大气边界层理论

大气边界层是地球一大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。由于人类

生活在大气底层一大气边界层中,因此人体健康与大气环境密切相关。天气、气候的变化往往会影响到人体对疾病的抵御能力,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的气象条件又使病毒、细菌等对人体有害的生物繁殖、传播,使人们感染而患病。在城市尤其是大城市,人口、机动车、燃煤量的增加,以及城市工业化的发展,大量生产中的废气、尘埃和汽车尾气排放到大气中加上高大建筑的增加,改变了城市的小气候,使城市在无强冷空气活动的情况下,大气扩散能力极差,造成大气质量不断恶化,从而危害到人体健康,影响人类的正常生活。因此,边界层尤其是城市边界层大气结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。

边界层定义为直接受地面影响的那部分对流层,它响应地面作用的时间尺度为小时或更短.

大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。这些作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响气流变化的建筑物和地形等。

边界层一般白天约为1 km,夜间大约在200 m左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。

地面典型吸收率约为90%,其结果使大部分太阳能被地面吸收。

正是地面为响应太阳辐射而变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程而变化。

边界层内气流或风可以分为平均风速、湍流和波动三大类。

边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在水平方向上受平均风速支配,在垂直方向上受湍流支配

平均风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。边界层中一的水平风速2~10 m是常见的。

在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量方面却有着显著的作用。

许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的,例如白天阳光充足,地面的太阳加热使暖空气热泡上升,这种热泡就是大湍涡。地面对气流的摩擦曳力使风切变得到发展,常常演变成湍流。

最大的边界层湍涡估计接近即大小约等于边界层厚度,也就是说,它们的直径可以达到100~300 m。小湍涡出现于叶面卷动和草地波状摆动中,它们要以大湍涡为能源。直径只有几毫米的最小湍涡,由于分子粘性的耗散作用,其强度非常微弱。

在边界层中,浮力是产生湍流的力的一种。由于暖空气比周围空气密度少,有正浮力,所以暖空气上升。虚位温是研究上升气流普遍采用的一个变量。在同一气压条件下,使干空气密度必须等于湿空气密度的温度就是虚位温,因此,可以用虚位温变化来代替密度变化

边界层结构 特征

微层或界面层 分子输送超过湍流输送

混合层 湍流通常是对流引起的。经常存在着穿过混合层顶部的有助于湍流生成的风切变。发展主要依赖于地面太阳加热。来自地面的暖空气热泡的混合产生的湍流有助于热量、湿度和动量在垂直方向上均匀混合。混合层中部虚位温廓线几乎是绝热的。风速是次地转的,且风向以一个小交角穿过等压线指向低压区。近地层高度风速廓线几乎是对数关系。混合比也随高度趋于减小。是主要污染源。在多云日子里,混合层缓慢增长,如果云层很厚,甚至可能演变成非湍流或中性层结.

稳定边界层 常被称为逆温层。没有一个确定的顶,它与上面的残留层平稳地混合在一起,混合层顶被定义为稳定层底。静力稳定大气中有零散的弱湍流。湍流强度只是地面湍流强度的几分之一。经常发生波动运动,非常稳定的夜间边界层不仅能够维持重力波,而且还能截阻地面附近的高频波.

残留层 不直接和地面接触,不受与地面性质有关的湍流输送的影响。时间尺度短,往往出现在日落和日出时段。热泡不再发展,湍流在完全混合层中开始衰减,但平均状况和浓度与现有混合层中已经衰减的状况和浓度相同。是中性层结,这一层产生的湍流在各个方向上强度几乎相同。夜间非被动污染物可能和其它要素起化学反应,形成不是原先从地面排放出来的化合物。太阳辐射可能激发出残留层中污染物成分的光化反应

残留层

逆温层

混合层

微层 100m~3km 1954年,Monin和Obukhov'提出了具有划时代意义的一相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。

城市边界层研究是大气边界层研究工作中重要的一部分。城市下垫面结构的突出特点是非均匀性和由大量建筑群引起的高粗糙性,这种复杂的下垫面特征使得城市大气边界层结构与传统的、均匀下垫面之上的大气边界层有很大的差别,并由此形成了城市地区特殊的大气边界层结构。

城市近地层的结构 垂直范围 特征

城市冠层

(Urban Canopy Layer) 地面到屋顶 城市下垫面结构,如城市的建筑结构、城市地面构成的非均匀性等特征直接影响着该层大气的动量、湍流动能、热量及地面净辐射收支状况

粗糙副层

(Roughness sublayer) 从屋顶到z*

（z*为粗糙副层的高度） 该层中的大气动力和热力特征受与下垫面粗糙度相关的长度尺度的影响。另外,观测结果表明,城市大气近地层中的城市粗糙副层和冠层中的湍流通量不是随高度不变的常数,传统的Monin一Obukhov近地层相似理论在这两层中是不完全适用的。

惯性层

(Inertial layer) z*以上大约0.1z*的厚度 该层也称为常值通量层,在此层中,可以利用Monin一Obukhov近地层相似理论来研究城市下垫面结构对大气的影响作用.

混合层

(Mixed layer) 大约1.1z*到城市边界层顶 湍流特性可能与表面粗糙度无关,它的顶层是夹卷层,它增强了粗糙且湿暖的城市表面和混合层之间的祸合,也增大了湍流动能。

湍流强度的城郊差别也是十分明显的。在非中性情况下,无论城郊,空气层结越不稳定,湍流强度越大

在城市边界层内,城市建筑物对于湍能的贡献是十分显著的。

徐祥德（城市化环境气象学引论2002）指出从影响城市污染物分布和变化的气象背景场来说,造成城市大气污染问题比较复杂的主要原因是在于制约城市地区大气污染物传输和扩散的气流存在着时间和空间尺度的多样性。其中,有如下两种重要的尺度一是几十公里大小的“城市尺度,,,在这个尺度中,城市中的大部分一级污染物在此产生、释放,并在城市局地环境中受城市气象条件的影响,进行局地的扩散和平流；二是几百公里大小的“中尺度”,在这个尺度范围内,二级污染物形成,并在中尺度气流的作用下进行远距离的扩散和传输。因此,就城市地区气象条件的数值研究而言,最好是能够在空间尺度上同时包括这两种主要尺度的作用,即“城市尺度”和“中尺度”的作用。

城市边界层过程与城市环境污染问题紧密相关。城市内单体空气污染源直接造成微尺度和区域尺度的污染物传输,这种污染在特定的气象条件下易于造成严重危害,尤其是在城市大气多尺度环流系统的相互作用下城市各种空气污染源的混合、扩散,并通过不同时空尺度的化学成份转化及光化学过程,形成时空多尺度分布特征。

污染物大尺度传输可类似沙尘暴现象,呈跨境、跨省市地区远距离输送。经济发达区域多个城市可构成“城市群”其污染扩散混合或特大城市之间的羽流影响效应,构成区域性大范围污染扩散现象。大量的气溶胶、温室气体进入对流层后,经大尺度环流的动力效应,形成污染物的远距离输送和再扩散。

研究表明,直径在娜左右的气溶胶粒子寿命最长。

在对流层下部,稳定气溶胶粒子（直径在0.1~10微米范围内）的寿命约为一个星期；在对流层上部,这一数字为1个月在平流层中这部分粒子的寿命可达数年。在对流层下部直径大于10微米和小于0.01微米的粒子的寿命均小于一天。

区域性及局地尺度污染传输最终也可扩散到城市周边地区,并远距离传输到其它相关区域,且由于城市周边地形的山谷风作用加剧了城市内与郊区周边地区大气污染物扩散、混合等过程的相互影响效应。城市局地尺度或微尺度与城市区域尺度之间动力、热力相互作用过程,对城市大气污染物的迁移、转化、扩散等过程产生十分显著的影响。这类多尺度区域性污染特征改变了城市及城市群形成的局地大气辐射分布特征及其热量平衡,影响了城市边界层以及城市环境气候动力、热力结构影响下的环境污染的时空变化。大气污染严重的大城市上空,城市边界层积聚着各种各样的排放气体,好象是污染物充满天幕的“大锅盖”,覆盖整个城市甚至周边地区,构成连成一片大范围城市群污染覆盖层结构。在大气风温湿特定条件下,污染物通常以城市烟羽的形式被传播到下风方,烟羽范围可以向下游输送数百公里远。

使得我们在对北京城市大气边界层的动力和热力结构及其变化规律的认识上仍然存在着一些亟待解决的问题。如城市下垫面结构和建筑群对城市近地层大气的动力及热力结构的影响,北京城市热岛的形成机制及其变化规律,以及周边特殊地形对北京城市大气条件的影响等。

在大气边界层内部发生的物理过程就是由湍流运动引起的各种物理量包括热量、水汽、动量以及污染物等的湍流交换与湍流输送过程，从而也就决定了这些物理量在大气边界层内部的空间分布和时间变化趋势。

大气边界层又是自由大气与下垫面之间上述各种物理量以及能量的上下输送通道，对整个大气演变过程起着重要的作用。大气边界层是人类直接接触的生存环境，其中所发生的复杂大气过程无疑会影响着人类的生活与生产活动，比如强对流天气现象的发生以及污染物的分布与扩散问题。

大量研究表明下垫面非均匀性所导致的地表热、动力性质差异直接影响紧临地表的近地层空气，然后通过端流交换作用向上传输，进而改变大气边界层的性质。可见大气边界层中的端流特征及其发展演变都会明显受到复杂下垫面的影响。尤其是非均匀下垫面所激发的中小尺度次级环流会对边界层中热量、水汽、动量Ｗ及污染物等的交换与输送过程，乃至于云和降水的形成过程产生影响。

受自然界下垫面非均匀性的影响，大气边界层中会存在很多特别的运动形式以及气象现象，其中就包括海陆风环流。它是由近海地区的海陆温差所造成的Ｗ日周期变化为特征的环流风系。白天，陆地比海洋增温快使得陆地上的等压面抬升，风从海洋吹向陆地，即为海风；夜晚，陆地比海洋降温快使得陆地上的等压面低于海洋上的，风从陆地吹向海洋，即为陆风。

城市热岛环流会改变海陆风环流的结构和发展进程，进而影响沿海城市地区的天气气候以及污染物的扩散；而

在城市热岛环流的诱发下海风锋附近常伴随有局地强对流灾害性天气现象的发生。

海风锋抵达城市中心后行进变得十分缓慢；海风锋移出城区范围后继续前进，且城市热岛消失。