1、 第四章第四章 不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層、混合層）不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層、混合層）對流邊界層的形成：對流邊界層的形成：太陽對下墊表面加熱導(dǎo)致能量向上輸送。太陽對下墊表面加熱導(dǎo)致能量向上輸送?；旌蠈樱夯旌蠈樱河捎诖蟪叨葟妼α鞯尿?qū)動，垂直方向強對流作用，通常稱由于大尺度強對流的驅(qū)動，垂直方向強對流作用，通常稱.不穩(wěn)定邊界層時段：不穩(wěn)定邊界層時段：白天（基本上）白天（基本上）三個注意點：三個注意點：（1）熱力驅(qū)動是能量的主要來源，而非動力驅(qū)動；）熱力驅(qū)動是能量的主要來源，而非動力驅(qū)動；（2）氣象要素在近地層有較明顯的梯度，中部則混合強烈，梯度小，上層為）氣象要素在近地層有較明顯的梯度，中部則混合強

2、烈，梯度小，上層為卷夾層；卷夾層；（3）對流尺度大、壽命長、湍流活動活躍，整體性和時間相關(guān)。）對流尺度大、壽命長、湍流活動活躍，整體性和時間相關(guān)。不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層）的基本結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定邊界層（對流邊界層）的基本結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定大氣邊界層的結(jié)構(gòu)及其流場的圖象不穩(wěn)定大氣邊界層的結(jié)構(gòu)及其流場的圖象 ( (引自引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990)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,1988Stull,1988）各種氣象要素及湍流特征量的垂直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：分布廓

3、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 近地面層：約近地面層：約10%邊界層厚度，邊界層厚度，底層超絕熱，底層超絕熱，Monin-Obukhov相似理論適用，相似理論適用，引入局地對流尺度引入局地對流尺度 和位溫尺度和位溫尺度 。310vvfwgzufvfuw0 混合層：混合層： 對流邊界層的中層，對流邊界層的中層，強烈的垂直混合，強烈的垂直混合，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，相應(yīng)的特征速度相應(yīng)的特征速度 和特征溫度為和

4、特征溫度為 。 310*vviwgzW 0*fvMLuw 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)在卷夾層的中間不穩(wěn)定邊界層發(fā)展的四個階段不穩(wěn)定邊界層發(fā)展的四個階段：1、淺、淺ML的形成和緩慢加厚；的形成和緩慢加厚；2、ML的快速發(fā)展；的快速發(fā)展；3、近似常值厚度的深、近似常值厚度的深ML；4、湍流衰減。、湍流衰減。4681012141618202224 P eking Tim e 0200400600800100012001400 Zi(peak Fm m )hForm ationP haseD

5、 evolpingP haseM atureP haseD ecayP hasedry season青藏高原中部地區(qū)干季邊界層高度平均日變化青藏高原中部地區(qū)干季邊界層高度平均日變化4681012141618202224 P eki ng Ti m e 02004006008001000120014001600 Zi(peak Fm m )hForm ati onP haseD evol pi ngP haseM atureP haseD ecayP hase R ai ny Season青藏高原中部地區(qū)雨季邊界層高度平均日變化青藏高原中部地區(qū)雨季邊界層高度平均日變化對流熱泡貫穿與卷夾層的厚度對

6、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熱泡熱泡(Thermal)和熱煙羽和熱煙羽(Plume)：對流邊界層中：浮力作功是驅(qū)動湍流的主要機(jī)制，最大湍渦尺度往往可對流邊界層中：浮力作功是驅(qū)動湍流的主要機(jī)制，最大湍渦尺度往往可以達(dá)到邊界層厚度的量級；以達(dá)到邊界層厚度的量級；下圖為一個煙羽的剖面，其橫向尺度約為下圖為一個煙羽的剖面，其橫向尺度約為100 米。由于彌散作用，使煙米。由于彌散作用，使煙羽前沿邊界不很清晰，而其后沿構(gòu)成的鋒面結(jié)構(gòu)，稱作微鋒。微鋒兩側(cè)，位溫羽前沿邊界不很清晰，而其后沿構(gòu)成的鋒面結(jié)構(gòu)，稱作微鋒。微鋒兩側(cè)，位溫、垂直氣流和其它湍流特征量均

7、有一定的躍變。、垂直氣流和其它湍流特征量均有一定的躍變。熱煙羽剖面圖（引自熱煙羽剖面圖（引自Stull,1988Stull,1988）下圖顯示下圖顯示T、w和和u的變化圖線有如電子斜波圖形，稱作的變化圖線有如電子斜波圖形，稱作斜波結(jié)構(gòu)（斜波結(jié)構(gòu)（Ramp）。熱煙羽剖面上各種湍流特征量分布（引自熱煙羽剖面上各種湍流特征量分布（引自KaimalKaimal和和BusingerBusinger,1970,1970）-4004080120 160 2000100020000408012016020011:0012:0016:0011:0012:0014:0016:0014:00WTTT圖 2、Wang

8、ara33 天白天w和2廓線（10-3）(縱坐標(biāo)單位：米)-10-8-6-4-200500100015002000-10-8-6-4-20ComputedObserved6:0012:0015:0018:006:0012:0015:0018:00圖 4 Wangara33 天白天東西向風(fēng)速模擬垂直廓線與實測垂直廓線(縱坐標(biāo)單位：米)-50010002000-505ComputedObserved6:0012:0015:0018:006:0012:0015:0018:00圖 5.Wangara33 天白天南北向風(fēng)速模擬垂直廓線與實測垂直廓線(縱坐標(biāo)單位：米)-120-90-60-30030010

9、002000-30030609012012:0015:0012:0015:0011:0016:0011:0016:00uwvw圖 6、Wangara33 天白天uw和vw廓線（103m2s-2）(縱坐標(biāo)單位：米)0.00.10.20.30.00.51.01.50.00.10.20.30.4圖 7 Wangara33 天白天湍流動能的垂直分量和水平分量(m2s-2) (縱坐標(biāo)單位：米)6:009:0012:0015:0018:0021:000:003:006:0002004006008001000120014006:009:0012:0015:0018:0021:000:003:006:0002

10、00400600800100012001400BOUNDARY LAYER HIGHSTABILITY PARAMETER圖 8，混合層的高度和穩(wěn)定度參數(shù)上：混合層高度 zi（實線） ，0.3u*/|f|（虛線） 。下：u*/|f|L（實線） ，zi/L（虛線）0.0000.10001000200011:0012:0014:00WQ圖 9 Wangara33 天白天wq的模擬結(jié)果(ms-1gkg-1)(縱坐標(biāo)單位：米)0200400600800100012001400160018002000290295300305310 2008 2011 2014 2017Potential Tempera

11、ture(K)Height(m)02004006008001000120014001600180020000.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 2008 2011 2014 2017980820白天 邊 界 層平均 溫、濕、風(fēng)廓線 Height(m)Mixing Ratio(kg/kg)0200400600800100012001400160018002000-6 -5 -4 -3 -2 -10123456 2008 2011 2014 2017 Height(m)W-E Wind Speed:U(m/s)020040060080010001200

12、1400160018002000-6 -5 -4 -3 -2 -10123456 2008 2011 2014 2017 Height(m)S-N Wind Speed:V(m/s)0200400600800100012001400160018002000-0.050.000.050.100.150.20980820白天邊界層二階湍流通量 Height(m)wt,heat flux(K*m/s) 2008 2011 2014 20170200400600800100012001400160018002000-0.3-0.2-0.10.00.1 2008 2011 2014 2017 Heigh

13、t(m)uw,momentum flux(m2/s2)0200400600800100012001400160018002000-0.15-0.10-0.050.000.05 2008 2011 2014 2017 Height(m)vw,momentum flux(m2/s2)0200400600800100012001400160018002000-0.50.00.51.01.5 2008 2011 2014 2017 Height(m)e,turbulence energy(m2/s2)對流邊界層氣象要素及湍流特征量的垂直廓線對流邊界層氣象要素及湍流特征量的垂直廓線 （引自（引自stul

14、lstull,1988,1988）各種氣象要素及湍流特征量的垂直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：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zwuvVftugc) ()(zwvuUftvgc) ()(zwt) (zqwtq) (由于熱力作用占主導(dǎo)，則：由于熱力作用占主導(dǎo)，則：常數(shù)？！常數(shù)？！0) (22zw1、感熱通量隨高度呈線形變化、感熱通量隨高度呈線形變化類似有：類似有：0) (22zqw影響不穩(wěn)定邊界層發(fā)展的因素：影響不穩(wěn)定邊界層發(fā)展的因素：邊界層性質(zhì)（包括：地表熱通量、邊界邊界層性質(zhì)（包括：地表熱通量、邊界層厚度、卷夾層內(nèi)位溫梯

15、度、位溫遞減率等。層厚度、卷夾層內(nèi)位溫梯度、位溫遞減率等。對流邊界層衰退的因素：對流邊界層衰退的因素：當(dāng)邊界層內(nèi)湍流能量不足以平衡粘性耗散。當(dāng)邊界層內(nèi)湍流能量不足以平衡粘性耗散。陸地、晴空條件上，一般發(fā)生在地表感熱通量為零的下午至日落時分。陸地、晴空條件上，一般發(fā)生在地表感熱通量為零的下午至日落時分。此時，湍流動能的來源沒有了，仍有白天邊界層的殘留。日落后，白天的此時，湍流動能的來源沒有了，仍有白天邊界層的殘留。日落后，白天的TKE繼續(xù)衰退；底層部分在新的近地層條件下逐漸發(fā)展成穩(wěn)定邊界層。繼續(xù)衰退；底層部分在新的近地層條件下逐漸發(fā)展成穩(wěn)定邊界層。對流邊界層衰退的研究較少，推薦：對流邊界層衰退的

16、研究較少，推薦：Nieuwstadt, F.T.M. And R.A. Brost(1986), The decay of convective turbulence. J. Atmos. Sci., 43, 532-546卷夾層平均位置卷夾層平均位置zi可以明確表征不穩(wěn)定邊界層到達(dá)的高度，在此以上進(jìn)可以明確表征不穩(wěn)定邊界層到達(dá)的高度，在此以上進(jìn)入自由大氣。入自由大氣。Zi只與邊界層熱泡相聯(lián)系的獨立參數(shù)。只與邊界層熱泡相聯(lián)系的獨立參數(shù)。判斷不穩(wěn)定邊界層高度：位溫躍變、感熱通量極小位置。判斷不穩(wěn)定邊界層高度：位溫躍變、感熱通量極小位置。當(dāng)?shù)孛骈_始加熱時，大氣邊界層可發(fā)展成對流邊界層。當(dāng)?shù)孛骈_始加

17、熱時，大氣邊界層可發(fā)展成對流邊界層。大渦模擬發(fā)現(xiàn)：大渦模擬發(fā)現(xiàn)：ABS(zi/L)1.5，對流湍流開始出現(xiàn)；，對流湍流開始出現(xiàn)； ABS(zi/L)4.5，對流旺盛；，對流旺盛； 如：如：L=-200，zi=1000m，zi/L=-5，地面，地面(z=10m)z/L=-0.05（弱不穩(wěn)定）（弱不穩(wěn)定）只要晴天陸面湍流通量有一小部分分配給感熱，則白天邊界層通常為不穩(wěn)定邊只要晴天陸面湍流通量有一小部分分配給感熱，則白天邊界層通常為不穩(wěn)定邊界層，具有混合層性質(zhì)。界層，具有混合層性質(zhì)。對流熱泡對流熱泡不穩(wěn)定邊界層中的熱泡結(jié)構(gòu)明顯：內(nèi)部上升氣流與周邊下沉氣流對比鮮明；不穩(wěn)定邊界層中的熱泡結(jié)構(gòu)明顯：內(nèi)部上升氣流與周邊下沉氣流對比鮮明；熱泡上升攜帶低高度的氣溶膠粒子，而下沉氣團(tuán)較為干凈；熱泡上升攜帶低高度的氣溶膠粒子，而下沉氣團(tuán)較為干凈； p327, Figure 11.24對流邊界層：對流邊界層： ，混合層內(nèi)，動力影響可以忽略；，混合層內(nèi)，動