1、CH06.对流边界层对流边界层一、对流边界层结构一、对流边界层结构二、对流边界层发展预报模式二、对流边界层发展预报模式Wallace. p391Standard atmosphere (dashed line) in the troposphereand lower stratosphere, and its alteration by turbulentmixing in the boundary layer (solid line).晴朗白天中纬度陆地上的大气边界层基本上都属于不稳定的类型。白天小风少云的天气下，太阳对下垫表面的增热导致感热通量向上的输送，逐渐形成不稳定层结的边界层。由于地
2、面加热而触发的对流热泡是不稳定大气边界层湍流的源动力，它们的对流上升和下沉决定了边界层动力学结构的基本面貌，因此不稳定大气边界层常称为对流边界层。而大尺度强湍流的驱动，使其具有垂直方向的强烈混合，因此通常又称为混合层。一、对流边界层结构一、对流边界层结构Turbulence in the Atmosphere, WyngaardOKE, P55热力驱动尺度较大湍流控制（1）对流边界层与中性大气边界层不同，对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变形成的动力驱动；而是在近地面层保持一定的虚位温递减率形成的热力驱动。地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来源。（2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的
3、梯度外，由于强烈的混合作用，对流边界层的主体部分各种气象要素的梯度都很小。在中等以上不稳定时温度和风随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。证明：湍流通量随高度近似线性变化zwt22zwtzztzw220zw因为：随高度线性递减（3）对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入边界层，形成了所谓的卷夹层。卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。热泡一方面将地面感热通量输进整个混合层内，另一方面也从自由大气输入热量到混合层内。From Encyclopedia of Atmospheric Sciences Six Volume. P245（4）对流热泡尺度大、寿命长、携
4、带的湍流能量也大，由对流热泡破碎产生的各次级湍流涡旋也异常活跃，导致对流边界层内各气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。zpwzewzuwuwgtevv1Wallace. p401二、对流边界层发展预报模式二、对流边界层发展预报模式Three-phase growth of mixed layer depth zi during fair weather in daytime over land showing the height to whichthermals can rise. Corresponding variation in the lifting c
5、ondensationlevel (LCL) showing the heights needed by thermalsto rise to produce cumulus clouds. When zi LCL, theLCL marks the cloud base of convective clouds.Wallace，p4001、热量平衡法（图解法）、热量平衡法（图解法）(a) Idealized variation of surface sensible heat flux FHs with time during fair weather over land. The area
6、 indicated by the hatched region represents the total amount of heat input into the bottom of the boundarylayer from sunrise until time t1. (b) Typical early morning sounding(heavy line) of potential temperature, showing the change in the mixed-layer average potential temperature, and depth zi with
7、time t. The hatched area in (a) equals the hatched area in (b).zwtzwtsdtwdzttts00)()(2、热量平衡法、热量平衡法z(t0)zi0zi(t)tztittzi1zwt请根据上述方程推导混合层高度随时间的变化规律请根据上述方程推导混合层高度随时间的变化规律iisizwwtz如果忽略顶部夹卷热通量，则：isizwtzdtwdzztttsizziii00)(1dtwzztttsii0)(2022dtwzztttsii0)(2022上午，热通量随时间线性增加：中午，热通量随时间变化缓慢：tzitzi3、跳跃模式、跳跃模式W
8、allace. p399Typical (dashed) and idealized (solid) vertical profilesof potential temperature and turbulent sensible heatflux FH across the mixed layer. The idealized version is sometimes called a slab model (because of the uniform in themixed layer) or a jump model (because of the discontinuity in t
9、he entrainment zone).3、跳跃模式、跳跃模式要考虑顶部夹卷热通量！要考虑顶部夹卷热通量！面积Azi关于夹卷速率关于夹卷速率we：单位时间单位面积从自由大气进入混合层内的空：单位时间单位面积从自由大气进入混合层内的空气体积；辐合辐射引起的垂直运动速度气体积；辐合辐射引起的垂直运动速度wL;)(dtAzdi净体积流入率AwAwdzdxdyVAwLezAhei 0Leiwwdtdzeiwdtdz若不考虑辐合辐射引起的垂直运动若不考虑辐合辐射引起的垂直运动夹卷热通量参数化方法：夹卷热通量参数化方法：eiww考虑影响考虑影响 的因子：的因子：zidtddtdzdtdi )(1、自由大
10、气位温递减率不变；2、若混合层高度增加，则使位温跃变加大；3、若混合层位温增加，则位温跃变减小至此，我们得到的方程有：至此，我们得到的方程有：(1) eiwdtdz(2) iiszwwdtd(3) eiww(4) )(dtddtdzdtdi, ,sieiwwzw，为已知量共共5个未知量，所以需要个未知量，所以需要补充一个方程补充一个方程采用通量比方法的闭合：采用通量比方法的闭合：2 . 0;AwwAsi观测数据给定)(sewAw再看夹卷速率：底部热通量越强，则夹卷速率越大；顶部位温跃变越小，则夹卷速率越大至此，我们得到封闭的方程组：至此，我们得到封闭的方程组：(1) eiwdtdz(2) ii
11、szwwdtd(3) eiww(4) )(dtddtdzdtdi(5) ; 2 . 0;AwwAsidtwAzztttstiti00)(2)(2)()21 (2得到跳跃模式对流边界层高度增长模式：得到跳跃模式对流边界层高度增长模式：dtwzztttstiti00)(2)(2)(2可以看出，当A=0时，即没有顶部夹卷热通量时，退化为热力学方法的结果：(1) Leiwwdtdz(2) iiszwwdtd(3) eiww(4) )(dtddtdzdtdi(5) ; 2 . 0;AwwAsi其中通量比其中通量比A=0.2讨论：讨论：下沉速度必须逐渐增大才能阻止混合层的发展；下沉速度必须逐渐增大才能阻止混合层的发展；当混合层平均位温接近顶部逆温层平均位温时，下沉当混合层平均位温接近顶部逆温层平均位温时，下沉速度趋于无穷大，模式失效！速度趋于无穷大，模式失效！结束结束Thank youCH06.对流边界层对流边界层
