第6章非定常ABL之3

1、第六章第六章 非定常大氣邊界層非定常大氣邊界層第六章第六章 非定常大氣邊界層非定常大氣邊界層6.1 6.1 地表強迫引起的非定常變化地表強迫引起的非定常變化6.2 6.2 對流邊界層對流邊界層 CBLCBL6.3 6.3 穩(wěn)定邊界層穩(wěn)定邊界層 SBL SBL Stable boundary layerStable boundary layer 6.3.1 6.3.1 平均特征和演變平均特征和演變6.3.2 6.3.2 夜間低空急流夜間低空急流風速風速 6.3.1 6.3.1 平均特征和演變平均特征和演變 溫度溫度: :接地逆溫接地逆溫 風速風速: :低空急流低空急流 比濕比濕 位溫位溫 絕對溫

2、度絕對溫度 一、平均變量特征一、平均變量特征 逆溫層頂逆溫層頂SBLSBL高度高度 SBLSBL位溫廓線位溫廓線：靜力穩(wěn)定度在地面附近最大，隨著高度增：靜力穩(wěn)定度在地面附近最大，隨著高度增加它將逐漸減小至中性層結，與其上面的殘留層加它將逐漸減小至中性層結，與其上面的殘留層RLRL相接。相接。SBLSBL中常出現(xiàn)中常出現(xiàn)接地逆溫接地逆溫。 SBLSBL風廓線風廓線：在：在2-10m2-10m的最低層為靜風的最低層為靜風( (平坦地區(qū)平坦地區(qū))or)or下坡風下坡風( (冷空氣流過下坡地形冷空氣流過下坡地形) )；在這以上風隨高度增大，至；在這以上風隨高度增大，至SBLSBL頂達頂達最大，有時這一

3、層的風速會大于地轉風，于是就叫做最大，有時這一層的風速會大于地轉風，于是就叫做低空急低空急流流，風向通常隨高度順時針旋轉，在低空急流上面，風向風，風向通常隨高度順時針旋轉，在低空急流上面，風向風速平穩(wěn)地轉變?yōu)榈剞D風。速平穩(wěn)地轉變?yōu)榈剞D風。 SBLSBL濕度廓線濕度廓線：濕度分布差別較大，因為有時夜間地面連：濕度分布差別較大，因為有時夜間地面連續(xù)蒸發(fā)，而在其它位置和時間卻凝結形成露或霜，在湍流衰續(xù)蒸發(fā)，而在其它位置和時間卻凝結形成露或霜，在湍流衰減的情況下，近地面會出現(xiàn)強的濕度梯度。減的情況下，近地面會出現(xiàn)強的濕度梯度。 SBLSBL污染物污染物或其它標量示蹤物：在薄層中水平擴散，這個或其它標量

4、示蹤物：在薄層中水平擴散，這個過程就叫做過程就叫做扇形展開扇形展開。一、一、SBLSBL平均變量特征平均變量特征 光雷達在光雷達在SBLSBL中經(jīng)常觀測到的分層氣溶膠結構中經(jīng)常觀測到的分層氣溶膠結構 SBLSBL中污染物濃度擴散呈中污染物濃度擴散呈“夾層餅夾層餅”形狀形狀 作用于作用于SBL的強迫力：的強迫力： 輻射輻射 傳導傳導 湍流湍流 下沉和平流下沉和平流 局地地形坡度局地地形坡度二、二、SBLSBL的強迫因子的強迫因子 1.1.輻射冷卻輻射冷卻只考慮長波輻射只考慮長波輻射Q QI I* * 強烈的地面輻射冷卻強烈的地面輻射冷卻大氣中的輻射散度大氣中的輻射散度 （夜間（夜間SBLSBL沒

5、有太陽短波輻射）沒有太陽短波輻射） zQtI*輻射冷卻輻射散度：輻射散度：對水平均勻大氣，即輻射通量隨高度的變化，對水平均勻大氣，即輻射通量隨高度的變化，它會使邊界層產(chǎn)生小而必須考慮的冷卻。它會使邊界層產(chǎn)生小而必須考慮的冷卻。 SBLSBL內的輻射通量和輻射冷卻率內的輻射通量和輻射冷卻率 凈輻射通量凈輻射通量 輻射加熱率輻射加熱率(K/h) (K/h) ( (向上為正向上為正) ) 地面以上地面以上幾幾mmmm以內以內，分子通量分子通量比湍流通量比湍流通量大，也是造成這個最底層空氣冷卻的主要原因；大，也是造成這個最底層空氣冷卻的主要原因；在幾在幾mmmm以上，湍流可以把冷空氣向上輸送。在以上，

6、湍流可以把冷空氣向上輸送。在地面幾地面幾mmmm范圍內，范圍內，分子擴散和傳導分子擴散和傳導支配著夜間支配著夜間露和霜的形成。露和霜的形成。2.2.傳導傳導SBLSBL中的湍流經(jīng)常由中的湍流經(jīng)常由機械作用（風切變）機械作用（風切變）產(chǎn)生：產(chǎn)生： 例如，地面摩擦作用、低空急流、斜坡地形例如，地面摩擦作用、低空急流、斜坡地形 3.3.湍流湍流間歇性湍流間歇性湍流(intermittence turbulence)(intermittence turbulence)： 在非湍流在非湍流SBLSBL中，由于動力強迫和缺少湍流混合，風切中，由于動力強迫和缺少湍流混合，風切變可以得到增強，以致可以激發(fā)出湍

7、流，然而這種突發(fā)湍流變可以得到增強，以致可以激發(fā)出湍流，然而這種突發(fā)湍流使熱量和動量垂直混合，導致切變減弱，直至不能繼續(xù)維持使熱量和動量垂直混合，導致切變減弱，直至不能繼續(xù)維持湍流而消亡。在靜止期間，又有可能由切變建立另一個突發(fā)湍流而消亡。在靜止期間，又有可能由切變建立另一個突發(fā)性湍流，這就形成了湍流間歇現(xiàn)象。性湍流，這就形成了湍流間歇現(xiàn)象。全部觀測時間湍流時間間歇因子iF)(三、三、SBLSBL演變演變強度和高度強度和高度 ss0地面空氣位溫殘留層空氣位溫:0s1. SBL1. SBL的強度的強度 sSBLSBL的強度與湍流強弱和云量多少有關，的強度與湍流強弱和云量多少有關，0 01515S

8、BLSBL強度強度 和厚度和厚度 的定義的定義 sh總體湍流參數(shù)總體湍流參數(shù)B B和和 廓線廓線 2. SBL2. SBL的高度的高度幾種不同的定義：幾種不同的定義： （1 1） ，穩(wěn)定層頂，即遞減率是絕熱的高度；，穩(wěn)定層頂，即遞減率是絕熱的高度；（2 2） ，即接地逆溫層頂；，即接地逆溫層頂；（3 3） 湍流應力、湍流應力、 湍流熱通量、湍流熱通量、TKETKE湍流動能等于湍流動能等于零或地面值零或地面值5%5%的高度，即湍流層高度；的高度，即湍流層高度；（4 4）平均風速）平均風速 最大值，即夜間低空急流的高度；最大值，即夜間低空急流的高度；（5 5）平均風速）平均風速 等于地轉風速等于地

9、轉風速 的高度，即自由大氣層的高度，即自由大氣層底的高度，此處風是地轉風；底的高度，此處風是地轉風；（6 6）聲雷達反射信號消失的高度，它是具有溫度脈動的空）聲雷達反射信號消失的高度，它是具有溫度脈動的空氣層頂。氣層頂。0z0zTwuwUUG6.3.2 6.3.2 低空急流低空急流 Low-level jet 低空急流（低空急流（LLJ， Low-level jet）：）： 在在夜間穩(wěn)定邊界層夜間穩(wěn)定邊界層幾百米高度上，經(jīng)常觀測幾百米高度上，經(jīng)常觀測到到風速出現(xiàn)極大值風速出現(xiàn)極大值的區(qū)域，即該薄層區(qū)域內的風的區(qū)域，即該薄層區(qū)域內的風速比其上下的風速都要大，甚至超出地轉風速很速比其上下的風速都要

10、大，甚至超出地轉風速很多，這種現(xiàn)象稱為多，這種現(xiàn)象稱為夜間低空急流夜間低空急流。 LLJ LLJ是一層很薄的快速運動氣流，位于是一層很薄的快速運動氣流，位于100-300m100-300m高度，高度，幾千公里長，幾百公里寬，最大風速幾千公里長，幾百公里寬，最大風速10-20m/s10-20m/s。 LLJLLJ影響邊界層內部的湍流結構，有時激發(fā)雷暴等強烈影響邊界層內部的湍流結構，有時激發(fā)雷暴等強烈天氣現(xiàn)象，給大氣污染和航空航天等帶來影響。天氣現(xiàn)象，給大氣污染和航空航天等帶來影響。出現(xiàn)低空急流時的風、溫廓線出現(xiàn)低空急流時的風、溫廓線實線為風速，虛線為溫度實線為風速，虛線為溫度 LLJLLJ的定義

11、，不同研究者采用不同的標準：的定義，不同研究者采用不同的標準： 在一定高度以下（在一定高度以下（1,1.5or2km1,1.5or2km）風速大于規(guī)定值）風速大于規(guī)定值（12,16or20m/s12,16or20m/s）；）； 風速是超地轉的；風速是超地轉的； 最大風速比相鄰高度上的最小風速大最大風速比相鄰高度上的最小風速大2.5-3km2.5-3km； 。 （1 1）天氣尺度斜壓性；）天氣尺度斜壓性；（2 2）斜坡地形上的斜壓性；）斜坡地形上的斜壓性；（3 3）鋒面斜壓性；）鋒面斜壓性；（4 4）平流加速；）平流加速；（5 5）氣流繞山時的分流、風道和匯合；）氣流繞山時的分流、風道和匯合；（6 6）海陸風；）海陸風；（7 7）山谷風；）山谷風；（8 8）慣性振蕩。）慣性振蕩。 LL