边界层的基本特征：探析与优化

大气边界层的基本特征表现为气象要素存在明显的日变化。这是因为大气边界层是对流层中最靠近下垫面（地球表面)的气层，通过湍流交换，白昼地面获得的太阳辐射能以显热和潜热的形式向上输送，加热上面的空气，夜间的辐射冷却同样也逐渐影响它上面的大气。这种热量输送过程造成大气层内温度的日变化。另一方面，大型气压场形成的大气运动动量通过湍流切应力的作用源源不断地向下传递，经大气边界层到达地面，并由于摩擦而部分损耗，也为大气边界层内风的日变化做出贡献^[81]。

大气边界层的厚度约为1～2km，上面不直接受到下垫面影响的对流层部分称作自由大气。大气边界层与自由层之间的主要特性差别见表10-1。

下垫面的变化传递到边界层顶的过程将受到涡旋的空间和时间尺度影响。边界层大气中的湍流涡旋尺度，小到毫米数量级，大到与边界层的厚度相当；时间尺度小到低于小时数量级，达到以24h为限，不同作者对边界层时间尺度的估计不相同。

表10-1 边界层与自由大气属性对比

大气边界层处于不稳定的情况下，其涡旋主要尺寸在空间上与边界层厚度相当，下垫面的影响到达边界层顶只需20min左右。在大气边界层处于较稳定的情况下，其涡旋主尺度往往小于边界层的厚度。在大气边界层处于相当稳定的情况下，湍流表现为时间上的间歇性和空间上的不连续性，使下垫表面的影响达到边界层顶的时间明显减慢，可能需要数个小时。从湍流的角度还可以把大气边界层定义为:存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要作用并导致气象要素日变化显著的底层大气^[81]。(www.xing528.com)

大气边界层越不稳定，厚度越大。大气边界层上面覆盖着一层强烈逆温的卷夹层，把边界层和自由大气分割开来。卷夹层作为大气边界层的顶盖，也属于大气边界层结构的一部分。卷夹层对于不稳定的大气边界层来说尤为明显。

大气边界层与其上部的自由大气之间存在着相互作用。稳定边界层上部经常存在明显的波动，在层顶较强的风切变作用下，间歇性湍流与波动在边界层上下交替出现；不稳定的对流边界层因发展过程中上部暖空气向下的卷夹以及层顶的不断抬升，使边界层与自由大气相互作用。因此，大气边界层的研究还应包括上面的一部分自由大气。

除了上述的湍流运动和湍流输送作用外，大气的气压梯度力和地转偏力对大气边界层的运动特性也有着重要作用。这是行星底层大气或海洋表面流动的共性，因此大气边界层也常称为行星边界层。

大气边界层的顶部有时存在着云层，它们与边界层存在着不同程度的耦合关系。例如，云对辐射传输的影响；云滴的蒸发和凝结所释放或吸收的潜热通过湍流输送和卷夹进入大气边界层。因此，近年大气边界层的研究还包括了边界层云与云下大气层的相互影响。

边界层是对人类的日常生活有直接影响，也间接影响其他天气现象。边界层也是风力发电机安装的地方，因此是风资源研究的理论基础。