气象学基础知识：城市/大气/对流边界层

1 城市边界层（urban boundary layer, UBL）

1.1 定义

定义：城市边界层（urban boundary layer, UBL）是行星边界层（planetary boundary layer, PBL）的一种类型，是气流由乡村流向城市过程中，在城市前沿的下风方发展出来的一个内边界。
Building walls and the elements lying between buildings, for example, define the urban canyon (UC).

城市冠层（urban canyon layer, UCL）：地面到房顶之间，气流和能量交换过程由微尺度、特定地点的特征和过程控制。
粗糙次层（roughness sublayer）：在城市冠层之上常出现建筑物尾流现象的扰动尾流层
惯性次层（inertial sublayer）：也称城市近地层（urban substratum layer, USL）、表面层（surface layer）或恒定通量层（constant-flux layer），在粗糙次层之上。湍流通量随高度恒定，允许测量景观尺度的能量平衡通量和雷诺应力。
近地面层：城市冠层+粗糙次层+惯性次层

尺度说明：
微尺度（microscale）：街道尺度，范围在0.1~1km之间。
局地尺度（local scale）：社区尺度，范围在1~10km之间。
中尺度（mesoscale）：整个城市

1.2 城市边界层结构的影响因素

①动力因素：由粗糙表面引起的拖曳力作用
②热力因素：由下垫面不均匀引起的不均匀加热作用

2 大气边界层（Atmospheric boundary layers, ABL）：

2.1 定义

定义：与地表直接接触，厚度约为1~1.5km，具有湍流特性的大气层（对流层最低部分）

2.2 大气动力层分层：

• 近地表层（surface layer）：白天和夜晚ABL的底部10%，通常由莫宁-奥布霍夫相似性理论（MOST）参数化。
• 对流混合层（convective mixed layer）：白天ABL的上部90%，由于浮力效应和强烈的湍流而混合良好。

2.3 大气边界层厚度（Boundary layer depth）：

大气流过地面时，地面上各种粗糙物体，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。

• 影响因素：气象条件、地形、地面粗糙度

3 对流边界层（convective boundary layer, CBL）：

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。

对流边界层=近地面层+混合层+顶部卷夹层
近地面层：近地面层在边界层底部，大致占据对流边界层厚度的5%~10%。
混合层：混合层（狭义）指对流边界层的中部，其厚度约占整个边界层的50%~80%。强烈的垂直混合使风速、位温和比湿等要素的垂直梯度接近于零。
顶部卷夹层：对流边界层顶部的静力稳定区，其厚度约为混合层的10%~40%。上方自由空气向下，过冲热气流向上。

4 逆温层（inversion layer）

4.1 定义

定义：是指大气对流层中气温随高度增加的现象的层带。对流层中气温一般随高度增加而降低，但由于气候和地形条件影响，有时会出现气温随高度增加而升高的现象。逆温层能阻碍空气作上升运动，加剧空气污染。

4.2 形成原因：

①暖空气流到冷地面上形成的平流逆温
②地面强烈辐射形成的辐射逆温
③因底层空气湍流混合造成的湍流逆温
④因整层空气下沉而形成的下沉逆温
⑤锋面逆温
⑥地形逆温

5 地表能量平衡（urban surface energy balance）

5.1 大气受热过程

近地面含有大量水汽和二氧化碳，对地面辐射（红外线长波辐射）吸收强，导致近地面空气升温。
地面辐射：主要为红外线长波辐射
太阳辐射：短波辐射（主要集中在波长较短的可见光区）。太阳发射的电磁波短波辐射，除了30%被大气顶界反射回空间以及17%被大气吸收外，其它大部分以直射和漫射的形式到达地表。
遮蔽效应（the shade effect）：短波辐射
俘获效应（the trapping effect）：短波和长波辐射

5.2 地表能量平衡方程

参考