第八章非均一下墊面對(duì)邊界層的影響一、內(nèi)邊界層二、山谷風(fēng)和海陸風(fēng)三、過(guò)山氣流四、熱島環(huán)流五、建筑物周圍局地環(huán)流第八章非均一下墊面對(duì)邊界層的影響一、內(nèi)邊界層在實(shí)際的地理?xiàng)l件下，很難找到有幾十甚至上百公里的均一平坦的下墊面。城鎮(zhèn)建筑物、大面積水域、森林、農(nóng)作物以及地形的起伏分布，都對(duì)邊界層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響。從20世紀(jì)50年代末到80年代初，邊界層的研究工作重心逐漸轉(zhuǎn)向了非均一下墊面影響的理論研究，野外觀測(cè)、數(shù)值模擬技術(shù)以及環(huán)境風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)這方面的研究起了很大的推動(dòng)作用。這方面的工作重點(diǎn)多集中在中小尺度，從水平距離百米尺度到數(shù)十公里尺度在實(shí)際的地理?xiàng)l件下，很難找到有幾十甚至上百公里的均一平坦的下一、內(nèi)邊界層1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）2、熱內(nèi)邊界層3、內(nèi)邊界層對(duì)擴(kuò)散的影響一、內(nèi)邊界層1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）當(dāng)氣流從上游的均一下墊面移向下游的另一種均一下墊面時(shí)，下墊表面的動(dòng)力、熱力或水汽輸送條件常會(huì)發(fā)生躍變。例如氣流從相對(duì)光滑的海洋（z0值很小）移向相對(duì)粗糙的陸地時(shí)，不但下墊面的粗糙度發(fā)生躍變，而且還極有可能產(chǎn)生下墊面溫度以及水汽蒸發(fā)條件的躍變。為了簡(jiǎn)化研究的問(wèn)題，現(xiàn)討論下述兩種情況：①

上游來(lái)流為中性大氣，氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度的下墊表面；（動(dòng)力內(nèi)邊界層）②

氣流從一種溫度的下墊表面過(guò)渡到另一種溫度的下墊表面。（熱內(nèi)邊界層）前一種情況是純動(dòng)力過(guò)程。后一種情況比較復(fù)雜，大多數(shù)人最關(guān)心的一種特例是：上游來(lái)流為穩(wěn)定層結(jié)，從冷下墊表面躍變到較暖的下墊表面。在地面的動(dòng)力或熱力強(qiáng)制作用下，在新的下墊表面上空將形成一個(gè)內(nèi)邊界層

當(dāng)氣流從上游的均一下墊面移向下游的另一種均一下墊面時(shí)，下墊表1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）在氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度表面的過(guò)程中，新下墊表面的強(qiáng)制作用將調(diào)整原有的風(fēng)速廓線和摩擦速度。隨著氣流往下游的運(yùn)行，它的強(qiáng)制作用逐漸向上擴(kuò)散，因而在新表面上空形成一個(gè)厚度逐漸加大的新邊界層。最后，空氣層完全擺脫來(lái)流的影響，形成了適應(yīng)新下墊表面的邊界層。在這個(gè)過(guò)程的初始和中期階段形成的新邊界層就稱為動(dòng)力內(nèi)邊界層。（邊界層內(nèi)的邊界層）hi之下為內(nèi)邊界層：IBL，InnerBoundaryLayer。hss之下為一個(gè)副層內(nèi)邊界層發(fā)展示意圖1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）在氣流從一種粗糙度表面躍變到內(nèi)邊界層中風(fēng)速廓線：當(dāng)上游來(lái)流為中性大氣時(shí)，內(nèi)邊界層頂hi以上仍維持上游的對(duì)數(shù)分布規(guī)律；在hss副層內(nèi)則已適應(yīng)新的表面粗糙度z02和摩擦速度u*02；在hss和hi之間則處于過(guò)渡階段

注意：hi是下風(fēng)距離的函數(shù)我們的目的是：確定內(nèi)邊界層中風(fēng)速廓線、內(nèi)邊界層的高度、內(nèi)邊界層的摩擦速度或者切應(yīng)力。內(nèi)邊界層中風(fēng)速廓線：當(dāng)上游來(lái)流為中性大氣時(shí)，內(nèi)邊界層頂hi以內(nèi)邊界層上下的風(fēng)速廓線

(根據(jù)Bradley，1968)觀測(cè)資料粗糙度躍變點(diǎn)在x=0處。圖(a)為光滑到粗糙的過(guò)渡，z01=0.02mm，z02=2.5mm；圖(b)為粗糙到光滑的過(guò)渡，z01=2.5mm,z02=0.02mm內(nèi)邊界層上下的風(fēng)速廓線(根據(jù)Bradley，1968)觀Townsend根據(jù)相似理論概念，對(duì)內(nèi)邊界層中的風(fēng)速廓線提出了自保持（Self-Preserving）的概念，即各個(gè)斷面上的風(fēng)速廓線保持某種相似規(guī)律。之后，Mulhearn通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)給出了自保持的表達(dá)形式流線位移產(chǎn)生的訂正值

由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到馮卡門常數(shù)野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此公式比較滿意Townsend根據(jù)相似理論概念，對(duì)內(nèi)邊界層中的風(fēng)速廓線提出內(nèi)邊界層高度確定：Elliott

給出的經(jīng)驗(yàn)公式為：

根據(jù)許多研究工作者在野外和風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，n=0.8相當(dāng)合適

內(nèi)邊界層頂高度與距離的關(guān)系

（根據(jù)Garratt，1992）實(shí)線A（圓點(diǎn)）為光滑到粗糙的過(guò)渡，實(shí)線B（三角點(diǎn)）為粗糙到光滑的過(guò)渡，虛線則為上式的結(jié)果。兩組曲線的M值分別為4.8和4.8

內(nèi)邊界層高度確定：Elliott給出的經(jīng)驗(yàn)公式為：根據(jù)許Miyaka提出一個(gè)比較明確而簡(jiǎn)單的理論模式來(lái)確定內(nèi)邊界層高度，假設(shè)內(nèi)邊界層頂?shù)拇怪鄙煺顾俣扰cu*02成正比，平流輸送速度為

設(shè)x=0處hi=z02,積分上式可得

B11。上式的唯一不足是，完全沒(méi)有考慮上游來(lái)流的影響。目前，有關(guān)內(nèi)邊界層高度預(yù)測(cè)的進(jìn)一步工作，大多數(shù)學(xué)者已放棄了其解析表達(dá)式的推導(dǎo)，而采用數(shù)值模擬的方法

假設(shè)Miyaka提出一個(gè)比較明確而簡(jiǎn)單的理論模式來(lái)確定內(nèi)邊界層高內(nèi)邊界層中u*(或切應(yīng)力

=u*2)的變化難以測(cè)量，但地表切應(yīng)力

0或u*02的測(cè)量可以借助應(yīng)力盤(pán)來(lái)完成

內(nèi)邊界層下墊表面切應(yīng)力隨距離的變化

（根據(jù)Bradley，1968）長(zhǎng)虛線為Panofsky和Townsend1的計(jì)算結(jié)果；短虛線為Jensen的計(jì)算結(jié)果；實(shí)線為Rao等人的計(jì)算結(jié)果

內(nèi)邊界層中u*(或切應(yīng)力=u*2)的變化難以測(cè)量，2、熱內(nèi)邊界層熱內(nèi)邊界層的發(fā)展及其溫度廓線隨距離的變化逆溫頂高度冷卻：穩(wěn)定層加熱：混合層2、熱內(nèi)邊界層熱內(nèi)邊界層的發(fā)展及其溫度廓線隨距離的變化逆溫實(shí)際觀測(cè)證實(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)熱內(nèi)邊界層的結(jié)構(gòu)完全與混合層一致。因而可以將預(yù)測(cè)混合層隨時(shí)間變化的規(guī)律應(yīng)用到熱內(nèi)邊界層高度hit的預(yù)測(cè)模式中。根據(jù)9.4.7式，假設(shè)hit(t0)=0，可寫(xiě)成：

上游空氣層的逆位溫梯度A卷夾系數(shù)取作0.20內(nèi)邊界層的平均風(fēng)速

下游地表的感熱通量

實(shí)際觀測(cè)證實(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)熱內(nèi)邊界層的結(jié)構(gòu)完全與混合層一致。因?qū)τ谌狈Ω袩嵬坑^測(cè)的地區(qū)，Stundar和Sethuraman(1985)

建議可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式

T01和T02分別為上、下游的地表溫度

為地表阻力系數(shù)

對(duì)于缺乏感熱通量觀測(cè)的地區(qū)，Stundar和Sethuram3、內(nèi)邊界層對(duì)擴(kuò)散的影響圖(a)為由光滑進(jìn)入到粗糙的動(dòng)力內(nèi)邊界層的情況，煙云的擴(kuò)散能力將會(huì)明顯加強(qiáng)；圖(b)為進(jìn)入不穩(wěn)定層結(jié)熱內(nèi)邊界層的情況，煙云在內(nèi)邊界層中迅速擴(kuò)展，形成熏煙型擴(kuò)散。3、內(nèi)邊界層對(duì)擴(kuò)散的影響圖(a)為由光滑進(jìn)入到粗糙的動(dòng)力內(nèi)邊二、山谷風(fēng)和海陸風(fēng)下墊面性質(zhì)不均勻（如陸地和水面、沙漠和植被）和地形起伏不平等動(dòng)力因素和熱力因素的變化，都能引起地方性的氣流變化。這種局地環(huán)流一般是中、小尺度的，范圍從幾公里到一百多公里，其中最常見(jiàn)的是山谷風(fēng)和海陸風(fēng)。應(yīng)指出的是，由于實(shí)際風(fēng)是大尺度天氣形勢(shì)和局地環(huán)流綜合作用的結(jié)果，因此只有在主導(dǎo)風(fēng)比較弱時(shí)，這種局地環(huán)流才能清楚地表現(xiàn)出來(lái)。

二、山谷風(fēng)和海陸風(fēng)下墊面性質(zhì)不均勻（如陸地和水面、沙漠和植被1、山谷風(fēng)谷內(nèi)橫向環(huán)流的理想化日變化過(guò)程

如北京：1、山谷風(fēng)谷內(nèi)橫向環(huán)流的理想化日變化過(guò)程如北京：2、海陸風(fēng)海風(fēng)發(fā)展初期壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的分布

2、海陸風(fēng)海風(fēng)發(fā)展初期壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的分布海陸風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果10m1400LT系統(tǒng)風(fēng)為東風(fēng)海陸風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果10m系統(tǒng)風(fēng)為東風(fēng)三、過(guò)山氣流1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流2、穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流過(guò)山氣流的研究無(wú)論從理論上和實(shí)驗(yàn)上都存在極大的難度，我們?cè)谶@里僅簡(jiǎn)單介紹一些低矮山丘（山丘高度遠(yuǎn)低于邊界層頂）的研究結(jié)果，而且限于二維山丘的情況，以便對(duì)過(guò)山氣流的基本情況有所了解三、過(guò)山氣流1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流過(guò)山氣流的研究無(wú)論從理1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流氣壓擾動(dòng)靜壓力很小，風(fēng)速很大正壓負(fù)壓正壓正、負(fù)壓轉(zhuǎn)換之處出現(xiàn)渦旋：即二次渦1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流氣壓擾動(dòng)靜壓力很小，風(fēng)速很大正壓負(fù)內(nèi)層最貼近山體的具有風(fēng)速切變的氣層，厚度以l表示。該層內(nèi)的風(fēng)切變被加強(qiáng)，非線性平流項(xiàng)與湍流切應(yīng)力散度達(dá)到局地平衡，即：其中z為自山體表面起算的垂直高度，可用下式表示：

Hh為山丘的高度，Lh為0.5Hh高處的山丘半寬度，f(x/Lh)為小山丘的外形曲線函數(shù)。據(jù)估計(jì)，內(nèi)層厚度l約為0.01~0.05Lh

內(nèi)層最貼近山體的具有風(fēng)速切變的氣層，厚度以l表示。該層外層：邊界層的頂層，可以假設(shè)平均流場(chǎng)已不存在任何切變。中間層

介于內(nèi)層和外層的過(guò)渡層。令中間層高度（自山體表面起算）為hm

在山丘的背風(fēng)坡，包括貼近背風(fēng)坡的空腔區(qū)以及隨后的高湍流區(qū)通稱尾流區(qū)。尾流區(qū)內(nèi)已經(jīng)很難再劃分出它的副層，污染物輸送到尾流區(qū)內(nèi)將可能出現(xiàn)熏煙型的擴(kuò)散。尾流區(qū)的控制因子比較復(fù)雜，例如山丘的外形也將是一個(gè)比較重要因子，一些坡度較緩的山丘，貼近背風(fēng)坡后空腔區(qū)中的二次渦將不一定形成。外層：邊界層的頂層，可以假設(shè)平均流場(chǎng)已不存在任何切變。中間層2、穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流的流場(chǎng)是相當(dāng)復(fù)雜的，可能出現(xiàn)下列幾種現(xiàn)象：

（1）氣層在背風(fēng)坡產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)的波長(zhǎng)為

可理解為穩(wěn)定層結(jié)條件下擾動(dòng)氣塊以N

頻率振蕩，以平均風(fēng)速移動(dòng)時(shí)，形成的波動(dòng)的波長(zhǎng)。N為布倫特－維塞拉頻率Brunt-Vaisala(穩(wěn)定層結(jié)時(shí)大氣重力內(nèi)波的頻率)2、穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流的流場(chǎng)是相當(dāng)（2）背風(fēng)坡的空腔區(qū)在中等穩(wěn)定度的情況下會(huì)受到抑制

從A、B點(diǎn)同時(shí)釋放小球探空（2）背風(fēng)坡的空腔區(qū)在中等穩(wěn)定度的情況下會(huì)受到抑制從A、B（3）強(qiáng)穩(wěn)定條件下近地面處將產(chǎn)生在背風(fēng)坡波動(dòng)的脫體，形成背風(fēng)坡波動(dòng)滾軸（leewaverotor）

（3）強(qiáng)穩(wěn)定條件下近地面處將產(chǎn)生在背風(fēng)坡波動(dòng)的脫體，形成背風(fēng)判斷過(guò)山氣流的穩(wěn)定性，不但需考慮當(dāng)時(shí)的大氣溫度層結(jié)，還應(yīng)考慮山體尺度對(duì)氣流擾動(dòng)的影響。取山體的半寬度Lh作為障礙物（山體）特征尺度，令特征速度

定義山體水平弗羅德（Froude）數(shù)FL作為動(dòng)力穩(wěn)定度判據(jù):式中N是Brunt-Vaisala頻率。弗羅德數(shù)的平方表征慣性力與浮力之比。受山體擾動(dòng)的氣流處于中性穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)L，此判據(jù)不再適用

判斷過(guò)山氣流的穩(wěn)定性，不但需考慮當(dāng)時(shí)的大氣溫度層結(jié)，還應(yīng)考慮穩(wěn)定度類別判據(jù)背風(fēng)坡流場(chǎng)特征弱u*/NLh1；FL>1；FH

>>1存在空腔區(qū)二次渦，無(wú)大氣波動(dòng)中FL1;FH>1無(wú)空腔區(qū)二次渦，存在大氣波動(dòng)并誘發(fā)波動(dòng)滾軸強(qiáng)1FH>0存在明顯的波動(dòng)滾軸過(guò)山氣流穩(wěn)定度的強(qiáng)弱除了與弗羅德數(shù)FL有關(guān)之外，還與山體的坡度有密切的關(guān)系，他們引入了一個(gè)新的判據(jù)，稱作山體垂直擾動(dòng)的弗羅德數(shù)FH：

弱u*/NLh1；FL>1；FH>>1中FL1;四、熱島環(huán)流城市有這樣一些特點(diǎn)：①

大多數(shù)城市都存在許多人為的熱源和污染源；②市區(qū)地面覆蓋著大面積瀝青、混凝土表面，它們干燥不透水，水分蒸散所消耗的熱量少；③建筑物墻面對(duì)熱量的吸收，使城市儲(chǔ)存一部分熱量。因此城市近地層的空氣將高于周圍郊區(qū)和農(nóng)田近地面層的氣溫。在地圖上的等溫線將出現(xiàn)一個(gè)高溫中心，稱之為城市熱島

四、熱島環(huán)流城市有這樣一些特點(diǎn)：①大多數(shù)城市都存在許多人為熱島環(huán)流

一般認(rèn)為，當(dāng)天氣尺度的風(fēng)速較小時(shí)，邊界層大氣由于城市熱島的存在，可以在城市中心形成一個(gè)低壓中心并產(chǎn)生指向城市的氣壓梯度力，在低層造成向內(nèi)的輻合流場(chǎng)和上升氣流。在幾百米的高度上，空氣又以相反的方向從城市向郊外流出并下沉，形成一緩慢地?zé)釐u環(huán)流。

熱島環(huán)流一般認(rèn)為，當(dāng)天氣尺度的風(fēng)速較小時(shí)，邊界層大氣由于城城市熱島的影響對(duì)邊界層下層最為明顯。白天城市具有高的感熱通量，使城市熱內(nèi)邊界層的厚度高于四周鄉(xiāng)村的混合層；夜間鄉(xiāng)村的來(lái)流空氣層為穩(wěn)定邊界層時(shí)，在城市上空仍能發(fā)展出不穩(wěn)定的熱內(nèi)邊界層。沿主導(dǎo)風(fēng)方向穿過(guò)市區(qū)中心作一剖面圖（圖10.18），可顯示出城市上空溫度層結(jié)及熱內(nèi)邊界層厚度隨距離的變化。

城市熱島的影響對(duì)邊界層下層最為明顯。白天城市具有高的感熱通量熱島環(huán)流觀測(cè)和模擬實(shí)例熱島環(huán)流觀測(cè)和模擬實(shí)例觀測(cè)示意圖TheobservationsinDecember1984lastedfrom17thto28th.Themeasurementsofwindandtemperaturefieldsweretakenevery2h.觀測(cè)示意圖TheobservationsinDecem0600時(shí)觀測(cè)風(fēng)廓線下層輻合氣流0600時(shí)觀測(cè)風(fēng)廓線下層輻合氣流0600時(shí)觀測(cè)溫度廓線熱島效應(yīng)0600時(shí)觀測(cè)溫度廓線熱島效應(yīng)0600時(shí)觀測(cè)溫度場(chǎng)0600時(shí)觀測(cè)溫度場(chǎng)1200時(shí)觀測(cè)溫度場(chǎng)冷島效應(yīng)1200時(shí)觀測(cè)溫度場(chǎng)冷島效應(yīng)0700時(shí)SO2濃度場(chǎng)0700時(shí)SO2濃度場(chǎng)白天冷島強(qiáng)度如果污染較重可能會(huì)出現(xiàn)冷島效應(yīng)白天冷島強(qiáng)度如果污染較重可能會(huì)出現(xiàn)冷島效應(yīng)人為熱排放人為熱排放0600時(shí)模擬溫度場(chǎng)觀測(cè)模擬0600時(shí)模擬溫度場(chǎng)觀測(cè)模擬0600時(shí)模擬流場(chǎng)0600時(shí)模擬流場(chǎng)1200時(shí)模擬溫度場(chǎng)觀測(cè)模擬1200時(shí)模擬溫度場(chǎng)觀測(cè)模擬結(jié)論弱風(fēng)條件下：夜間產(chǎn)生城市熱島，由人為熱引起夜間，在城市下風(fēng)郊區(qū)產(chǎn)生反向氣流，城市底層為輻合氣流，即“熱島環(huán)流”白天，由于大氣污染、逆溫等原因，產(chǎn)生“城市冷島”。三維數(shù)值模式可以模擬城市邊界層一些重要特征，如熱島、冷島、環(huán)流等。結(jié)論弱風(fēng)條件下：五、建筑物周圍局地環(huán)流五、建筑物周圍局地環(huán)流氣流流過(guò)不同高寬比街谷時(shí)的流動(dòng)形式山體一般為緩坡，但建筑一般為鈍體氣流流過(guò)不同高寬比街谷時(shí)的流動(dòng)形式山體一般為緩坡，但建筑一般單個(gè)建筑物周圍流場(chǎng)ABABCA：渦旋區(qū)，B：尾流區(qū)；C：角隅流區(qū)單個(gè)建筑物周圍流場(chǎng)ABABCA：渦旋區(qū)，B：尾流區(qū)；C：角上風(fēng)向墻角污染物堆積上風(fēng)向墻角污染物堆積北南溫度分布剖面圖深色為高溫?zé)o行道樹(shù)有行道樹(shù)北南溫度分布剖面圖無(wú)行道樹(shù)有行道樹(shù)非對(duì)稱街谷流場(chǎng)－stepup非對(duì)稱街谷流場(chǎng)－stepup非對(duì)稱街谷流場(chǎng)－stepdown非對(duì)稱街谷流場(chǎng)－stepdown建筑群流場(chǎng)2m高度處流場(chǎng)建筑群流場(chǎng)2m高度處流場(chǎng)邊界層氣象學(xué)課件：CH08_非均一下墊面對(duì)邊界層的影響非均一下墊面研究的難點(diǎn)沒(méi)有普遍的規(guī)律，M-O相似理論的適用性尚無(wú)定論。理論研究尚無(wú)突破－－湍流本質(zhì)問(wèn)題？目前主要研究方法是觀測(cè)和數(shù)值模擬非均一下墊面研究的難點(diǎn)沒(méi)有普遍的規(guī)律，M-O相似理論的適用性第八章非均一下墊面對(duì)邊界層的影響一、內(nèi)邊界層二、山谷風(fēng)和海陸風(fēng)三、過(guò)山氣流四、熱島環(huán)流五、建筑物周圍局地環(huán)流第八章非均一下墊面對(duì)邊界層的影響一、內(nèi)邊界層在實(shí)際的地理?xiàng)l件下，很難找到有幾十甚至上百公里的均一平坦的下墊面。城鎮(zhèn)建筑物、大面積水域、森林、農(nóng)作物以及地形的起伏分布，都對(duì)邊界層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響。從20世紀(jì)50年代末到80年代初，邊界層的研究工作重心逐漸轉(zhuǎn)向了非均一下墊面影響的理論研究，野外觀測(cè)、數(shù)值模擬技術(shù)以及環(huán)境風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)這方面的研究起了很大的推動(dòng)作用。這方面的工作重點(diǎn)多集中在中小尺度，從水平距離百米尺度到數(shù)十公里尺度在實(shí)際的地理?xiàng)l件下，很難找到有幾十甚至上百公里的均一平坦的下一、內(nèi)邊界層1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）2、熱內(nèi)邊界層3、內(nèi)邊界層對(duì)擴(kuò)散的影響一、內(nèi)邊界層1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）當(dāng)氣流從上游的均一下墊面移向下游的另一種均一下墊面時(shí)，下墊表面的動(dòng)力、熱力或水汽輸送條件常會(huì)發(fā)生躍變。例如氣流從相對(duì)光滑的海洋（z0值很?。┮葡蛳鄬?duì)粗糙的陸地時(shí)，不但下墊面的粗糙度發(fā)生躍變，而且還極有可能產(chǎn)生下墊面溫度以及水汽蒸發(fā)條件的躍變。為了簡(jiǎn)化研究的問(wèn)題，現(xiàn)討論下述兩種情況：①

上游來(lái)流為中性大氣，氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度的下墊表面；（動(dòng)力內(nèi)邊界層）②

氣流從一種溫度的下墊表面過(guò)渡到另一種溫度的下墊表面。（熱內(nèi)邊界層）前一種情況是純動(dòng)力過(guò)程。后一種情況比較復(fù)雜，大多數(shù)人最關(guān)心的一種特例是：上游來(lái)流為穩(wěn)定層結(jié)，從冷下墊表面躍變到較暖的下墊表面。在地面的動(dòng)力或熱力強(qiáng)制作用下，在新的下墊表面上空將形成一個(gè)內(nèi)邊界層

當(dāng)氣流從上游的均一下墊面移向下游的另一種均一下墊面時(shí)，下墊表1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）在氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度表面的過(guò)程中，新下墊表面的強(qiáng)制作用將調(diào)整原有的風(fēng)速廓線和摩擦速度。隨著氣流往下游的運(yùn)行，它的強(qiáng)制作用逐漸向上擴(kuò)散，因而在新表面上空形成一個(gè)厚度逐漸加大的新邊界層。最后，空氣層完全擺脫來(lái)流的影響，形成了適應(yīng)新下墊表面的邊界層。在這個(gè)過(guò)程的初始和中期階段形成的新邊界層就稱為動(dòng)力內(nèi)邊界層。（邊界層內(nèi)的邊界層）hi之下為內(nèi)邊界層：IBL，InnerBoundaryLayer。hss之下為一個(gè)副層內(nèi)邊界層發(fā)展示意圖1、動(dòng)力內(nèi)邊界層（簡(jiǎn)稱內(nèi)邊界層）在氣流從一種粗糙度表面躍變到內(nèi)邊界層中風(fēng)速廓線：當(dāng)上游來(lái)流為中性大氣時(shí)，內(nèi)邊界層頂hi以上仍維持上游的對(duì)數(shù)分布規(guī)律；在hss副層內(nèi)則已適應(yīng)新的表面粗糙度z02和摩擦速度u*02；在hss和hi之間則處于過(guò)渡階段

注意：hi是下風(fēng)距離的函數(shù)我們的目的是：確定內(nèi)邊界層中風(fēng)速廓線、內(nèi)邊界層的高度、內(nèi)邊界層的摩擦速度或者切應(yīng)力。內(nèi)邊界層中風(fēng)速廓線：當(dāng)上游來(lái)流為中性大氣時(shí)，內(nèi)邊界層頂hi以內(nèi)邊界層上下的風(fēng)速廓線

(根據(jù)Bradley，1968)觀測(cè)資料粗糙度躍變點(diǎn)在x=0處。圖(a)為光滑到粗糙的過(guò)渡，z01=0.02mm，z02=2.5mm；圖(b)為粗糙到光滑的過(guò)渡，z01=2.5mm,z02=0.02mm內(nèi)邊界層上下的風(fēng)速廓線(根據(jù)Bradley，1968)觀Townsend根據(jù)相似理論概念，對(duì)內(nèi)邊界層中的風(fēng)速廓線提出了自保持（Self-Preserving）的概念，即各個(gè)斷面上的風(fēng)速廓線保持某種相似規(guī)律。之后，Mulhearn通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)給出了自保持的表達(dá)形式流線位移產(chǎn)生的訂正值

由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到馮卡門常數(shù)野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此公式比較滿意Townsend根據(jù)相似理論概念，對(duì)內(nèi)邊界層中的風(fēng)速廓線提出內(nèi)邊界層高度確定：Elliott

給出的經(jīng)驗(yàn)公式為：

根據(jù)許多研究工作者在野外和風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，n=0.8相當(dāng)合適

內(nèi)邊界層頂高度與距離的關(guān)系

（根據(jù)Garratt，1992）實(shí)線A（圓點(diǎn)）為光滑到粗糙的過(guò)渡，實(shí)線B（三角點(diǎn)）為粗糙到光滑的過(guò)渡，虛線則為上式的結(jié)果。兩組曲線的M值分別為4.8和4.8

內(nèi)邊界層高度確定：Elliott給出的經(jīng)驗(yàn)公式為：根據(jù)許Miyaka提出一個(gè)比較明確而簡(jiǎn)單的理論模式來(lái)確定內(nèi)邊界層高度，假設(shè)內(nèi)邊界層頂?shù)拇怪鄙煺顾俣扰cu*02成正比，平流輸送速度為

設(shè)x=0處hi=z02,積分上式可得

B11。上式的唯一不足是，完全沒(méi)有考慮上游來(lái)流的影響。目前，有關(guān)內(nèi)邊界層高度預(yù)測(cè)的進(jìn)一步工作，大多數(shù)學(xué)者已放棄了其解析表達(dá)式的推導(dǎo)，而采用數(shù)值模擬的方法

假設(shè)Miyaka提出一個(gè)比較明確而簡(jiǎn)單的理論模式來(lái)確定內(nèi)邊界層高內(nèi)邊界層中u*(或切應(yīng)力

=u*2)的變化難以測(cè)量，但地表切應(yīng)力

0或u*02的測(cè)量可以借助應(yīng)力盤(pán)來(lái)完成

內(nèi)邊界層下墊表面切應(yīng)力隨距離的變化

（根據(jù)Bradley，1968）長(zhǎng)虛線為Panofsky和Townsend1的計(jì)算結(jié)果；短虛線為Jensen的計(jì)算結(jié)果；實(shí)線為Rao等人的計(jì)算結(jié)果

內(nèi)邊界層中u*(或切應(yīng)力=u*2)的變化難以測(cè)量，2、熱內(nèi)邊界層熱內(nèi)邊界層的發(fā)展及其溫度廓線隨距離的變化逆溫頂高度冷卻：穩(wěn)定層加熱：混合層2、熱內(nèi)邊界層熱內(nèi)邊界層的發(fā)展及其溫度廓線隨距離的變化逆溫實(shí)際觀測(cè)證實(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)熱內(nèi)邊界層的結(jié)構(gòu)完全與混合層一致。因而可以將預(yù)測(cè)混合層隨時(shí)間變化的規(guī)律應(yīng)用到熱內(nèi)邊界層高度hit的預(yù)測(cè)模式中。根據(jù)9.4.7式，假設(shè)hit(t0)=0，可寫(xiě)成：

上游空氣層的逆位溫梯度A卷夾系數(shù)取作0.20內(nèi)邊界層的平均風(fēng)速

下游地表的感熱通量

實(shí)際觀測(cè)證實(shí)，不穩(wěn)定層結(jié)熱內(nèi)邊界層的結(jié)構(gòu)完全與混合層一致。因?qū)τ谌狈Ω袩嵬坑^測(cè)的地區(qū)，Stundar和Sethuraman(1985)

建議可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式

T01和T02分別為上、下游的地表溫度

為地表阻力系數(shù)

對(duì)于缺乏感熱通量觀測(cè)的地區(qū)，Stundar和Sethuram3、內(nèi)邊界層對(duì)擴(kuò)散的影響圖(a)為由光滑進(jìn)入到粗糙的動(dòng)力內(nèi)邊界層的情況，煙云的擴(kuò)散能力將會(huì)明顯加強(qiáng)；圖(b)為進(jìn)入不穩(wěn)定層結(jié)熱內(nèi)邊界層的情況，煙云在內(nèi)邊界層中迅速擴(kuò)展，形成熏煙型擴(kuò)散。3、內(nèi)邊界層對(duì)擴(kuò)散的影響圖(a)為由光滑進(jìn)入到粗糙的動(dòng)力內(nèi)邊二、山谷風(fēng)和海陸風(fēng)下墊面性質(zhì)不均勻（如陸地和水面、沙漠和植被）和地形起伏不平等動(dòng)力因素和熱力因素的變化，都能引起地方性的氣流變化。這種局地環(huán)流一般是中、小尺度的，范圍從幾公里到一百多公里，其中最常見(jiàn)的是山谷風(fēng)和海陸風(fēng)。應(yīng)指出的是，由于實(shí)際風(fēng)是大尺度天氣形勢(shì)和局地環(huán)流綜合作用的結(jié)果，因此只有在主導(dǎo)風(fēng)比較弱時(shí)，這種局地環(huán)流才能清楚地表現(xiàn)出來(lái)。

二、山谷風(fēng)和海陸風(fēng)下墊面性質(zhì)不均勻（如陸地和水面、沙漠和植被1、山谷風(fēng)谷內(nèi)橫向環(huán)流的理想化日變化過(guò)程

如北京：1、山谷風(fēng)谷內(nèi)橫向環(huán)流的理想化日變化過(guò)程如北京：2、海陸風(fēng)海風(fēng)發(fā)展初期壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的分布

2、海陸風(fēng)海風(fēng)發(fā)展初期壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的分布海陸風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果10m1400LT系統(tǒng)風(fēng)為東風(fēng)海陸風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果10m系統(tǒng)風(fēng)為東風(fēng)三、過(guò)山氣流1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流2、穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流過(guò)山氣流的研究無(wú)論從理論上和實(shí)驗(yàn)上都存在極大的難度，我們?cè)谶@里僅簡(jiǎn)單介紹一些低矮山丘（山丘高度遠(yuǎn)低于邊界層頂）的研究結(jié)果，而且限于二維山丘的情況，以便對(duì)過(guò)山氣流的基本情況有所了解三、過(guò)山氣流1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流過(guò)山氣流的研究無(wú)論從理1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流氣壓擾動(dòng)靜壓力很小，風(fēng)速很大正壓負(fù)壓正壓正、負(fù)壓轉(zhuǎn)換之處出現(xiàn)渦旋：即二次渦1、中性層結(jié)條件下過(guò)山氣流氣壓擾動(dòng)靜壓力很小，風(fēng)速很大正壓負(fù)內(nèi)層最貼近山體的具有風(fēng)速切變的氣層，厚度以l表示。該層內(nèi)的風(fēng)切變被加強(qiáng)，非線性平流項(xiàng)與湍流切應(yīng)力散度達(dá)到局地平衡，即：其中z為自山體表面起算的垂直高度，可用下式表示：

Hh為山丘的高度，Lh為0.5Hh高處的山丘半寬度，f(x/Lh)為小山丘的外形曲線函數(shù)。據(jù)估計(jì)，內(nèi)層厚度l約為0.01~0.05Lh

內(nèi)層最貼近山體的具有風(fēng)速切變的氣層，厚度以l表示。該層外層：邊界層的頂層，可以假設(shè)平均流場(chǎng)已不存在任何切變。中間層

介于內(nèi)層和外層的過(guò)渡層。令中間層高度（自山體表面起算）為hm

在山丘的背風(fēng)坡，包括貼近背風(fēng)坡的空腔區(qū)以及隨后的高湍流區(qū)通稱尾流區(qū)。尾流區(qū)內(nèi)已經(jīng)很難再劃分出它的副層，污染物輸送到尾流區(qū)內(nèi)將可能出現(xiàn)熏煙型的擴(kuò)散。尾流區(qū)的控制因子比較復(fù)雜，例如山丘的外形也將是一個(gè)比較重要因子，一些坡度較緩的山丘，貼近背風(fēng)坡后空腔區(qū)中的二次渦將不一定形成。外層：邊界層的頂層，可以假設(shè)平均流場(chǎng)已不存在任何切變。中間層2、穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流的流場(chǎng)是相當(dāng)復(fù)雜的，可能出現(xiàn)下列幾種現(xiàn)象：

（1）氣層在背風(fēng)坡產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)的波長(zhǎng)為

可理解為穩(wěn)定層結(jié)條件下擾動(dòng)氣塊以N

頻率振蕩，以平均風(fēng)速移動(dòng)時(shí)，形成的波動(dòng)的波長(zhǎng)。N為布倫特－維塞拉頻率Brunt-Vaisala(穩(wěn)定層結(jié)時(shí)大氣重力內(nèi)波的頻率)2、穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流穩(wěn)定層結(jié)條件下過(guò)山氣流的流場(chǎng)是相當(dāng)（2）背風(fēng)坡的空腔區(qū)在中等穩(wěn)定度的情況下會(huì)受到抑制

從A、B點(diǎn)同時(shí)釋放小球探空（2）背風(fēng)坡的空腔區(qū)在中等穩(wěn)定度的情況下會(huì)受到抑制從A、B（3）強(qiáng)穩(wěn)定條件下近地面處將產(chǎn)生在背風(fēng)坡波動(dòng)的脫體，形成背風(fēng)坡波動(dòng)滾軸（leewaverotor）

（3）強(qiáng)穩(wěn)定條件下近地面處將產(chǎn)生在背風(fēng)坡波動(dòng)的脫體，形成背風(fēng)判斷過(guò)山氣流的穩(wěn)定性，不但需考慮當(dāng)時(shí)的大氣溫度層結(jié)，還應(yīng)考慮山體尺度對(duì)氣流擾動(dòng)的影響。取山體的半寬度Lh作為障礙物（山體）特征尺度，令特征速度

定義山體水平弗羅德（Froude）數(shù)FL作為動(dòng)力穩(wěn)定度判據(jù):式中N是Brunt-Vaisala頻率。弗羅德數(shù)的平方表征慣性力與浮力之比。受山體擾動(dòng)的氣流處于中性穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)L，此判據(jù)不再適用

判斷過(guò)山氣流的穩(wěn)定性，不但需考慮當(dāng)時(shí)的大氣溫度層結(jié)，還應(yīng)考慮穩(wěn)定度類別判據(jù)背風(fēng)坡流場(chǎng)特征弱u*/NLh1；FL>1；FH

>>1存在空腔區(qū)二次渦，無(wú)大氣波動(dòng)中FL1;FH>1無(wú)空腔區(qū)二次渦，存在大氣波動(dòng)并誘發(fā)波動(dòng)滾軸強(qiáng)1FH>0存在明顯的波動(dòng)滾軸過(guò)山氣流穩(wěn)定度的強(qiáng)弱除了與弗羅德數(shù)FL有關(guān)之外，還與山體的坡度有密切的關(guān)系，他們引入了一個(gè)新的判據(jù)，稱作山體垂直擾動(dòng)的弗羅德數(shù)FH：

弱u*/NLh1；FL>1；FH>>1中FL1;四、熱島環(huán)流城市有這樣一些特點(diǎn)：①

大多數(shù)城市都存在許多人為的熱源和污染源；②市區(qū)地面覆蓋著大面積瀝青、混凝土表面，它們干燥不透水，水分蒸散所消耗的熱量少；③建筑物墻面對(duì)熱量的吸收，使城市儲(chǔ)存一部分熱量。因此城市近地層的空氣將高于周圍郊區(qū)和農(nóng)田近地面層的氣溫。在地圖上的等溫線將出現(xiàn)一個(gè)高溫中心，稱之為城市熱島

四、熱島環(huán)流城市有這樣一些特點(diǎn)：①大多數(shù)城市都存在許多人為熱島環(huán)流

一般認(rèn)為，當(dāng)天氣尺度的風(fēng)速較小時(shí)，邊界層大氣由于城市熱島的存在，可以在城市中心形成一個(gè)低壓中心并產(chǎn)生指向城市的氣壓梯度力，在低層造成向內(nèi)的輻合流場(chǎng)和上升氣流。在幾百米的高度上，空氣又以相反的方向從城市向郊外流出并下沉，形成一緩慢地?zé)釐u環(huán)流。

熱島環(huán)流一般認(rèn)為，當(dāng)天氣尺度的風(fēng)速較小時(shí)，邊界層大氣