1、CH07.穩(wěn)定邊界層,一、穩(wěn)定邊界層特征 二、穩(wěn)定邊界層模式 三、低空急流,一、穩(wěn)定邊界層特征,如果邊界層內(nèi)位溫隨著高度增加而升高，就成為穩(wěn)定邊界層。形成穩(wěn)定邊界層有多種原因，夜間地表輻射冷卻形成的逆位溫層結(jié)，就是常見的穩(wěn)定邊界層；另外，若有暖平流流經(jīng)冷的下墊面，也能形成穩(wěn)定邊界層。在穩(wěn)定邊界層中，湍流熱交換自上向下輸送熱量。通常，穩(wěn)定邊界層的厚度大約100500m。,Stull,（1）穩(wěn)定邊界層的共同特征是有逆溫層，此時浮力的作用不但不能給湍流補充動能，相反，湍流微團在垂直運動中因反抗重力作功而損失動能，所以湍流能量很弱。但因為還有切應(yīng)力的作用，所以湍流不會完全消失，而是在弱的水平上維持，在

2、大氣邊界層中仍是一個不可忽略的因子。這種情況下，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流熱交換過程的影響相當(dāng)。,（2）理論分析和實驗事實均表明，當(dāng)浮力引起的湍流動能損失達到切應(yīng)力產(chǎn)生動能的1/5左右，湍流便會因連續(xù)不斷地耗散而衰竭，這相當(dāng)于通量理查孫數(shù)Rf = 0.2。此時湍流結(jié)構(gòu)在空間和時間上出現(xiàn)不連續(xù)，形成所謂的間歇性湍流或波與間歇性湍流共存。,（3）因湍流很弱，湍渦尺度小，邊界層不同層次之間的相互作用減弱，地面強迫對邊界層的響應(yīng)放緩。下墊表面的強制作用達到邊界層頂所需的時間尺度可長達數(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。

3、例如，由地面參量計算的莫寧奧布霍夫長度值不能代表邊界層中、上層的情況。,Stull,（4）各種特征量在邊界層頂沒有明顯的過渡特征，難于確定層頂?shù)奈恢谩?總之，由于湍流弱，其他的熱力學(xué)和動力學(xué)因子的作用會表現(xiàn)出來，并與湍流相互作用而構(gòu)成穩(wěn)定邊界層的特征。因此隨著熱力學(xué)和動力學(xué)因子大小的變化，穩(wěn)定邊界層就會發(fā)生相應(yīng)的變化，增加了穩(wěn)定邊界層研究的復(fù)雜性和難度。而且，由于湍流及其他各項因子的量都比較小，使實際觀測的精確度受到影響，不易將它們的數(shù)值特征從觀測誤差中分離。 比較有利的條件只有一點：穩(wěn)定邊界層發(fā)展的中、后期，邊界層內(nèi)的各種過程隨時間變化較弱，可以視作為平穩(wěn)過程。,二、穩(wěn)定邊界層模式,穩(wěn)定邊界

4、層厚度和強度的總體量度,強度：,積分厚度尺度：,累積冷卻量：,熱交換整體尺度：,穩(wěn)定邊界層的高度：,位溫廓線的理想模式 a：,a，穩(wěn)定混合層模式：,極端情況，強風(fēng)及弱地面冷卻時，類似于完全混合層,位溫廓線的理想模式 b：,b，線性混合：位溫隨高度線性遞增，但穩(wěn)定邊界層頂部仍保持強逆溫躍變。中等強風(fēng)和湍流時易出現(xiàn)。,位溫廓線的理想模式 c：,c，線性：位溫隨高度線性遞增，穩(wěn)定邊界層頂部沒有位溫躍變。,位溫廓線的理想模式 d：,d，多項式：位溫隨高度按多項式遞增，穩(wěn)定邊界層頂部逆溫梯度為零。,位溫廓線的理想模式 e：,e，指數(shù)：位溫隨高度按指數(shù)遞增，沒有明顯的穩(wěn)定邊界層頂，必須人為假定。,累積冷卻

5、量的預(yù)報：,對邊界層厚度積分，代換,簡化為：,積分冷卻量定義：,得到積分冷卻量預(yù)報：,積分冷卻量預(yù)報：,水平平流熱通量,垂直平流熱通量,垂直方向輻射通量,潛熱通量,感熱通量,總熱通量,注意：方程右邊熱通量均取運動學(xué)熱通量單位，Kms-1,夜間，總通量為負值，一般夜晚，該值總體變化不是很大，假如為常數(shù)，則：,考慮到熱交換整體尺度：,熱交換整體尺度參數(shù)化：,當(dāng)熱交換總體尺度B大時（較強湍流），位溫強度較小，積分厚度較大； 當(dāng)熱交換總體尺度B小時（較弱湍流），位溫強度較大，積分厚度較小；,熱交換整體尺度B可以用科氏力參數(shù)、地轉(zhuǎn)風(fēng)速、凈熱通量及宏觀粗糙度（量級約510km，不是地表空氣動力學(xué)粗糙長度）

6、進行參數(shù)化。,例：晴朗夜晚，f=10-4s-1。Z=4km，地轉(zhuǎn)風(fēng)G=10ms-1，總冷卻量QT=-0.03Kms-1。求6小時后穩(wěn)定邊界層的積分厚度和位溫強度，給出由此產(chǎn)生的對混合模式、線性模式、指數(shù)模式的位溫廓線,熱交換整體尺度參數(shù)化：,積分厚度尺度,位溫強度,完全混合模式時邊界層高度：,指數(shù)模式時邊界層高度：,線性模式時邊界層高度：,討論：積分厚度尺度相同，但不同穩(wěn)定邊界層位溫廓線模式將給出不同的邊界層高度。,三、低空急流,低空急流是指在低空數(shù)百米至一公里高度上出現(xiàn)的風(fēng)速特大區(qū)域，其最大風(fēng)速值會超過10 20 m/s以上，并在最大風(fēng)速上、下保持較強的風(fēng)速切變。大多在夜間形成，也叫夜間急流

7、。形成急流的原因很多，常見的有下列幾種情況： 1、穩(wěn)定邊界層的慣性振蕩； 2、與天氣尺度及地形有關(guān)的斜壓性； 3、鋒面； 4、過山氣流； 5、平流加速；6、山谷風(fēng)；7、海陸風(fēng)；,邊界層內(nèi)出現(xiàn)超地轉(zhuǎn)風(fēng)的現(xiàn)象，可以簡單從運動方程看出，定常、水平均勻邊界層內(nèi)：,對邊界層積分，x軸沿地面風(fēng)方向。 利用邊條件：,所以，邊界層內(nèi)有小于地轉(zhuǎn)風(fēng)的區(qū)域，則必然有超地轉(zhuǎn)的區(qū)域。在Ekman解中我們已經(jīng)看到這一結(jié)果。但在中性正壓條件下，這種邊界層內(nèi)超地轉(zhuǎn)風(fēng)速一般超的不多，這不是低空急流。低空急流另有機制。,慣性振蕩理論解釋低空急流：（Blackadar 1957） 認為低空急流是由于夜間邊界層湍流減弱，上部風(fēng)速產(chǎn)生慣性振蕩使風(fēng)速逐漸加速而形成的。 由于地面強摩擦阻力的作用，白天混合層內(nèi)的風(fēng)矢量保持較強的次地轉(zhuǎn)分布；入夜后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié)的大氣邊界層其湍流強度迅速減弱，導(dǎo)致雷諾應(yīng)力減小到很低的量級，稱為摩擦撤除效應(yīng)。最終導(dǎo)致科氏力誘發(fā)出慣性振蕩。,夜間，相應(yīng)于原來白天邊界層上部氣層的運動方程為：