[科普中国]-稳定边界层

概念

稳定边界层，亦可称为夜间边界层，是指当地面比空气冷时，通过垂直方向湍流的若量通量和大气逆辐射，使边界层中的大气逐渐损失热量，尤其在近地层空气温度会降低很快，从而形成稳定的边界层。稳定边界层往往会在夜间陆地上形成。1

特点无论何时，只要地面比空气冷，边界层就能成为稳定层结。这种稳定边界层(SBL)常常在夜间的陆上形成。称为夜间边界层(NBL)。它也能由较暖的空气平流到较冷的地面上形成2

稳定边界层上面仍能保留相当厚度的白天混合层中部的等温位轮廓，称为剩余层。稳定层内的湍流在运动中要反抗重力做功，消耗动能，从而抑制了湍流的发展和交换，这也使夜晚稳定边界层的发展比白天对流混合层弱得多，厚度也小得多。当日出后，对流混合层的发展又重新开始。夜晚稳定边界层的顶部有一层像结一样的盖层，使其与边界层其他部分明显分割开来，该盖层也因此称为稳定层结。稳定层结两侧的空气密度有明显差别。3

从物理上说地面冷却通过湍流交换向上传播而形成逆温层，这是逆温层形成的主要原因。此外，大气辐射冷却也是逆温形成的原因之一。逆温扩展到急流区以上应是由于大气辐射引起，这从冷却廓线可以看出，逆温高度比风最大的高度略大也可能是由于后者随时间增加而减少，这一现象在观测及数值模拟中均可看出。

如果在白天存在强不稳定的对流边界层，其中在近地层以上存在位温等要素几乎不随高度变化的混合层，则在夜间当地面形成逆温后，逆温以上便会存在“残留层”，这层保持了白天的位温分布，但此残留层已与地面没有关系，得不到发展的动力。4

稳定边界层的发展源于下垫面的降温，然后通过湍流输送作用影响大气，但由于湍流作用弱，这种影响过程很慢，地面降温先是很快，然后才逐渐变慢，地气间的热通量也是先降得快，然后逐渐减少下降速度，一般日落几个小时后，热通量、位温梯度、风速梯度等才趋于“准定常”，只有这时才能从理论上研究稳定边界层的廓线规律。4

稳定边界层里的风也可能会有比较复杂的特征。在2～10m的最低层，冷空气会沿小山坡向下流，这一层的气流移动主要由局地地形确定，风速则主要受浮力、摩擦力和夹卷作用制约。在平坦地面或山谷底部(或凹地)，可能变成静风。

在SBL的上部，天气尺度和中尺度系统的作用变得重要起来，风速可能随高度增加而增大并在稳定层的近顶部处达最大。这层的峰值风速有时会比地转风速大得多并称之为夜间低空急流，风向则往往是随高度呈顺时针向转换。急流以上，风速和风向渐渐变回到地转风状态。风廓线往往处于非定常状况而随时间变化的。这是SBL的风的又一重要特征。显然，这对空气污染物的散布也会有重要影响。5

SBL的测量特别困难，例如，测量湍流速度时，总是会受到重力波的干扰，而且由于总的湍流度低并且具有间隙性，测量准确度会受影响。稳定边界层里可存在各种湍流活动状况，例如，有的情况下，SBL在整层内都是连续的强湍流；有的形势下，湍流会是弱的和不规则的；有时，湍流的分散和不规则性，会使边界层上部与地面影响脱开，即高处的湍流与地面影响没多大关系。总之，问题比较错综复杂，使得对其描述和模拟有一定困难。5

研究与运用①在夜间稳定边界层中，湍流热通量往往具有间歇性特征。在一阵阵出现的强度较大的湍流热通量之间，混杂着弱噪声或其他微弱的难以辨识的高频脉动信号。为了研究间歇性湍流热通量的特征，必须将这些无关信号剔除，以提取出干净的湍流热通量。不少研究学者提出了一种新的提取间歇性湍流热通量的方法，该方法通过分析湍流热通量的概率密度函数，并与稳定分布进行比较，湍流热通量的概率密度函数开始偏离稳定分布的位置，即是间歇性湍流热通量开始出现的阈值。本文通过夜间稳定边界层外场试验数据的验证，发现利用稳定分布确定的阈值可有效地提取出间歇性湍流热通量。在此基础之上，本文对比了提取前后湍流热通量的功率谱，发现提取后低频信号的方差所占比重下降，而高频信号略有上升。此外，间歇性湍流热通量在高频区的功率谱满足"-7/6"律。6

②利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-AridClimateandEnvironmentObservatoryofLanzhouUniversity，简称SACOL)2008年12月观测资料，研究了稳定边界层湍流特征。使用涡动相关资料研究湍流通量时，定义湍流的平均时间τ内的中尺度运动是造成湍流统计量变化范围大的主要原因，稳定情形τ取几十秒至几分钟。对梯度理查森数大于0.3的强稳定情形的湍流尺度分解(MRD)谱分析表明，感热通量在112.4～449.9s存在谱隙，尺度大于谱隙的中尺度运动造成了通量观测资料离散性大，甚至有支配性影响。动量通量的谱隙在112.4～224.9s之间。弱风时，中尺度运动的影响更大，垂直风速标准差以0.1的比率随中尺度风速变化;垂直风速标准差同广义风速表现出很好的相关性，并随着广义风速消失而消失。三维风速标准差与摩擦速度呈很好的线性关系，垂直、水平、横风风速的无量纲标准差分别为1.35、2.54、2.21。对湍流动能的研究发现，在梯度理查森数大于0.3的条件下，仍然存在连续的湍流。以湍动能为依据，分析了湍流的平稳时间长度，其长度随稳定度变化而变化，2008年12月7～11日从133.5s变化到856.2s，湍流平稳时间长度反映了中尺度运动的发生频率。7