大气行星边界层讲解

2.若大氣較不穩定或是呈中性，邊界層就會較高，可達3㎞。

一般來說，平均邊界層高度約1㎞。

3.大氣在夏天因比在冬天較不穩定，所以邊界層較高；同樣地，白天時大氣比晚上時不穩定，因此也有較厚的邊界層。

物理意義：PBL 處的垂直速度約正比於ξg ，所以 ()ξg e D w ∝。

如圖5-8，邊界層和其上的自由大氣是藉由這樣的一個次環流所聯繫著：地面的低壓因摩擦力造成PBL 內的輻合，產生一向上的運動，因此在高層為一輻散場。

1. 由渦度方程可知，因為高層輻散 ↓⇒+⇒f ξ高空低壓減弱2. 由運動方程可知，因為高空的輻散受到科氏力影響而有順時鐘運動的傾向，因此會減低原渦旋逆時針旋轉的旋度，此即為spin down 的作用。

實例：一盛水的杯子在旋轉時，因有往外的離心力，故必須有向內的氣壓梯度力來平衡，所以水位一定會向中央凹下，呈一拋物面。

但杯底的摩擦力會使近杯底處的水流速度漸小，意味著下層的離心力小於上層之，所以在下層離心力無法平衡氣壓梯度力而產生一輻合，於此，次環流生成，為低層輻合，高層輻散。

此作用和大氣的次環流生成過程有點類似，但有兩處不同：1. 在大氣中為氣壓梯度力和科氏力的平衡，而科氏力是有方向性的；2. 大氣中摩擦力主要是eddy viscosity ，而上例的摩擦力是來自分子摩擦力。

相形之下，如果在沒有對流存在時（積雲對流可以將對流層內的動量和熱量作有效率且十分快速的傳送），邊界層所引發的spin-down process破壞旋轉系統的渦度要比diffusive effect來得有效率得多。

圖5-9為正壓大氣下，由邊界層內的摩擦力所造成的次環流分佈情形。

2.Stably-stratified Baroclinic Atmosphere一般來說，大氣是呈stably-stratified，氣塊之垂直發展受到大氣分層的效應所抑制（負浮力之故），據此，如圖5-10，次環流的垂直發展範圍有一限度。

因此，Ekman layer頂部的渦度spin-down最多，但高層較不會受到影響。

大气边界层气流过地面时，地面上各种粗糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后便可忽略。

此高度称为大气边界层厚度，它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化，大致为300～1000米。

直接受到地表作用力影响的大气对流层，有时也称为行星边界层。

这些作用力包括摩擦，加热，蒸发，蒸散和地形影响等。

大气边界层的厚度随时间空间变化而有明显差异，可由数百公尺至一，二公里。

大气边界层之上成为自由大气。

白天地表受到太阳照射加热，温度升高；晚上则因为地表长波辐射冷却作用而降温，使得接近地表的气温呈现日变化，这种日变化是陆地上大气边界层的主要特征。

由于海水的比热大，以及海洋上层海水强烈的混合作用，使得海水表面温度日变化不明显，所以海上大气边界层的日变化也不明显。

气温日变化的振幅大小随着高度的增加而很快减小，自由大气的日变化则很小。

乱流旺盛也是大气边界层的重要特性。

无论在陆上或海上，在高压区域因为气流沉降，边界层厚度通常比在低压区小。

在陆上高压区域，大气边界层的日夜演化，结构常比较清晰，主要包括混合层，剩余层和稳定边界层。

日出后地表受热，热空气上升，冷空气下降，对流逐渐加强，各种性质近乎均匀的混合，古称之为混合层，也称为对流边界层。

在混合层内为不稳定的大气，其乱流主要有对流作用主导。

日出后混合层很快发展，到了下午一，二点左右，混合层高度达到最高。

日落后，地表受热停止，使得混合层内的乱流强度减弱，原来为不稳定的大气，逐渐转为中性的大气；此为白天混合层的残余，故称之为剩余层。

日落后，地表以长波辐射冷却，逐渐降温，在地表形成逆温，发展成为夜间地面逆温层，这一层大气非常稳定，故称之为稳定边界层，层内的乱流强度很微弱。

在稳定边界层之上即为剩余层。

夜间地面的风通常是微风或静风，但在稳定边界层顶常会出现很强的风速，这种现象称为夜间低层喷流。

无论在混合层或稳定边界层，从地表到约十分之一边界层厚度附近的热通量，水气通量和应力随高度的变化不大，这一层被称为地面层，或等通量层。

行星大气层的层次结构行星是宇宙中自然存在的天体，它们有着多种不同的特征和组成部分。

其中，行星大气层是行星的外部气体包围层，它在行星表面和外层空间之间形成了一个重要的界面。

行星大气层的层次结构是指大气层按照高度、密度或组成进行划分和分类的方式。

本文将介绍行星大气层的层次结构，包括地球大气层、火星大气层和木星大气层。

地球大气层是我们最为熟悉的大气层之一。

它由五个主要层次构成：对流层、平流层、臭氧层、中间层和外层空间。

对流层是地球大气层最底部的一层，它从地球表面延伸到约10至15公里的高度。

对流层的上边界被称为对流层顶，其中包含了大气中的绝大部分水蒸气和气候现象的发生。

平流层是对流层之上的一层，高度约为15至50公里，其特点是大气温度逐渐递减。

臭氧层位于约20至50公里的高度，其中富集了大气中的臭氧分子，作为对太阳紫外线的吸收屏障。

中间层的上边界通常在约85公里处，此后的大气逐渐转变成外层空间。

火星是太阳系中的一颗行星，它的大气层也有自己特殊的层次结构。

火星的大气层包含了三个主要层次：底层大气层、中层大气层和顶层大气层。

底层大气层位于火星表面的低空区域，厚度约为10公里，它富含二氧化碳和稀薄的氧气。

中层大气层延伸到约60至80公里的高度，其中包含了一些尚未完全理解的气体成分。

顶层大气层则延伸到更高的高度，然后逐渐过渡到火星外层空间。

木星是太阳系中最大的行星，它的大气层也是非常复杂的。

木星的大气层可以划分为数个主要层次：底层云层、夹层大气层、顶层云层和外层大气层。

底层云层是木星大气层最底部的一层，主要由氨气和甲烷组成，呈现出斑点状的云层结构。

夹层大气层是介于底层云层和顶层云层之间的一层，其中包含了各种复杂的大气现象和循环系统。

顶层云层是木星大气层的最上层，由氨冰和硫磺颗粒组成，呈现出明显的带状结构。

外层大气层则逐渐过渡到木星外部的空间环境。

综上所述，行星大气层的层次结构在不同行星上有着不同的特征和组成。

边界层的概念和特点边界层是指在地球物理学中，大气界面和地面之间的一层气体。

在气象学上，边界层是指从地面到一定高度范围内，风速、温度、湿度等各种大气参数发生显著变化的区域。

边界层的高度通常为未来数小时预报所需要的范围内。

1. 逐渐递减的风速：在边界层内，风速逐渐递减。

开始时，风速最大并且逐渐降低。

具体的风速变化取决于地面和大气层的性质和情况。

2. 温度和湿度梯度：边界层内的温度和湿度呈现出明显的梯度变化。

一般来说，地面处温度最高，高层温度逐渐降低。

除此之外，空气湿度在边界层内也会发生变化。

具体变化也是因地而异的。

3. 乱流增大：边界层内的乱流比较显著。

在这里空气流动不是平稳的，而是发生着强烈的乱流。

气体不能在水平方向上自由扩散，而是在各种水平方向逐渐混合。

4. 光学特性不同：由于边界层内存在着大量悬浮的尘埃和气体，它具有不同于上层大气的光学特性。

这使得大气边界层对光的透过率发生了变化。

边界层在气象、环境科学、气候变化等领域具有重要意义。

较为典型的是它与交通工具有关的影响。

由于边界层内的风速变化大，乱流强，而车辆在受到这种影响的同时会发生摩擦热，从而可以推测车辆的燃油效率、稳定性和舒适性。

在电力行业，边界层的变化也会影响线路的温度和表面附着物的变化，从而影响电力传输的效率和稳定性。

同样，边界层的湿度和风速也会对农业和林业造成影响。

总之，边界层是一个非常重要和复杂的概念。

对于气象学家、大气化学家、环境工程师、天气预报员、交通工程专家等专业人士来说，了解边界层的基本原理、特点和影响就显得尤为重要。

边界层概念及特点边界层是地球大气层中的一个重要区域，位于地面和大气中的对流层之间。

这个区域的特点是空气的运动非常复杂，甚至可以说是混乱不堪。

因此，边界层的研究一直是大气科学研究的重要领域之一。

在此，我们将重点介绍边界层的概念及其特点。

一、概念边界层也称境界层，是指地面和大气层之间的一个非常薄的区域，距离地面高度约为20-2000米。

在这个区域中，气流的方向和速度都会发生剧烈的变化，形成了一系列的涡旋和湍流动。

这些涡旋和湍流动会影响大气层中的气象现象，例如气温、风向、风速等。

二、特点1.湍流流动边界层中的气流非常不稳定，容易形成湍流。

湍流在空气中形成了不规则的涡旋运动，导致了空气的动能和温度的混合，从而使得温度和其他气象参数分布变得非常复杂。

因此，边界层中的天气现象也就难以预测。

2.垂直差异边界层中的气象参数随着高度的增加而发生明显的变化。

通常可以将边界层分为三个部分：表层、中间层和上层。

表层高度为0-10米，通常受到地表温度的影响，会形成相对暖的气流。

中间层高度为10-1000米，受到太阳辐射的影响较大，温度分布呈现出一定的周期性变化。

上层高度为1000-2000米，稳定的气流运动主要由大气层中的高空风流所驱动。

3.表面效应由于地表的特殊性质，边界层中的气象参数会受到地表效应的影响。

例如，当地表温度很高时，气流运动会形成相对暖的气流，从而导致大气透明度变差。

这种影响不仅涉及到日常的天气变化，还会对气候变化和大气层污染等方面产生影响。

4.气体混合当空气在不同的速度和方向下运动时，它们会相互混合。

这种混合使得边界层中的气体分子运动难以预测。

这种混合是由于边界层中涡旋的形成和气流的不规则运动所致。

5.散卡效应散卡效应是边界层中另一个非常重要的效应。

它指的是当空气流动速度增大时，越来越多的空气分子被抛到了边界层的外层，也就是远离地面的上层大气层中。

因此，地面与空气中的物质和能量交换也减少了。

这种效应常常被称为“瓶颈效应”，对边界层的研究和预测具有很大的困难性。