《边界层气象学》课件：CH07-稳定边界层.pptx

1、CH07.稳定边界层稳定边界层一、稳定边界层特征一、稳定边界层特征二、稳定边界层模式二、稳定边界层模式三、低空急流三、低空急流一、稳定边界层特征一、稳定边界层特征 如果边界层内位温随着高度增加而升高，就成为稳定边界层。形成稳定边界层有多种原因，夜间地表辐射冷却形成的逆位温层结，就是常见的稳定边界层；另外，若有暖平流流经冷的下垫面，也能形成稳定边界层。在稳定边界层中，湍流热交换自上向下输送热量。通常，稳定边界层的厚度大约100500m。Stull（1）稳定边界层的共同特征是有逆温层，此时浮力的作用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抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。但因为

2、还有切应力的作用，所以湍流不会完全消失，而是在弱的水平上维持，在大气边界层中仍是一个不可忽略的因子。这种情况下，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流热交换过程的影响相当。zpwzewzuwuwgtevv1（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达到切应力产生动能的1/5左右，湍流便会因连续不断地耗散而衰竭，这相当于通量理查孙数Rf = 0.2。此时湍流结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。zvwvzuwuwgRvvf（3）因湍流很弱，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

3、界层的响应放缓。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，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宁奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。Stull（4）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层顶的位置。总之，由于湍流弱，其他的热力学和动力学因子的作用会表现出来，并与湍流相互作用而构成稳定边界层的特征。因此随着热力学和动力学因子大小的变化，稳定边界层就会发生相应的变化，增加了稳定边界层研究的复杂性和难度。而且，由于湍流及其他各项因子的量都比较小，使实际观测的精确度受到影响，不易将它们的数值特征从观测误差中分离。比较有利的条件只有一

4、点：稳定边界层发展的中、后期，边界层内的各种过程随时间变化较弱，可以视作为平稳过程。二、稳定边界层模式二、稳定边界层模式稳定边界层厚度和强度的总体量度稳定边界层厚度和强度的总体量度s0s强度：积分厚度尺度：hzH0sd1累积冷却量：Hzhs0dsHB热交换整体尺度：稳定边界层的高度：稳定边界层的高度：gssUUUwuwuwuTKETKETKEzTzmax05. 0; 005. 0; 00/0/位温廓线的理想模式位温廓线的理想模式 a：a，稳定混合层模式：，稳定混合层模式：hzhzz , constant,0)(极端情况，强风及弱地面冷却时，类似于完全极端情况，强风及弱地面冷却时，类似于完全混合

5、层混合层Hh位温廓线的理想模式位温廓线的理想模式 b：b，线性混合：位温，线性混合：位温随高度线性递增，随高度线性递增，但稳定边界层顶部但稳定边界层顶部仍保持强逆温跃变。仍保持强逆温跃变。中等强风和湍流时中等强风和湍流时易出现。易出现。hsshszHhhzhz)()/(2)/()/1 (位温廓线的理想模式位温廓线的理想模式 c：c，线性：位温随高，线性：位温随高度线性递增，稳定度线性递增，稳定边界层顶部没有位边界层顶部没有位温跃变。温跃变。szHhhzhz)(2,)/1 (位温廓线的理想模式位温廓线的理想模式 d：d，多项式：位温随，多项式：位温随高度按多项式递增，高度按多项式递增，稳定边界层

6、顶部逆稳定边界层顶部逆温梯度为零。温梯度为零。szHhhzhz)()1 (3 , 2,)/1 (位温廓线的理想模式位温廓线的理想模式 e：e，指数：位温随高，指数：位温随高度按指数递增，没度按指数递增，没有明显的稳定边界有明显的稳定边界层顶，必须人为假层顶，必须人为假定。定。Hzsze/)(,%5 )(szifHHh305. 0ln累积冷却量的预报：累积冷却量的预报： 1*22jjpjjpjjjxucLExFcxxutzwcLEzFczwyvxutpzp1*对边界层厚度积分，代换对边界层厚度积分，代换)(0z简化为：简化为：hhdzdzt00.hhzdzdzt00)(0.)(hhzdzdzt0

7、0)(.hsdztH0.)(积分冷却量定义：积分冷却量定义：Hzhs0d得到积分冷却量预报：得到积分冷却量预报：THLARWAsQQQQQQtH)(积分冷却量预报：水平平流热通量水平平流热通量垂直平流热通量垂直平流热通量垂直方向辐射通量垂直方向辐射通量潜热通量潜热通量感热通量感热通量总热通量总热通量注意：方程右边热通量均取运动学热通量单位，注意：方程右边热通量均取运动学热通量单位，Kms-1TsQtH)(夜间，总通量为负值，一般夜晚，该值总体变化不是很大，假如为夜间，总通量为负值，一般夜晚，该值总体变化不是很大，假如为常数，则：常数，则：sHB考虑到热交换整体尺度：tQHTstBQHT5 .

8、0)(tBQTs5 . 0)/(得积分厚度：得地面位温强度：tBQHT5 . 0)(tBQTs5 . 0)/(积分厚度：地面位温强度：TgQZfGB23)(热交换整体尺度参数化：当热交换总体尺度当热交换总体尺度B大时（较强湍流），位温强度较小，积分厚度较大；大时（较强湍流），位温强度较小，积分厚度较大；当热交换总体尺度当热交换总体尺度B小时（较弱湍流），位温强度较大，积分厚度较小；小时（较弱湍流），位温强度较大，积分厚度较小；热交换整体尺度热交换整体尺度B可以用科氏力参数、地转风速、净热通量及宏观可以用科氏力参数、地转风速、净热通量及宏观粗糙度（量级约粗糙度（量级约510km，不是地表空气动力

9、学粗糙长度）进行参，不是地表空气动力学粗糙长度）进行参数化。数化。例：例：晴朗夜晚，晴朗夜晚，f=10-4s-1。Z=4km，地转风，地转风G=10ms-1，总冷却量总冷却量QT=-0.03Kms-1。求。求6小时后稳定边界层的积小时后稳定边界层的积分厚度和位温强度，给出由此产生的对混合模式、线分厚度和位温强度，给出由此产生的对混合模式、线性模式、指数模式的位温廓线性模式、指数模式的位温廓线tBQHT5 . 0)(tBQTs5 . 0)/(积分厚度：地面位温强度：TgQZfGB23)(热交换整体尺度参数化：m/K2 .27)03. 0)(8 . 9()4000)(10)(10()(2/3423

10、TgQZfGBm8 .132)3600)(6)(03. 0)(2 .27()(2/15 . 0tBQHTK88. 43600)/27.2(0.03)(6)()/(2/15 . 0tBQTs积分厚度尺度积分厚度尺度位温强度位温强度m8 .132Hhm6 .2658 .13222Hhm4 .398305. 0lnHHh完全混合模式时边界层高度：完全混合模式时边界层高度：指数模式时边界层高度：指数模式时边界层高度：线性模式时边界层高度：线性模式时边界层高度：讨论：积分厚度尺度相同，但不讨论：积分厚度尺度相同，但不同稳定边界层位温廓线模式将给同稳定边界层位温廓线模式将给出不同的边界层高度。出不同的边界

11、层高度。三、低空急流三、低空急流低空急流是指在低空数百米至一公里高度上出现的风速低空急流是指在低空数百米至一公里高度上出现的风速特大区域，其最大风速值会超过特大区域，其最大风速值会超过10 20 m/s以上，并在以上，并在最大风速上、下保持较强的风速切变。大多在夜间形成，最大风速上、下保持较强的风速切变。大多在夜间形成，也叫夜间急流。形成急流的原因很多，常见的有下列几也叫夜间急流。形成急流的原因很多，常见的有下列几种情况：种情况：1、稳定边界层的惯性振荡；、稳定边界层的惯性振荡； 2、与天气尺度及地形有关的斜压性；、与天气尺度及地形有关的斜压性；3、锋面；、锋面；4、过山气流；、过山气流；5、

12、平流加速；、平流加速；6、山谷风；、山谷风；7、海陆风；、海陆风；边界层内出现超地转风的现象，可以简单从运动方程边界层内出现超地转风的现象，可以简单从运动方程看出，定常、水平均匀边界层内：看出，定常、水平均匀边界层内：zuufyg)(对边界层积分，x轴沿地面风方向。利用边条件：)( , 0)( , 00hzzzyy0)(0hzgdzuu所以，边界层内有小于地转风的区域，则必然有超地所以，边界层内有小于地转风的区域，则必然有超地转的区域。在转的区域。在Ekman解中我们已经看到这一结果。但解中我们已经看到这一结果。但在中性正压条件下，这种边界层内超地转风速一般超在中性正压条件下，这种边界层内超地

13、转风速一般超的不多，这不是低空急流。低空急流另有机制。的不多，这不是低空急流。低空急流另有机制。惯性振荡理论解释低空急流惯性振荡理论解释低空急流：（：（Blackadar 1957） 认为低空急流是由于夜间边界层湍流减弱，上部风速产生惯性振荡使风速逐渐加速而形成的。 由于地面强摩擦阻力的作用，白天混合层内的风矢量保持较强的次地转分布；入夜后，转变为稳定层结的大气边界层其湍流强度迅速减弱，导致雷诺应力减小到很低的量级，称为摩擦撤除效应。最终导致科氏力诱发出惯性振荡。)()()()(gggguufvvtvvfuut夜间，相应于原来白天边夜间，相应于原来白天边界层上部气层的运动方程界层上部气层的运动

14、方程为：保留科氏力、气压梯为：保留科氏力、气压梯度力、惯性力；湍流摩擦度力、惯性力；湍流摩擦没有了！（地转风为已知）没有了！（地转风为已知）)()(ggdvviuuV引入复地转偏差：引入复地转偏差：请求解上述方程组！请求解上述方程组！)()()()(gggguuifvvfvvtiuut)()(ggduuifvvfitViddifVtViftddeVV0iftddeVV0)sin()()cos()()sin()()cos()(ftuuftvvvvftvvftuuuugdaygdayggdaygdayg)()(:0gdaygdaydvviuuVlet显然，入夜后，风将围绕地转风振荡，显然，入夜后，风将围绕地转风振荡，周期为周期为2/fGVdVVd0Vdayft惯性振荡示意图：惯性振荡示意图：iftddeVV0Vz逆温层顶逆温层顶6小时后小时后初态初态稳定边界层内低空急流形成：惯性振荡理论稳定边界层内低空急流形成：惯性振荡理论CH07.稳定边界层稳定边界层结束结束Thank you课后练习题：课后练习题：