行星邊界層檢視原始碼討論檢視歷史
行星邊界層（英語：Planetary boundary layer, 縮寫PBL），又稱大氣邊界層（atmospheric boundary layer ，ABL）或peplosphere，是大氣的最低部分，在氣象學中，直接受其與行星表面的接觸的影響。[1]在地球上，它通常會在一個小時或更短的時間內響應表面輻射強迫的變化。在該層中，流速，溫度和濕度等物理量顯示出快速波動（湍流），並且垂直混合很強。 PBL上方是「自由氣氛」，風是近似地轉的（平行於等壓線）， 而在大氣邊界層內，風受地表阻力影響並橫過等壓線。
目錄
造成因素
地表風梯度的原因
行星邊界層主要成因通常由於空氣動力學阻力，風流中的風梯度僅在地球表面（行星邊界層的表面層）上方幾百米處。由於無滑移條件，風速從零開始隨地面高度的增加而增加。地表附近的水流遇到障礙物，這些障礙物會降低風速，並在垂直於水流主方向的方向引入隨機的垂直和水平速度分量。這種湍流導致垂直混合在一個水平水平移動的空氣與緊挨其上方和下方的水平空氣之間的距離，這對於污染物的擴散[2]和土壤侵蝕很重要。
可使地轉風速降低
地表附近速度的降低是表面粗糙度的函數，因此，對於不同的地形類型，風速曲線差異很大。粗糙，不規則的地面和人為的地面障礙物可使地轉風速降低40％至50％。在開闊水域或冰層上，減少的幅度可能僅為20％至30％。[3]安置風力渦輪機時要考慮這些影響。
梯度風速
出於工程目的，將風梯度建模為簡單的剪切，表現出垂直速度分佈，該速度根據冪律變化，並且基於表面類型具有恆定的指數係數。表面摩擦對風速的影響可以忽略不計的地面以上高度稱為「梯度高度」，並且假定高於該高度的風速為常數，稱為「梯度風速」。例如，大城市的預測坡度典型值為457 m，郊區為366 m，開放地形為274 m，開放海為213 m。
風速隨溫度變化
冪律指數近似雖然方便，但沒有理論依據。當溫度曲線為絕熱時，風速應隨高度成對數變化。1961年在開闊地形上進行的測量顯示，對數擬合最高達100 m左右（在表層內），與之吻合良好，平均風速接近1000 m。
風的剪切通常是三維的，也就是說，「自由」壓力驅動的地轉風與靠近地面的風之間也存在方向變化。這與埃克曼螺旋效應有關。地表附近的分流營養流的等壓角跨度從開闊水面的10°到崎rough的丘陵地帶的30°不等，在風速非常低的夜晚，地勢上的斜度可在夜間增加到40°-50°。
日落後的大氣穩定度
日落之後，地表附近的風梯度增加，穩定性增加。大氣穩定度在夜間發生的輻射冷卻傾向於包含紊流漩渦垂直，增加風梯度。風梯度的大小在很大程度上受天氣，主要是大氣穩定性和任何對流邊界層或蓋頂反演的影響。這種影響在海上甚至更大，因為陸地上沒有邊界層高度的晝夜變化。在對流邊界層，強混合減弱了垂直風梯度。
構成層
芝加哥南側雷暴綜合體前端的架子云，從海德公園（Hyde Park）社區區域延伸到攝政公園雙塔之上，並延伸到密歇根湖上空正如Navier–Stokes方程所暗示的那樣，行星邊界層湍流是在表面附近具有最大速度梯度的層中產生的。該層–通常稱為表面層–約佔PBL總深度的10％。在表面層上方，PBL湍流逐漸消散，其動能由於摩擦而損失，並且在密度分層流中將動能轉化為勢能。湍動能產生速率與其耗散之間的平衡決定了行星邊界層深度。
PBL深度差異很大。在給定的風速下，例如8 m/s，因此在給定的湍流產生速率下，冬季北極的PBL可能淺至50m，中緯度的夜間PBL的厚度通常為300 m ，並且風向帶中的熱帶PBL可能會增長到其理論最大深度2000m。
除了表面層，行星邊界層還包括PBL 芯（在PBL深度的0.1到0.7之間）和PBL頂部或夾帶層或封蓋反型層（在PBL深度的0.7到1之間）。決定PBL深度及其平均垂直結構的四個主要外部因素：
- 自由大氣風速
- 表面熱量（更確切地說是浮力）平衡；
- 自由大氣密度分層；
- 自由大氣的垂直風切變或斜壓。
主要類型
對流行星邊界層（CBL）
對流行星邊界層是一種行星邊界層，其中表面的正浮力通量會產生熱不穩定性，從而產生額外的甚至主要的湍流[4]。 （這也稱為具有CAPE或對流可用勢能，對流邊界層是白天在熱帶和中緯度地區的典型現象。由水蒸氣冷凝釋放的熱量輔助的太陽加熱會產生如此強烈的對流湍流，以至自由對流層包括整個對流層，直至對流層頂（對流層與平流層之間地球大氣的邊界）），在熱帶輻合帶的 10公里到18公里之間）。
穩定分層的行星邊界層（SBL）
當表面的負浮力通量抑制湍流時，SBL是PBL。參見對流抑制。SBL僅由風切變湍流驅動，因此，如果沒有自由風，SBL就不會存在。SBL通常在夜間在所有位置出現，甚至在白天，在地球表面比上面的空氣更冷的地方。在高緯度地區，SBL通常會延長（幾天到幾個月），從而導致非常冷的空氣溫度，因此在其中扮演著特別重要的角色。
控制行星邊界層動力學和微觀物理學的物理定律和運動方程是非常非線性的，並且受地球表面特性和自由大氣中過程演化的很大影響。為了應對這種複雜性，已經提出了整個湍流建模陣列。但是，它們通常不夠準確，無法滿足實際要求。通過將大型渦流仿真技術應用於與PBL相關的問題，有望獲得重大改進。
可能最重要的過程（關鍵取決於大氣模型中PBL的正確表示）（大氣模型比較項目）是水分（蒸散量）和污染物（空氣污染物）的湍流傳輸。邊界層中的雲影響商風，水文循環和能量交換。