影片描绘的是一个月内洛杉矶盆地上空大气边界层和风的运动。大气边界层的高度主要受对流影响。对流和地表温度的快速变化(例如日出日落)相关。灰色的“毯子”代表大气边界层的垂直运动,彩色箭头代表不同海拔高度的风速和风向。

气象学中,大气边界层(英语:atmospheric boundary layer, ABL),也称为行星边界层(英语:planetary boundary layer, PBL或peplosphere),是大气层中最接近行星表面英语Planetary surface的部分,其行为直接受与行星表面接触产生的摩擦力的影响。[1]在这一层中,由于湍流的存在,流速、温度和湿度等物理量快速波动,垂直混合强烈。大气边界层之上的部分称“自由大气”,[2]其风速风向近似是行星自转引起的,即地转风(平行于等压线)。[3]

形成原因

通常情况下,由于空气动力学阻力,在距离地球表面仅几百米的地方(行星边界层的表面层),存在着一个风梯度。由于不滑移条件英语No-slip condition,风速从零[4]开始随离地高度的增加而增大[5]。近地表的障碍物会随机地向风速引入与主方向成直角的垂直和水平速度分量。[6]风切变通常是三维的,[7]这和埃克曼螺旋效应相关。[8]湍流会导致在特定层水平移动的空气和在其直接上层和下层的空气之间的垂直混合

影响因素

近表速度的减小量和表面粗糙程度有关,因此不同地貌特征的地区,风速廓线英语log wind profile也很不同。[5]粗糙、不规则的地表和地面上的人造建筑可以使地转风的风速减小40%到50%。[9][10]对于开放水域或冰面,则可能只减少20%到30%。[11][12]在选择风力发电机的建造位置时,这些因素都会被考虑。[13][14]工程学上,人们常常用简单切变英语simple shear来建模风梯度:在“梯度高度”以上,地表摩擦对风速影响很小,从而风速为常数,该风速称为“梯度风速”。[10][15][16]例如,对于大城市,预测的梯度高度的典型值是457 m,对于城市郊区来说是366 m,对于开阔地形来说是274 m,对于开阔海域来说是213 m。[17]不过,这样近似尽管很方便,却并无理论依据。[18]

高度

晴天的大气边界层位置

边界层的高度一般在1-2km,但在全球范围内变化很大,可以从几十米到4km或更多,在青藏高原等区域甚至能达到5km。[19]:375在植被覆盖的地方较低,在干燥的地方较高。

边界层的高度存在昼夜变化,在白天较高,在夜晚较低。陆地范围内的边界层高度昼夜变化很大,海洋范围内的边界层高度昼夜变化较小。

重要性

大气边界层中的湍流有非常强的能量和物质交换。由于地面的摩擦作用,50%的大气动能在边界层内耗散掉。大气边界层还是许多痕量气体气溶胶大气污染物的汇,[20]土壤侵蚀也很重要。[21]边界层云能够影响天气气候

边界层与污染物

由于污染物基本存在于边界层内,因此在污染物总量相同的情况下,边界层高度越低,地面大气的污染物密度越高。

边界层云

典型的边界层云是日照加热地面后,地面空气受热抬升到抬升凝结高度英语Lifted condensation level而凝结形成的。边界层云是判断边界层顶的重要标准之一。

海洋上空水汽含量充足,因此海洋除了下沉气流区域,往往被边界层云所覆盖。

边界层的湍流

湍流是和层流相对的概念。在层流情况下,流体的速度和方向相似;但在湍流情况下,不同层之间存在尺度不同的涡旋。湍流往往具有较强的不稳定性,能使不同层的大气互相混合。湍流的存在是大气边界层的重要特征。边界层中的湍流尺度一般较小,尺度在200m左右,表面层湍流尺度则更小,尺度在20m左右。[19]:376

产生原因

卡门涡街示意图
  • 风切变。地面摩擦力对大气运动产生明显影响,因此地面风速相对较小,有时风向也会改变,统称为风切变。
    • 卡门涡街:当大气流动经过小岛等阻流体时,会在其下游产生一系列的交错排列的涡旋。
  • 垂直对流。白天地面热空气上升,冷空气下降,产生热力原因的垂直对流。
  • 湍流级联。在大涡旋的边缘,由于大气的惯性,会产生较小的涡旋。

湍流动能

大尺度的湍流动能一般较高,小尺度的湍流动能较低。

湍流动能会持续性地耗散,逐渐变小,动能转化为大气的内能。持续机制是太阳辐射。

统计特征

相比高层大气,湍流在地表附近更强且尺度更小。

速度扰动

湍流强度

通量输送

湍流可以特别有效地混合大气。例如,湍流能混合冷热大气,输送热量通量,使混合后位温处于二者之间,更加均匀。

结构和演化

昼夜变化

大气边界层结构的昼夜变化

白天,边界层内混合比较剧烈,称为混合层。太阳初升,边界层顶逐渐升高,午后升至极高值,之后缓慢下降。边界层顶部出现夹卷层(英语:entrainment zone, E. Z.),在这一层会有较多的自由大气混合进来,其出现原因是白天混合剧烈,上升气流不是到顶端立刻停止,会来回振荡。夜晚,地面冷却快,自由大气冷却慢,于是形成逆温层(英语:capping inversion),在地面附近形成非常稳定的贴地逆温层,称为稳定边界层(英语:stable BL),这两层中间是原先混合充分的边界层的残余,称为残余层(英语:residual layer)。

日落以后,近地表温度梯度增加,大气不稳定性英语Atmospheric instability也下降。[22]夜间,地表通过辐射冷却,使得边界层中产生垂直方向的涡流,从而增加风梯度。[21]风梯度的大小在很大程度上受天气的影响,主要依赖于大气的稳定性和(对流)边界层或逆温层的高度。这种效应在海面上甚至更大,因为海面上边界层的高度不像在陆地上那样存在昼夜变化。[23]在对流边界层中,强混合减小了垂直风梯度。[24]

温度结构

自由大气中温度通常比较均匀,而在边界层中不同海拔高度的温度差别很大。在边界层中,温度有强昼夜变化。由于边界层内湍流的存在带来的混合作用,边界层内不同高度的位温几乎相同,自由大气中则并非如此。这也是判断边界层顶的一个方法。

湿度和风速

参考资料

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