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# 大氣邊界層
## 大氣運動的尺度
* 中尺度 Meso(2-2000km 又以$\alpha \beta \gamma$再區分(尺度由大到小)，分鐘-小時)
* 全球尺度 Global(2500-25000km, above weeks)
* 分子尺度 Morecular
* 微尺度 Micro(公分-數公里，秒-數分鐘)
* 綜觀尺度 Synoptic(1000-5000km, Days)
主要研究:浮力、摩擦力造成空間上有風速風向的變化
### 自由大氣與邊界大氣
U=速度，L=距離，T=時間，$\nu$=雷諾細數
$Re= \frac{\frac{U^2}{L}}{\frac{{\nu } U}{L^2}}$
$U/T=U^2/L$ (慣性力)
$\frac{du}{dt}={\nu} *\Delta^2u={\nu } *\frac{U}{L^2}$ (黏滯力)

* 低雷諾數（黏滯度高）：邊界與風之間受地表黏滯影響，風速遠離邊界後逐漸增加，與地表形成橢圓形
* 尺度分析：
* 自由大氣，距離地表遠，不受地表摩擦力影響
* 邊界大氣，距離地表近，受地表摩擦力影響，高度越高速度越快
* 邊界層：接近地表時的風
* 雷諾數：(慣性力除以黏滯力，值大代表接近亂流，值小表示接近層流)平行地表流體加速方向與地表黏滯力平衡
* 高雷諾數（黏滯度低，主要由慣性力驅使）：邊界上速度為0，風速遠離邊界速度快速增加，平行風與地表形成梯形
* 黏滯力並非控制天氣系統的主要因素，主要由漩渦發展

## 大氣邊界層
### richardson number

\begin{gather*}R_i={{{1 \over g} {{\partial \theta}\over {\partial z}}}\over{}}\end{gather*}

* 若$R_i$介於0-0.25，雖然對流不穩定，但因浮力不夠大(無法克服位能障礙)無法完美分層。不太不穩定，但因風切強，可能產生亂流(晴空亂流)。

* 若位溫隨高度變化<0，對流不穩定，$R_i$小於0。
* 若位溫隨高度變化>0，對流穩定，$R_i$大於0.25，混合後可克服大氣翻轉時的位能障礙。
邊界層附近
風切會產生亂流(晴空亂流)
### 交互作用
* 時間尺度：幾小時～天
* 作用力：摩擦力、氣壓梯度力、紊流

### 主要性質
* 日夜變化：與能量收支有關，夜晚大氣較穩定，邊界層高度較低
> 時間尺度
> diurnal 日夜
> Weekly
> Monthly
> ISO/MJO Introseasinal osscillation
> Seasonal
> Annual
> Inter Annual
> Decade

### 日夜變化邊界層pattern

(Wallace and hobb, 2006)
#### 時間區分
晚上，邊界層高度低(大氣環境穩定)
白天太陽出來加熱大氣，低層大氣產生亂流(出現混和層)，邊界層變厚，高度變高
傍晚，低層大氣出現穩定邊界層，高空一點的地方有白天剩餘的混和層。

#### 高度與位溫區分
* 下方：白天時為絕對不穩定，位溫隨高度上升降低
* 中層：混合層位溫隨高度不變化

### ABL
* 人類活動範圍
* 熱量'水氣、汙染物的傳送混和的區域
* 固態地球、海洋與大氣交互作用的區域

### 紊流 Eddy or turblence
* 邊界層中不穩定的漩渦
#### 風速
* 不規則，幾乎隨機
* 具多重尺度紊流的疊加
* 可以疊加平均的風速表示
* 白天風速普遍較夜晚強
* 白天風速變化比夜間強，因白天有多重尺度的turbulance混合
* 白天溫度變化比夜間強，因紊流混和導致溫度

## 通量 Flux

* 淨輻射$F_{net}$ net radiation e.g.
* 可感熱$F_{Hs}$ sensible heat flux 太陽輻射造成的溫度變化
* 潛熱通量$F_{Es}$ latent heat flux (相變凝結過程產生熱，熱量從海洋帶至氣圈)
* 地熱通量$F_{Gs}$ ground heat flux

### 熱通量平衡

$F_{net}=F_{Hs}+F_{Es}+F_{Gs}$

* 海洋比熱大，$F_{Hs}$小，$F_{Es}$大，海水傳遞潛熱至陸地

### 近地表輻射平衡
#### 淨輻射＝太陽輻射、反射＋長波輻射＋釋放
* 太陽輻射：日夜變化明顯，夜間＝0
* 長波幅射向下日夜變化不明顯，但吸收長波輻射表示此種長波為溫室氣體吸收並輻射有關
* 長波輻射釋放具日夜變化，與地表溫度相關

#### 日夜變化近似
* 白天：～=(1-$\alpha$)＊太陽輻射
>$\alpha$=返照率
* 晚上：淨輻射<0，長波向下輻射小於地表輻射

#### 大氣與地表距離約1m間，風速與溫度差異大

### 環境與日夜變化
* 溫度日夜變化在海洋、大湖不明顯
* 沙漠溫度振幅大
* 植物覆蓋使日夜溫度差距減少
* 濕度和蒸發、凝結、溫度相關
* 和雲量與風速有相關
* 山谷中夜晚山坡散熱，密度增加，空氣向山谷流動，山谷與山坡間形成溫度逆溫層

### 位溫
* 將氣塊絕熱過程降至1000百帕處的溫度
* 日夜變化位溫
* 近地表：白天吸熱、晚上散熱
* 混合層：位溫不變

#### 靜力穩定度
* 比較氣塊與環境間的遞減率
* 絕對穩定、條件性不穩定、絕對不穩定

## 層流與紊流 laminar and turblance
* 層流穩定，不易混合，擾動少
* 紊流不穩定，擾動多，易造成大氣混合
* 氣流通過障礙物時，後方會產生紊流

# 斜溫圖

## 逆溫
台灣地區冷鋒過境，除了有鋒面逆溫，因冷氣團密度較大，趨向沉降，故在鋒面逆溫層上通常有一層沉降逆溫層。

## 雷達亮帶(bright band)
探空氣球觀測到為0度的地方。
因冰粒墜落過程中逐漸融化，在外層形成一層水層，但被雷達認為是一個大水珠。
雷達反射強度與粒徑6次方正比，因此此區域回波強度極強。