邊界層急流

邊界層急流是邊界層內的一種重要現象，在一、二百米高度以下出現的低空，又稱它為超低空急流。邊界層急流的特點是垂直切變強，但水平切變弱，而且具有明顯日變化。

低空急流可分為大尺度低空急流、與擾動相聯繫的低空急流以及邊界層急流三種類型。第一類是與對流層低層的行星尺度系統相聯繫的基本氣流。例如東南亞大陸夏季盛行的西南風急流就屬於此類，它是與季風相聯繫並隨着季風移動。與擾動相聯繫的低空急流就是一般常説的低空急流，具有很強的非地轉性。

（1）具有逆温層結的邊界層中利於急流形成發展。一旦逆温消失, 急流動量迅即與周圍動量相混合, 導致急流崩潰。

（2）邊界層急流的日變特性十分明顯,而且不同類型的邊界層急流具有各自的日變規律。

（3）邊界層急流的形成與局地地形關係密切，其形成機制及在局地強降水中的作用均與對流層中低層低空急流有很大不同。

（4）邊界層急流具有中β 尺度特徵，其維持時間較短。

（5）局地強降水與邊界層急流之間存在的正反饋作用。局地降水通過改變當地大氣温度場的分佈，進一步導致了邊界層氣流加速。邊界層氣流的加速又加強了急流前方的風速輻合，為降水提供更多的水汽和更有利的動力條件。 ^[2] 

邊界層急流形成原因，目前一般認為是由於貫性振盪、大氣的斜壓性作用，地形坡度以及特殊天氣系統的配置等。邊界層急流的形成與夜間邊界層降温等局地熱力條件關係密切，並且存在明顯的日變化特徵。另外與氣温直減率分佈有關, 當邊界層温度直減率越大, 來自對流或亂流的垂直混合作用亦越強, 因而又往往把大風速層的高度與逆温層頂聯繫在一起。 ^[3] 

在1957 年，Blackaclar 等就注意到強對流天氣與邊界層急流有關。之後一些研究也認為，邊界層急流在局地暴雨中發揮了重要作用，是強對流天氣的主要觸發機制之一。

近年來的觀測事實及相關研究表明，夜間邊界層內的大幅度降温並不總是伴有急流的出現，已經存在的邊界層急流在局地強降水發生之前可能並不處於最強的時候。

劉淑媛等通過98 年華南暴雨試驗中風廓線雷達資料的分析發現，強降水與邊界層急流幾乎同時達到最強，急流發展，降水範圍強度擴大，急流減弱消失，降水相應減弱停止。

最近孫繼松針對北京地區觀測事實的分析也認為，邊界層急流與局地暴雨之間存在明顯的正反饋現象，很難用天氣尺度低空急流的理論和觀點來解釋邊界層急流在局地暴雨中的作用。

除少數急流過程未見相應的逆温層結外, 大多數急流過程皆有逆温或等温層結相伴。逆温下限高度基本處於300～ 700 m之間而不及地,故特稱之為空懸逆温層。山區空懸逆温對急流的作用是客觀存在的。

不言而喻, 作為絕對穩定性的逆温或等温層, 必然抑制湍流發展,阻礙湍流動量下傳, 致使部分動量在逆温層頂附近堆積儲存, 使風速增大,,加劇風切變。顯然,逆温層的先期出現,為急流形成提供了有利層結條件。在急流發生後,如果逆温層與急流維持恰當配置,則利於急流持續。一旦逆温消失, 急流動量迅即與周圍動量相混合, 導致急流崩潰。

因此, 具有逆温層結的夜間邊界層中利於急流形成發展。而在不大可能存在逆温的晴天午後出現的邊界層急流, 因無逆温支持, 較強的混合, 使之持續不了多久( 1 一2 時) 即趨消失。

邊界層急流不同於自由大氣中的急流,它是由多種外部因子強迫和邊界層內部的湍流特性及物理過程等共同作用產生的。山地邊界層急流的成因更是複雜，複雜地形對邊界層急流的重大影響。

通過分析邊界層急流的觀測特徵及其地理環境與地形特點，發現地形斜壓性、慣性振盪等,是多發的夜間急流發生的重要制約因子;而午間風急流的產生,則主要是邊界層內湍流動量下傳引起的。

（1）地形斜壓性的影響

在坡谷起伏、地形複雜的山區,局地熱力差異處處存在。分析認為,這種局地性熱力差異,對山地邊界層風温場特性有重要影響,局地熱力差異引起的氣層斜壓性,是邊界層急流形成的重要因子之一。

（2）慣性振盪的作用

湍流交換對邊界層風場有重要影響,研究表明,通常白天邊界層內湍流混合強烈,混合層內風速為次地轉。日沒以後,湍流減弱趨於終止,氣壓梯度力則使運動加速回復到地轉風,而柯氏力會引起慣性振盪,使風速在後半夜出現超地轉,以致形成邊界層夜間急流。

（3）湍流動量下傳效應

正午或午後發生的N E風急流，因其正值湍流旺盛時段,自然不利於逆温形成和維持,因此,這類急流相應的温度層結明顯不同於逆温,温度廓線呈顯著的遞減分佈。事實上,根據其發生在湍流旺盛時段,急流風向基本與當時邊界層上層風向( N E)一致,急流發生後邊界層上層風速減小,以及急流高度大體位於山體高度。以上附近等特點,有理由認為這類急流的產生與湍流動量下傳密切相關。 ^[4] 

通過研究, 得出山區邊界層急流的生消演變特性如下:

( 1) 丘陵河谷山區在初秋的高壓控制下,邊界層急流具有頻發性, 其特徵鮮明, 生消演變具有一定規律性。

( 2)丘陵山區在特定天氣形勢—高壓中心西部控制下,空懸逆温的生成和持續,為夜間偏南風急流的發生、發展、持續,提供了必要的有利層結條件;

( 3)丘陵谷區空懸逆温的成因尚無定論,但肯定與周圍山坡上被長波輻射冷卻的空氣緩慢泄入谷區而滯留有關;

( 4)慣性振盪作用和山區夜間顯著的地形熱力差異導致的氣層斜壓性,以及午間旺盛湍流交換引起的動量下傳,是在一定天氣背景下,山地邊界層急流形成的重要制約因子;

( 5)在高壓西部控制的丘陵河谷區,由慣性振盪或地形斜壓性引發的夜間邊界層南風急流似具頻發性,特徵鮮明,生消過程較有規律性;

( 6)近SW～ N E向的河谷動力導向作用,對南向急流佔優似有一定影響；

( 7)山地邊界層急流的日變特性十分明顯,而且不同類型的邊界層急流具有各自的日變規律。

山地急流生消有明顯的突發性,持續發展有階段性。

( 1)急流發生前幾小時(即孕育期)風場表現有顯著的不穩定性。

( 2)急流頻於崩潰時,急流的典型結構特徵迅速消亡,和急流發生一樣,似有相當的突發性。

( 3)急流持續發展的直觀標誌是風廓線愈趨尖鋭,急流的典型結構和風速繼續維持,急流高度略趨下降。

局地邊界層急流是指單站風的垂直廓線有急流狀結構, 而這些站點並不處於天氣尺度低空急流軸上。

觀測研究表明, 其單站風垂直廓線中的最大風速高度在300 ～ 1500 m 之間, 風速隨高度的變化呈明顯的“鼻狀”結構, 即邊界層內存在很強的垂直風切變, 並且有明顯的日變化.一般認為, 邊界層內這種風速突然加大是由於夜間邊界層降温等局地熱力作用造成的。因此, 下墊面熱力差異的強弱、水平尺度的大小將直接關係到邊界層急流的生消和尺度。由於急流軸下方的風速垂直切變很大,這種邊界層急流被認為非常有利於局地強對流的發展。

研究表明, 地形造成的強降水落區與氣流垂直分佈結構有密切關係, 因此邊界層急流的強弱不僅會造成降水量的差異, 而且局地強降水將改變原有的邊界層熱力分佈狀況, 從而有可能對邊界層急流產生反饋作用。因此, 對局地邊界層低空急流的進一步研究, 不僅有利於我們瞭解形成邊界層急流的真正原因以及它們與局地強對流的相互關係, 而且有助於我們全面認識邊界層物理過程在中尺度天氣系統中的作用。 ^[5] 

北京地區邊界層急流基本特徵與地形熱力作用的關係，以及邊界層急流與局地暴雨之間的正反饋現象如下:

(1) 北京地區邊界層急流一般出現在白天高温背景下或發生局地強降水的夜間, 強度存在明顯的日變化, 垂直分佈具有明顯的“鼻狀”結構特徵, 急流核高度一般為600 ～ 900 m 。

(2) 邊界層急流出現的時間及其強度變化特徵與地形熱力作用的日變化有關:“焚風效應”造成白天北側山脈上的温度明顯高於同一高度層大氣温度, 這種反向的温度梯度在午後最強, 使得風速垂直切變減小甚至消失;午夜後, 由於山坡降温速度明顯快於大氣, 温度梯度方向發生改變, 造成風速垂直切變加速, 形成邊界層急流。因此, 這種邊界

層急流的高度一般要低於山體的高度。

(3) 局地強降水與邊界層急流之間存在明顯的正反饋現象:由於局地強降水同時改變了對流層中層和近地面層氣温的水平分佈, 即凝結潛熱造成降水區上空迅速增温, 同時降水區大氣邊界層則迅速降温, 形成了對流層中層和邊界層內明顯的水平温度梯度, 而且方向相反, 這種熱力強迫作用造成了邊界層氣流加速;反過來, 邊界層氣流的加速又加強了急流前方的風速輻合, 如果急流方向水平垂直於山坡, 這種迎風坡上的輻合將更強, 因此, 造成局地降水強度進一步增強。

許多觀測事實已充分證實,邊界層急流的存在對人類的活動有重大影響：

（1）強風及其伴隨的風切變強烈地影響着邊界層內的湍流狀況,嚴重干擾彈丸發射的命中率,對飛行安全構成重大威脅;

（2）同時,強烈的湍流勢必會加速污染物的傳輸,助長森林火災的漫延等。

（3）邊界層過程在暴雨的形成和預報中具有重要的作用。通常大氣温度在邊界層內最大，並且邊界層大氣受地形效應的影響最大，邊界層內大氣活動如摩擦引起的輻合上升以及水汽輸送等對暴雨等強對流天氣的形成都起着重要作用。

因此,研究邊界層急流,特別是複雜地形區邊界層急流的特性,揭示覆雜地形對急流特性的影響,在理論上和應用上都是非常有意義的; 對山區的進一步開發利用,對軍事戰略區的建設等,更具有特殊價值。