 0iixu連續(xù)連續(xù): jjijijididjijixuuufgTTxPxu

14、utu13300動量動量: jjppjjpjjxucELxQcxut10*0熱量熱量: jjqjjxquSxqutq水汽水汽: jjcjjxCuSxCutC標(biāo)量標(biāo)量: 湍流通量在對流邊界層中占優(yōu)勢，湍流通量在對流邊界層中占優(yōu)勢，湍流平均量方程可簡化成下湍流平均量方程可簡化成下列形式：列形式：（2a）（2b）（2c）（2d）以（以（2c）式為例，由于等式兩邊分別對不同的變量微分，則必然滿足）式為例，由于等式兩邊分別對不同的變量微分，則必然滿足因而在因而在對流邊界層內(nèi)各個二階通量隨高度呈線性關(guān)系。對流邊界層內(nèi)各個二階通量隨高度呈線性關(guān)系。zuvvftug) ()(wzvuuftvg) ()(wzw

15、t) (zqwtq) (常數(shù)zwt) (（3）頂部卷夾層）頂部卷夾層 卷夾層是混合層頂部的靜力穩(wěn)定空氣區(qū)，其厚度約為卷夾層是混合層頂部的靜力穩(wěn)定空氣區(qū)，其厚度約為混合層的混合層的10% 40%。 對流熱泡向上超射的同時有自由大氣向下卷夾，并與對流熱泡向上超射的同時有自由大氣向下卷夾，并與下層空氣混合。與此同時，熱泡一方面將地面感熱通量輸下層空氣混合。與此同時，熱泡一方面將地面感熱通量輸進(jìn)整個混合層內(nèi)，另一方面也從自由大氣將熱通量輸入到進(jìn)整個混合層內(nèi)，另一方面也從自由大氣將熱通量輸入到邊界層內(nèi)。邊界層內(nèi)。 對流熱泡在混合層中、下層持有的對流能量使它能夠超對流熱泡在混合層中、下層持有的對流能量使它

16、能夠超射一定的距離，在卷夾層內(nèi)形成對流貫穿。各個對流熱泡貫射一定的距離，在卷夾層內(nèi)形成對流貫穿。各個對流熱泡貫穿的厚度取決于其各自的初始對流能量：其超射高度最高可穿的厚度取決于其各自的初始對流能量：其超射高度最高可達(dá)達(dá)h2, 最低可保持在最低可保持在h1處。處。h2 h1的即決定了卷夾層的厚度；的即決定了卷夾層的厚度；而對流邊界層頂而對流邊界層頂Zi的位置應(yīng)在卷夾層的中間。的位置應(yīng)在卷夾層的中間。對流熱泡貫穿與卷夾層的厚度對流熱泡貫穿與卷夾層的厚度卷夾率卷夾率A=卷夾熱通量卷夾熱通量 / 地面熱通量地面熱通量 近地面層：近地面層： 約約10%邊界層厚度，底層超絕熱，邊界層厚度，底層超絕熱， M

17、onin-Obukhov相似理論適用，相似理論適用， 局地對流尺度局地對流尺度 混合層：混合層：位溫尺度位溫尺度對流邊界層的中層，對流邊界層的中層，強(qiáng)烈的垂直混合，強(qiáng)烈的垂直混合，風(fēng)速、位溫和比濕等垂直梯度接近于零，風(fēng)速、位溫和比濕等垂直梯度接近于零，約占整個邊界層的約占整個邊界層的70%，高度控制因子為對流邊界層厚度高度控制因子為對流邊界層厚度Zi， 卷夾層：卷夾層：邊界層頂部，約為邊界層的邊界層頂部，約為邊界層的30-40%，對流邊界層頂對流邊界層頂Zi的位置應(yīng)在卷夾層的中間。的位置應(yīng)在卷夾層的中間。31svgzvfwufsuvfw特征速度特征速度特征溫度特征溫度31*svigzvwW*W

18、sMLvw3、對流邊界層的基本結(jié)構(gòu)、對流邊界層的基本結(jié)構(gòu)4、對流邊界層的發(fā)展、對流邊界層的發(fā)展 淺淺ML的形成和緩慢加厚；的形成和緩慢加厚； ML的快速發(fā)展；的快速發(fā)展； 近似常值厚度的深近似常值厚度的深ML； 湍流衰減。湍流衰減。不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層）的預(yù)測模式！不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層）的預(yù)測模式！6.3 6.3 穩(wěn)定邊界層穩(wěn)定邊界層1、穩(wěn)定邊界層（、穩(wěn)定邊界層（SBL）的基本概念）的基本概念如果邊界層內(nèi)位溫隨著高度增加而升高如果邊界層內(nèi)位溫隨著高度增加而升高穩(wěn)定邊界層。穩(wěn)定邊界層。晴朗夜間中緯度陸地上的大氣邊界層基本上都屬于穩(wěn)定類型晴朗夜間中緯度陸地上的大氣邊界層基本上都屬于穩(wěn)定類型

19、（夜間邊界層（夜間邊界層NBL)。在穩(wěn)定邊界層中，在穩(wěn)定邊界層中，湍流熱交換自上向下輸送熱量；湍流熱交換自上向下輸送熱量；通常，通常，穩(wěn)穩(wěn)定邊界層的厚度大約定邊界層的厚度大約100500m。2、穩(wěn)定邊界層的一般特征、穩(wěn)定邊界層的一般特征（1）穩(wěn)定邊界層的共同特征是有）穩(wěn)定邊界層的共同特征是有逆溫層，逆溫層，此時浮力的作用不此時浮力的作用不但不但不能給湍流補(bǔ)充動能，相反，湍流微團(tuán)在垂直運(yùn)動中因反能給湍流補(bǔ)充動能，相反，湍流微團(tuán)在垂直運(yùn)動中因反抗重力作功而損失動能，所以抗重力作功而損失動能，所以湍流能量很弱。湍流能量很弱。但因有切應(yīng)力但因有切應(yīng)力的作用，湍流不會完全消失的作用，湍流不會完全消失，維

20、持在弱的水平上，仍是一個，維持在弱的水平上，仍是一個不可忽略的因子。不可忽略的因子。湍流熱交換過程并不占優(yōu)勢，而其它的熱湍流熱交換過程并不占優(yōu)勢，而其它的熱交換過程例如輻射、平流、氣層的抬升及地形等的影響與湍交換過程例如輻射、平流、氣層的抬升及地形等的影響與湍流熱交換過程的影響相當(dāng)。流熱交換過程的影響相當(dāng)。（2）理論分析和實(shí)驗(yàn)事實(shí)均表明，當(dāng)浮力引起的湍流動能損失）理論分析和實(shí)驗(yàn)事實(shí)均表明，當(dāng)浮力引起的湍流動能損失達(dá)到切應(yīng)力產(chǎn)生動能的達(dá)到切應(yīng)力產(chǎn)生動能的1/5左右（通量理查孫數(shù)左右（通量理查孫數(shù)Rf = 0.2），湍流便），湍流便會因連續(xù)不斷地耗散而衰竭。穩(wěn)定邊界層的湍流結(jié)構(gòu)在空間和時會因連續(xù)不

21、斷地耗散而衰竭。穩(wěn)定邊界層的湍流結(jié)構(gòu)在空間和時間上出現(xiàn)不連續(xù)，形成所謂的間上出現(xiàn)不連續(xù)，形成所謂的間歇性湍流或波與間歇性湍流共存。間歇性湍流或波與間歇性湍流共存。（3）因）因湍流很弱，湍渦尺度小，邊界層不同層次之間的相互作湍流很弱，湍渦尺度小，邊界層不同層次之間的相互作用減弱，地面強(qiáng)迫對邊界層的響應(yīng)放緩。用減弱，地面強(qiáng)迫對邊界層的響應(yīng)放緩。下墊表面的強(qiáng)制作用達(dá)下墊表面的強(qiáng)制作用達(dá)到邊界層頂所需的時間尺度可長達(dá)數(shù)個小時，形成分層式湍流，到邊界層頂所需的時間尺度可長達(dá)數(shù)個小時，形成分層式湍流，故邊界層往往不能作為整體處理。例如，故邊界層往往不能作為整體處理。例如，由地面參量計(jì)算的莫由地面參量計(jì)算的莫寧寧奧布霍夫長度值不能代表邊界層中、上層的情況。奧布霍夫長度值不能代表邊界層中、上層的情況。（4）各種特征量在）各種特征量在邊界層頂沒有明顯的過渡特征，邊界層頂沒有明顯的過渡特征，難于確定層難于確定層頂?shù)奈恢?。頂?shù)奈恢谩?