大氣邊界層

title: 形成原因.
content: 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,风速从零开始随离地高度的增加而增大。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。风切变通常是三维的,这和埃克曼螺旋效应相关。此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。  地表摩擦力对大气边界层的影响主要分为两个方面。一方面,类似于普通的摩擦力,近表面类似静止的分子和流动的分子之间不断交换,总效果是减慢了空气流动。另一方面,更重要的是,在地表附近,空气会形成一系列不规则漩涡,从而对空气流动带来巨大阻力。
title: 影响因素.
content: 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,对数风廓线也很不同。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%。对于开放水域或冰面,则可能只减少20%到30%。在选择风力发电机的建造位置时,这些因素都会被考虑。在工程学上,人们常常用简单切变来建模风梯度: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”。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。不过,这样近似尽管很方便,却并无理论依据。
title: 高度.
content: 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。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。
title: 重要性.
content: 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、气溶胶和大气污染物的汇,对土壤侵蚀也很重要。边界层云能够影响天气和气候。
title: 边界层与污染物.
content: 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。
title: 边界层云.
content: 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。
title: 边界层的湍流.
content: 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。
title: 湍流动能.
content: 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。
title: 统计特征.
content: 相比高层大气,湍流在地表附近更强且尺度更小。
title: 速度扰动.
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title: 湍流强度.
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title: 通量输送.
content: 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。
title: 结构和演化.
title: 昼夜变化.
content: 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,大气不稳定性也下降。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。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。在对流边界层中,强混合减小了垂直风梯度。
title: 温度结构.
content: 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。

Summary: 在气象学中,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。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”,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)。

Couche limite atmosphérique: La couche limite atmosphérique (CLA), également connu sous le nom de "couche limite planétaire" (CLP) ou "couche limite de frottement", est en météorologie la partie la plus basse de la troposphère dont le comportement est directement influencé par le frottement avec une surface planétaire. Sur Terre, elle répond généralement aux changements du forçage radiatif de surface en une heure ou moins. Dans cette couche, des quantités physiques telles que la vitesse d'écoulement, la température et l'humidité présentent des fluctuations rapides (turbulence) et le mélange vertical est intense. Au-dessus de la CLA se trouve l'atmosphère libre, là où le vent est approximativement géostrophique (parallèle aux isobares), tandis que dans la couche limite, le vent est affecté par la traînée superficielle due au frottement avec le relief et s'oriente en travers des isobares vers les pressions plus basses.