第6章非定常ABL

1、第六章第六章 非定常大气边界层问题非定常大气边界层问题 相似理论与半经验理论相似理论与半经验理论 定常条件下边界层定常条件下边界层气象要素的垂直分布规律；不同要素的垂直分布之气象要素的垂直分布规律；不同要素的垂直分布之间具有非常密切的关系。间具有非常密切的关系。 实际的大气边界层的气象要素和湍流交换是外实际的大气边界层的气象要素和湍流交换是外部因素的影响下相互作用、相互影响的。部因素的影响下相互作用、相互影响的。外部因素缓慢变化外部因素缓慢变化 定常边界层定常边界层地表强迫的明显变化地表强迫的明显变化 引起边界层的非定常变化引起边界层的非定常变化大陆高压区边界层发展的日变化大陆高压区边界层发展

2、的日变化地表热力强迫有关地表热力强迫有关非定常边界层：非定常边界层：不稳定边界层（对流边界层或混合层）不稳定边界层（对流边界层或混合层）稳定边界层稳定边界层第六章第六章 非定常大气边界层问题非定常大气边界层问题6.1 6.1 地表强迫引起的非定常变化地表强迫引起的非定常变化6.2 6.2 对流边界层对流边界层6.3 6.3 稳定边界层稳定边界层6.1 6.1 地表强迫引起的非定常变化地表强迫引起的非定常变化6.1.1 6.1.1 地表热量收支地表热量收支6.1.2 6.1.2 温度的时空分布及日变化理论温度的时空分布及日变化理论 6.1.3 6.1.3 风的分布及其变化风的分布及其变化6.1.

3、4 6.1.4 湿度的日变化湿度的日变化6.1.3 6.1.3 风的分布及其变化风的分布及其变化u (m/s) v (m/s) 不同高度上风的日变化不同高度上风的日变化 1、一般情况，风速在较低高度，白天增加，晚上下降；较高一般情况，风速在较低高度，白天增加，晚上下降；较高层情况相反，其中存在一个转换高度，风向也有相应变化。层情况相反，其中存在一个转换高度，风向也有相应变化。 2、转换高度在、转换高度在213m和和46m之间。风矢端点随时间作顺时针旋之间。风矢端点随时间作顺时针旋转，风速日变化振幅在边界层中部最大，两端逐渐减少。转，风速日变化振幅在边界层中部最大，两端逐渐减少。 风的日变化的原

4、因在于：边界层内风的日变化的原因在于：边界层内湍流交换系数湍流交换系数白天大于夜白天大于夜晚，昼夜动量传输快慢不同。晚，昼夜动量传输快慢不同。 6.2 6.2 对流边界层（混合层）对流边界层（混合层）1、对流边界层（、对流边界层（ML）的基本概念）的基本概念边界层昼夜演变过程：边界层昼夜演变过程：白天白天风小少云的天气下，风小少云的天气下，太阳对下垫太阳对下垫表面的增热导致感热通量向上的输送，表面的增热导致感热通量向上的输送，逐渐形成逐渐形成不稳定层结不稳定层结的边界层。的边界层。晴朗白天中纬度陆地上的大气边界层基本上都属晴朗白天中纬度陆地上的大气边界层基本上都属于于不稳定类型不稳定类型。太阳

5、对下垫表面加热导致能量向上输送是不稳定边太阳对下垫表面加热导致能量向上输送是不稳定边界层形成的根本原因；由于界层形成的根本原因；由于地面加热地面加热而触发的而触发的对流对流热泡热泡是不稳定大气边界层湍流的源动力，它们的对是不稳定大气边界层湍流的源动力，它们的对流上升和下沉决定了边界层基本的动力学结构；流上升和下沉决定了边界层基本的动力学结构；因此因此不稳定大气边界层不稳定大气边界层常称为常称为对流边界层对流边界层；而大尺；而大尺度强湍流的驱动，度强湍流的驱动，使其具有垂直方向的强烈混合，使其具有垂直方向的强烈混合，因此通常又称为因此通常又称为混合层。混合层。u 热泡（热泡（ThermalThe

6、rmal） 热泡：由对流混合层中热泡：由对流混合层中浮力上升空气浮力上升空气组成的大气组成的大气柱。热泡的垂直伸展约等于混合层厚度（柱。热泡的垂直伸展约等于混合层厚度（ZiZi），），水平尺度大约水平尺度大约1.5Zi1.5Zi。 热泡尺度随混合层的发展而变化，清晨最小热泡尺度随混合层的发展而变化，清晨最小( (约约100m)100m)，午后热泡最大，午后热泡最大( (可达可达1-2km1-2km）。）。 热泡下面有辐合区，热泡上面有辐散区，整个热泡下面有辐合区，热泡上面有辐散区，整个环流使空气以环流使空气以5-10min5-10min的周期上下混合。的周期上下混合。 u 热泡的穿透对流热泡的

7、穿透对流 穿透对流穿透对流(Penetrative convection)(Penetrative convection)：当热泡顶：当热泡顶上升进入稳定的夹卷区时，负浮力使热泡下沉，上升进入稳定的夹卷区时，负浮力使热泡下沉，最后原封不动的回到混合层中。最后原封不动的回到混合层中。穿透对流会使自由大气中的大气块从热泡之间夹穿透对流会使自由大气中的大气块从热泡之间夹卷进入混合层，导致混合层高度增加。卷进入混合层，导致混合层高度增加。混合层对流热泡结构混合层对流热泡结构 () z (km) z (km) 混合层中下部，热通量从地面向上输送混合层中下部，热通量从地面向上输送混合层顶部，热泡之间有向下

8、的热通量混合层顶部，热泡之间有向下的热通量2、对流边界层的基本特征、对流边界层的基本特征（1）对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变形成的动力）对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变形成的动力驱动，地面输送的感热通量是驱动，地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来源。热力驱动湍流能量的来源。（2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于强烈的混合作用，强烈的混合作用，对流边界层的主体部分对流边界层的主体部分气象要素梯度很小；气象要素梯度很小；在中在中等以上不稳定时温度和风随高度接近均匀分布，等以上不稳定时温度和风随高度接近均匀分布，湍流

9、通量湍流通量随高度近似线性变化。随高度近似线性变化。（3）对流热泡对流热泡在对流在对流边界层顶边界层顶的上升冲击，引发自由大气的上升冲击，引发自由大气空气团向下空气团向下卷入边界层，形成了卷入边界层，形成了卷夹层；卷夹层；卷夹层以上是无湍卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。流或很弱湍流的自由大气。（4）对流热泡对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致对流边界层内各对流边界层内各气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。空间结构以及较强的时间相关。 不稳定边界层结构及其流场图象不稳定

10、边界层结构及其流场图象（引自（引自Wyngaard, 1990)Wyngaard, 1990)3、对流边界层的基本结构、对流边界层的基本结构对流边界层中气象要素及湍流特征量的垂直廓线对流边界层中气象要素及湍流特征量的垂直廓线（引自（引自Stull,1988）各种气象要素及湍流特征量的垂各种气象要素及湍流特征量的垂直分布廓线，依其分布特征分为：直分布廓线，依其分布特征分为：近地面层；近地面层；混合层；混合层；卷夹层卷夹层（1）近地面层近地面层近地面层在近地面层在边界层底部，大致占对流边界层厚度边界层底部，大致占对流边界层厚度Zi的的510%。其底层呈现明显的超绝热层结，厚度与其底层呈现明显的超绝

11、热层结，厚度与L值值的大小相当，的大小相当，莫宁莫宁奥布霍夫奥布霍夫相似理论仍然适用。相似理论仍然适用。31svgzvfwufsuvfw近地面层的上层（近地面层的上层（ ），浮力的影响将），浮力的影响将超出动力，虽然高度超出动力，虽然高度Z仍然是该层的尺度控制因子，仍然是该层的尺度控制因子，但但u*0已经不是重要的速度尺度，取而代之的是已经不是重要的速度尺度，取而代之的是局地对局地对流速度流速度 以及相应的以及相应的位温尺度位温尺度 。ffuZiZL1 . 0（2）混合层混合层W*的值可达到的值可达到1m/s以上。近地面层只占对流边界层的小部以上。近地面层只占对流边界层的小部分，因此混合层内将

12、保持分，因此混合层内将保持整层均一增温，整层均一增温，从而维持一个从而维持一个感热感热通量线性递减的规律。通量线性递减的规律。31*svigzvwW*WsMLvw混合层（狭义）指对流边界层的中部，其厚度约占整个混合层（狭义）指对流边界层的中部，其厚度约占整个边界层的边界层的50%80%。强烈的垂直混合使风速、位温和比强烈的垂直混合使风速、位温和比湿等要素的垂直梯度接近于零。湿等要素的垂直梯度接近于零。高度控制因子为对流边高度控制因子为对流边界层厚度界层厚度Zi，相应的，相应的特征速度和特征温度为特征速度和特征温度为W* 和和 。ML*湍流通量在对流边界层中占优势，湍流通量在对流边界层中占优势，

13、湍流平均量方程可简化成下湍流平均量方程可简化成下列形式：列形式：（2a）（2b）（2c）（2d）以（以（2c）式为例，由于等式两边分别对不同的变量微分，则必然满足）式为例，由于等式两边分别对不同的变量微分，则必然满足因而在因而在对流边界层内各个二阶通量随高度呈线性关系。对流边界层内各个二阶通量随高度呈线性关系。zuvvftug) ()(wzvuuftvg) ()(wzwt) (zqwtq) (常数zwt) (湍流中平均变量方程概要湍流中平均变量方程概要（略去分子扩散和粘性）（略去分子扩散和粘性） vdTRp 状态状态: 0iixu连续连续: jjijijididjijixuuufgTTxPxu

14、utu13300动量动量: jjppjjpjjxucELxQcxut10*0热量热量: jjqjjxquSxqutq水汽水汽: jjcjjxCuSxCutC标量标量: 湍流通量在对流边界层中占优势，湍流通量在对流边界层中占优势，湍流平均量方程可简化成下湍流平均量方程可简化成下列形式：列形式：（2a）（2b）（2c）（2d）以（以（2c）式为例，由于等式两边分别对不同的变量微分，则必然满足）式为例，由于等式两边分别对不同的变量微分，则必然满足因而在因而在对流边界层内各个二阶通量随高度呈线性关系。对流边界层内各个二阶通量随高度呈线性关系。zuvvftug) ()(wzvuuftvg) ()(wzw

15、t) (zqwtq) (常数zwt) (（3）顶部卷夹层）顶部卷夹层 卷夹层是混合层顶部的静力稳定空气区，其厚度约为卷夹层是混合层顶部的静力稳定空气区，其厚度约为混合层的混合层的10% 40%。 对流热泡向上超射的同时有自由大气向下卷夹，并与对流热泡向上超射的同时有自由大气向下卷夹，并与下层空气混合。与此同时，热泡一方面将地面感热通量输下层空气混合。与此同时，热泡一方面将地面感热通量输进整个混合层内，另一方面也从自由大气将热通量输入到进整个混合层内，另一方面也从自由大气将热通量输入到边界层内。边界层内。 对流热泡在混合层中、下层持有的对流能量使它能够超对流热泡在混合层中、下层持有的对流能量使它

16、能够超射一定的距离，在卷夹层内形成对流贯穿。各个对流热泡贯射一定的距离，在卷夹层内形成对流贯穿。各个对流热泡贯穿的厚度取决于其各自的初始对流能量：其超射高度最高可穿的厚度取决于其各自的初始对流能量：其超射高度最高可达达h2, 最低可保持在最低可保持在h1处。处。h2 h1的即决定了卷夹层的厚度；的即决定了卷夹层的厚度；而对流边界层顶而对流边界层顶Zi的位置应在卷夹层的中间。的位置应在卷夹层的中间。对流热泡贯穿与卷夹层的厚度对流热泡贯穿与卷夹层的厚度卷夹率卷夹率A=卷夹热通量卷夹热通量 / 地面热通量地面热通量 近地面层：近地面层： 约约10%边界层厚度，底层超绝热，边界层厚度，底层超绝热， M

17、onin-Obukhov相似理论适用，相似理论适用， 局地对流尺度局地对流尺度 混合层：混合层：位温尺度位温尺度对流边界层的中层，对流边界层的中层，强烈的垂直混合，强烈的垂直混合，风速、位温和比湿等垂直梯度接近于零，风速、位温和比湿等垂直梯度接近于零，约占整个边界层的约占整个边界层的70%，高度控制因子为对流边界层厚度高度控制因子为对流边界层厚度Zi， 卷夹层：卷夹层：边界层顶部，约为边界层的边界层顶部，约为边界层的30-40%，对流边界层顶对流边界层顶Zi的位置应在卷夹层的中间。的位置应在卷夹层的中间。31svgzvfwufsuvfw特征速度特征速度特征温度特征温度31*svigzvwW*W

18、sMLvw3、对流边界层的基本结构、对流边界层的基本结构4、对流边界层的发展、对流边界层的发展 浅浅ML的形成和缓慢加厚；的形成和缓慢加厚； ML的快速发展；的快速发展； 近似常值厚度的深近似常值厚度的深ML； 湍流衰减。湍流衰减。不稳定边界层（对流边界层）的预测模式！不稳定边界层（对流边界层）的预测模式！6.3 6.3 稳定边界层稳定边界层1、稳定边界层（、稳定边界层（SBL）的基本概念）的基本概念如果边界层内位温随着高度增加而升高如果边界层内位温随着高度增加而升高稳定边界层。稳定边界层。晴朗夜间中纬度陆地上的大气边界层基本上都属于稳定类型晴朗夜间中纬度陆地上的大气边界层基本上都属于稳定类型

19、（夜间边界层（夜间边界层NBL)。在稳定边界层中，在稳定边界层中，湍流热交换自上向下输送热量；湍流热交换自上向下输送热量；通常，通常，稳稳定边界层的厚度大约定边界层的厚度大约100500m。2、稳定边界层的一般特征、稳定边界层的一般特征（1）稳定边界层的共同特征是有）稳定边界层的共同特征是有逆温层，逆温层，此时浮力的作用不此时浮力的作用不但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，所以抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。湍流能量很弱。但因有切应力但因有切应力的作用，湍流不会完全消失的作用，湍流不会完全消失，维

20、持在弱的水平上，仍是一个，维持在弱的水平上，仍是一个不可忽略的因子。不可忽略的因子。湍流热交换过程并不占优势，而其它的热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。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）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达到切应力产生动能的1/5左右（通量理查孙数左右（通量理查孙数Rf = 0.2），湍流便），湍流便会因连续不断地耗散而衰竭。稳定边界层的湍流结构在空间和时会因连续不

21、断地耗散而衰竭。稳定边界层的湍流结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。（3）因）因湍流很弱，湍涡尺度小，边界层不同层次之间的相互作湍流很弱，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。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，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。例如，故边界层往往不能作为整体处理。例如，由地面参量计算的莫由地面参量计算的莫宁宁奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。（4）各种特征量在）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层难于确定层顶的位置。顶的位置。