行星边界层查看源代码讨论查看历史
行星边界层（英语：Planetary boundary layer, 缩写PBL），又称大气边界层（atmospheric boundary layer ，ABL）或peplosphere，是大气的最低部分，在气象学中，直接受其与行星表面的接触的影响。[1]在地球上，它通常会在一个小时或更短的时间内响应表面辐射强迫的变化。在该层中，流速，温度和湿度等物理量显示出快速波动（湍流），并且垂直混合很强。 PBL上方是“自由气氛”，风是近似地转的（平行于等压线）， 而在大气边界层内，风受地表阻力影响并横过等压线。
目录
造成因素
地表风梯度的原因
行星边界层主要成因通常由于空气动力学阻力，风流中的风梯度仅在地球表面（行星边界层的表面层）上方几百米处。由于无滑移条件，风速从零开始随地面高度的增加而增加。地表附近的水流遇到障碍物，这些障碍物会降低风速，并在垂直于水流主方向的方向引入随机的垂直和水平速度分量。这种湍流导致垂直混合在一个水平水平移动的空气与紧挨其上方和下方的水平空气之间的距离，这对于污染物的扩散[2]和土壤侵蚀很重要。
可使地转风速降低
地表附近速度的降低是表面粗糙度的函数，因此，对于不同的地形类型，风速曲线差异很大。粗糙，不规则的地面和人为的地面障碍物可使地转风速降低40％至50％。在开阔水域或冰层上，减少的幅度可能仅为20％至30％。[3]安置风力涡轮机时要考虑这些影响。
梯度风速
出于工程目的，将风梯度建模为简单的剪切，表现出垂直速度分布，该速度根据幂律变化，并且基于表面类型具有恒定的指数系数。表面摩擦对风速的影响可以忽略不计的地面以上高度称为“梯度高度”，并且假定高于该高度的风速为常数，称为“梯度风速”。例如，大城市的预测坡度典型值为457 m，郊区为366 m，开放地形为274 m，开放海为213 m。
风速随温度变化
幂律指数近似虽然方便，但没有理论依据。当温度曲线为绝热时，风速应随高度成对数变化。1961年在开阔地形上进行的测量显示，对数拟合最高达100 m左右（在表层内），与之吻合良好，平均风速接近1000 m。
风的剪切通常是三维的，也就是说，“自由”压力驱动的地转风与靠近地面的风之间也存在方向变化。这与埃克曼螺旋效应有关。地表附近的分流营养流的等压角跨度从开阔水面的10°到崎rough的丘陵地带的30°不等，在风速非常低的夜晚，地势上的斜度可在夜间增加到40°-50°。
日落后的大气稳定度
日落之后，地表附近的风梯度增加，稳定性增加。大气稳定度在夜间发生的辐射冷却倾向于包含紊流漩涡垂直，增加风梯度。风梯度的大小在很大程度上受天气，主要是大气稳定性和任何对流边界层或盖顶反演的影响。这种影响在海上甚至更大，因为陆地上没有边界层高度的昼夜变化。在对流边界层，强混合减弱了垂直风梯度。
构成层
芝加哥南侧雷暴综合体前端的架子云，从海德公园（Hyde Park）社区区域延伸到摄政公园双塔之上，并延伸到密歇根湖上空正如Navier–Stokes方程所暗示的那样，行星边界层湍流是在表面附近具有最大速度梯度的层中产生的。该层–通常称为表面层–约占PBL总深度的10％。在表面层上方，PBL湍流逐渐消散，其动能由于摩擦而损失，并且在密度分层流中将动能转化为势能。湍动能产生速率与其耗散之间的平衡决定了行星边界层深度。
PBL深度差异很大。在给定的风速下，例如8 m/s，因此在给定的湍流产生速率下，冬季北极的PBL可能浅至50m，中纬度的夜间PBL的厚度通常为300 m ，并且风向带中的热带PBL可能会增长到其理论最大深度2000m。
除了表面层，行星边界层还包括PBL 芯（在PBL深度的0.1到0.7之间）和PBL顶部或夹带层或封盖反型层（在PBL深度的0.7到1之间）。决定PBL深度及其平均垂直结构的四个主要外部因素：
- 自由大气风速
- 表面热量（更确切地说是浮力）平衡；
- 自由大气密度分层；
- 自由大气的垂直风切变或斜压。
主要类型
对流行星边界层（CBL）
对流行星边界层是一种行星边界层，其中表面的正浮力通量会产生热不稳定性，从而产生额外的甚至主要的湍流[4]。 （这也称为具有CAPE或对流可用势能，对流边界层是白天在热带和中纬度地区的典型现象。由水蒸气冷凝释放的热量辅助的太阳加热会产生如此强烈的对流湍流，以至自由对流层包括整个对流层，直至对流层顶（对流层与平流层之间地球大气的边界）），在热带辐合带的 10公里到18公里之间）。
稳定分层的行星边界层（SBL）
当表面的负浮力通量抑制湍流时，SBL是PBL。参见对流抑制。SBL仅由风切变湍流驱动，因此，如果没有自由风，SBL就不会存在。SBL通常在夜间在所有位置出现，甚至在白天，在地球表面比上面的空气更冷的地方。在高纬度地区，SBL通常会延长（几天到几个月），从而导致非常冷的空气温度，因此在其中扮演著特别重要的角色。
控制行星边界层动力学和微观物理学的物理定律和运动方程是非常非线性的，并且受地球表面特性和自由大气中过程演化的很大影响。为了应对这种复杂性，已经提出了整个湍流建模阵列。但是，它们通常不够准确，无法满足实际要求。通过将大型涡流仿真技术应用于与PBL相关的问题，有望获得重大改进。
可能最重要的过程（关键取决于大气模型中PBL的正确表示）（大气模型比较项目）是水分（蒸散量）和污染物（空气污染物）的湍流传输。边界层中的云影响商风，水文循环和能量交换。