图6.6.15 混合比在 对流边界层中的分布
图6.6.2 对流边界层发展 不同时刻虚位温廓线
图6.6.1地面热通量与 对流边界层发展
5. 边界层通量的两个来源
“底通量”和“顶通量” ：一种来自地面， 是主要的；此外，边界层向上发展时，夹卷 作用使边界层以上的气层成为通量的源。
物理量在对流边界层中的廓线应同时考虑这 两种过程：
2. 低空急流成因
夜间LLJ的可能原因(Kraus, et al., 1985)：
- 天气尺度斜压性、倾斜地形引起的斜压性、 锋面斜压性，引起次地转风速LLJ； - 平流加速、绕山气流、海陆风、山谷风、惯 性振荡，引起超地转风速LLJ。
受地形影响的LLJ
梁捷宁, 张镭 等, 地球物理学报, 2014
不稳定边界层
不稳定边界层，又称混合层、热边界 层、对流边界层。随白天地面受热向上 发展，可高达2 km以上，物理属性趋于 均匀。
第六节 不稳定边界层的发展 第七节 混合层高度的变化
不稳定边界层
不稳定边界层结构
层：边界层底部5% ~ 10%； 混合层：中部35% ~ 80%； 夹卷层：顶部10% ~ 60%。 对流边界层之上是稳定层，稳定层底即为边界层顶。
惯性振荡 日落后，提供湍流切应力的大尺度湍涡消散， 原来边界层上部很快从白天的较强湍流状态下 解放出来，气流受力不平衡，在科氏力作用下 向右偏转并加速形成超地转风，表现为地表以 上几百米范围内垂直风廓线上的极大值。
(a)白天的受力平衡 (b)夜间超地转惯性振荡
与惯性振荡相联系的低空急流：风矢随时间变化
gb cwtgt cws c 对标量c， z w* zi
，若顶底通量符 号相同，则贡献相加，可造成大的梯度，如 湿度；反之，则梯度较小，如位温。
θ′ (℃)
图6.6.12 热对流柱
z (km)
3. 夹卷层
夹卷层是对流边界层的最上层，其间有自 由大气夹卷下来的空气和混合层发展上来 的热泡。
其定义是：湍流热通量
w v为负的区域。
图6.6.13 上部稳 定层中(470m)飞 机观测的虚位温 和比湿
夹卷层上界为最高热泡顶的高度，下界定 义为约有10%的空气具有混合层特征的水 平面高度。 混合层顶的夹卷作用，导致水汽、污染物 等不像位温一样在垂直方向上均匀分布。
倾斜地形上的热成风振荡振荡
白天，地表热力差异形成附加地转风，叠加在背景地转 风上，附加地转风随高度增加而减小(即热成风) ；夜间， 底层热成风方向翻转，而剩余层热成风不变，使地转风 在低空出现峰值，形成LLJ。
倾斜地形上热成风强迫引起
的低空急流日振荡
3. 低空急流与边界层湍流
传统的与倒置的边界层湍流传输 Banta et al. (2003)
热泡贯穿对流 当热泡上升进入稳定层时，受到负的浮力 作用，上升速度减弱，最终下降回到混合 层。这个过程叫做贯穿对流。
由热泡从地表输送上去的水汽和污染物被 局限在混合层内。 贯穿对流造成自由大气的气块被夹卷混入 混合层，产生负热通量。
湍流热通量以 热柱形式从地 表向上传输， 热柱顶之间为 向下的热通量。
主讲人 张镭 教授
2015. 12.
第六章 边界层气象学中的非定常问题
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 温度的日变化 风的日变化 夜间大气边界层一般特征 夜间边界层的高度变化及廓线规律 低空急流 不稳定边界层的发展 混合层高度的变化 大气边界层的数值模拟和预报
第五节
第六节
1. 近地层
不稳定边界层的发展
温度超绝热递减率；
温度和风梯度大，温度和湿度廓线与地表 依赖关系强；
虚位温在近地层底层迅速降低，之上随高度下 降平稳； 湿度梯度随高度的变化趋势类似温度梯度； 强对流混合把较高动量的空气带到地表。
廓线形状为准定常，可用相似理论描述。
2. 混合层
强烈的湍流垂直混合使位温、湿度、风向 和风速等几乎不随高度变化。
1. 边界层低空急流
低空急流
1.1 低空急流（Low level jet, LLJ）
夜间稳定边界层中，常在几百米高度上存 在风速极大值区域，呈现一个较薄的快速 气流层，薄层内风速比其上下的风速大， 甚至超出地转风速很多。 LLJ强烈影响边界层内湍流结构，出现雷暴 等剧烈天气现象。影响大气污染物扩散， 影响航空安全……
自由大气 夹卷层
混合层
近地层
热泡/对流柱 对流混合层中上升空气形成的大空气柱
- 气柱内温度和垂直速度比周围空气高；
- 水平面上，对流柱占的面积约40%；
- 水平尺度约为混合层高度的1.3 ~ 1.4倍，清晨约 100 m，混合加深时可达1 ~ 2 km，甚至更高；
- 垂直高度约等于混合层厚度； - 水平间距约略超过其大小。
低空急流的发展过程与逆温的生、消有密 切关系。LLJ常与逆温相伴出现，LLJ高度 与逆温高度接近，并随着逆温消失而消失
图6.5.3 出现低空急流时的风、温廓线
1.2 低空急流的定义标准
目前没有严格而统一的标准，不同作者给 出多种不同的定义，关注的因素有： 高度低于某一水平； 风速大于指定标准，且比相邻高度上的 风速极小值大到一定程度； 风速超地转。 近年使用较多的是：大气低层1500 m以内 存在的风速极大值，且比它上面的风速极 小值大2 m/s以上。