華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析 (1)

1、北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),第46卷,第1期,2010年1月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.46,No.1(Jan.2010)華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析王雪 蔡旭暉 康凌 張宏升 宋宇 陳家宜11,­23111.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系,北京100871;2.北京大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京100871;3.北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系,北京100871;­通訊作者,E-mail:xhcai摘要 利用2006年湖南小墨山地區(qū)的塔層數(shù)據(jù)和湍流數(shù)據(jù),分析了該地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向

2、的年變化以及冬夏兩季風(fēng)溫廓線的日變化規(guī)律,利用傳統(tǒng)近地層通量廓線關(guān)系得出了感熱通量計(jì)算值,并將其與感熱通量測量值進(jìn)行了對比,對經(jīng)典近地層相似性理論在非均勻下墊面上的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。研究發(fā)現(xiàn)小墨山地區(qū)的復(fù)雜地形對粗糙度、感熱通量的計(jì)算有重要影響,需要將來流分成不同方向分別討論。由于北部平原南部山地的影響,偏南風(fēng)時(shí)粗糙度z0大于偏北風(fēng)。而對夏季感熱通量的分析表明,感熱通量的計(jì)算主要受到山體的影響。北風(fēng)時(shí)測點(diǎn)位于迎風(fēng)坡,計(jì)算值系統(tǒng)偏大,東南風(fēng)時(shí)對應(yīng)背風(fēng)坡的情況,計(jì)算值系統(tǒng)偏小,西南風(fēng)與山體走向大體平行,計(jì)算值與測量值近似相等;將有偏差的計(jì)算值進(jìn)行修正后,結(jié)果得到了明顯改善。關(guān)鍵詞 湍流通量;廓線

3、;塔層觀測;復(fù)雜地形中圖分類號(hào) P404AnObservationStudyofTurbulentFluxMeasuredonTowerinHillyArea,CentralChinaWANGXue,CAIXuhui,KANGLing,ZHANGHongsheng,SONGYu,CHENJiayi11,­23111.DepartmentofEnvironmentalSciences,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871;2.StateKeyJointLaboratoryo

4、fEnvironmentalSimulationandPollutionControl,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871;3.DepartmentofAtmosphericSciences,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871;­CorrespondingAuthor,E-mail:xhcaiAbstract AnobservationtowerwaserectedonXiaomoMountain,HunanPr

5、ovince.Besidesthecollectionofturbulenceinformation,routinemeteorologicaldatawerecollectedduring2006.Diurnalvariancesofwindandtemperatureprofilesinwinterandsummerwereanalyzedaswellasseasonalvariancesofwindspeedandwinddirection.Furthermore,sensibleheatfluxescalculatedusingclassicalflux-profilerelation

6、ship(Hc)arecomparedwiththedirectlymeasuredvalues(Hm).Itisfoundthatthecomplexterrainaroundthetowerhasadistinctimpactonthevaluesofroughnesslengthz0andcalculatedsensibleheatflux(Hc);thereforeitisnecessarytodividethedatainto2-3groupsaccordingtothewinddirections.Thefollowinganalysisshowthatz0inthesouthpa

7、rtofthetowerismuchhigherbecauseofthehillyterrain,andthemountainslopeaffectsthesensibleheatfluxremarkably.Whenupslopewindblows,thevalueofHcishigherthanHm,andviceversa.Sincethetrendofthemountainissouthwes-tnortheast,thevalueofHcissimilartoHmwhenthewindisfromsouthwest.Finally,Hciscorrectedandtheagreeme

8、ntbetweenHcandHmislargelyimproved.Keywords turbulentflux;profile;towerobservation;complexterrain大氣邊界層是地球表面與大氣間動(dòng)量、能量和各種物質(zhì)輸送的通道。近地面層作為大氣邊界層的底層,對于地-氣交換有著重要的作用。長期以來,關(guān)于邊界層和近地面層的研究已取得巨大進(jìn)展,尤國家自然科學(xué)基金(40675010)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(2006AA06A305,2006AA06A306)資助收稿日期:2009-03-22;修回日期:2009-06-01北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第46卷其是平坦、水

9、平均勻下墊面的Monin-Obukhov相似性理論和近地面層通量-廓線關(guān)系的建立1小墨山地區(qū)所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,氣候溫和,四季分明,熱量充足,雨水集中。當(dāng)?shù)鼐哂写杭咎鞖舛嘧?夏秋多高溫、干旱;嚴(yán)寒期短,暑熱期長等主要?dú)夂蛱卣?。塔層氣象要素的觀測從2005年12月至2006年12月連續(xù)進(jìn)行,觀測項(xiàng)目包括風(fēng)速、風(fēng)向和氣溫,傳感器分別安裝于鐵塔距地面10,30,70和100m處,觀測儀器為美國NRG設(shè)備,各項(xiàng)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)同時(shí)觀測地面凈輻射值(儀器架設(shè)高度1.5m,型號(hào)PDB-1,精度10LVP(W#m)和氣壓等。以上各要素均為全天連續(xù)觀測,并得到小時(shí)平均值。此外,在鐵塔的30m和10

10、0m處用超聲風(fēng)溫儀(參數(shù)見表1)進(jìn)行了冬夏兩個(gè)代表性季節(jié)的湍流觀測,獲得逐時(shí)的感熱通量、三方向風(fēng)速方差、水汽通量、摩擦速度、zPL等湍流參數(shù),觀測時(shí)段為2006年1月13日至23日、2006年7月27日至8月14日。本文首先選取2006年1月、4月、7月和10月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,了解當(dāng)?shù)厮踊練庀筇卣?2,為有關(guān)地-氣交換的研究打下了雄厚的基礎(chǔ),并廣泛應(yīng)用于各類數(shù)值模式中。但現(xiàn)有理論和成果后面卻隱伏著一個(gè)重要問題,這就是其均勻平坦下墊面的前提條件。實(shí)際大氣則更多面對的是非均勻、非平坦的地球表面,尤其是接近70%的陸地表面都是山地或丘陵,其不均勻性是十分明顯的。因此,已有理論和成果對實(shí)際大氣

11、的應(yīng)用受到局限和挑戰(zhàn)。而隨著研究的深入,尤其是隨著數(shù)值模擬和氣候模式準(zhǔn)確性要求的提高,非均勻、非平坦下墊面的湍流過程、湍流特性問題也越來越受到關(guān)注2-34。為便于研究,Rotach等將非均勻、非平坦的復(fù)雜下墊面情況分成3大類:一是平坦非均勻的下墊面(inhomogeneoussurfaces),例如水陸交界等;二是非平坦下墊面(non-flatterrain),例如山地地形;三是以森林、城市為代表的非常粗糙的下墊面(veryroughsurfaces)。對于第1種情況,兩種下墊面之間的簡單過渡可以應(yīng)用內(nèi)邊界層理論得到較好的解決;對于第3種情況,已經(jīng)發(fā)展出了適用于城市、植被下墊面的有效粗糙度、摻

12、混高度等理論6-85;而對于第2種情況,即非平坦下墊面的理論研究目前進(jìn)展較小,大多局限于孤立的特定形狀的光滑山體的線性理論。在實(shí)際大氣中,以上3種類型的情況往往同時(shí)出現(xiàn),從而極大地增加了研究的復(fù)雜性。湖南小墨山地區(qū)地處華中丘陵地帶,地形略有起伏,山地有植被覆蓋,具有非平坦下墊面的一般特征。本文以在此地進(jìn)行的湍流和塔層氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對非平坦下墊面塔層觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用問題進(jìn)行初步探討,以期了解經(jīng)典的近地面層相似性理論在該地區(qū)的適用程度,并提出可能的實(shí)用修正方案。91 實(shí)驗(yàn)觀測情況實(shí)驗(yàn)觀測點(diǎn)位于湖南岳陽市華容縣境內(nèi)的塔市驛鎮(zhèn)楊家灣村(112b51c3414dE,29b44c33.2dN),主要實(shí)

13、驗(yàn)平臺(tái)為一個(gè)102m的專設(shè)氣象鐵塔。氣象塔位于小墨山北坡,為小墨山山脈的東北邊緣,海拔約36m,北距長江117km。鐵塔北面和東面地形平坦,以耕地和水域?yàn)橹?海拔在30m上下。南面和西面以起伏的丘陵為主,西南方有小墨山山脈的最高峰(海拔245m),為非均勻起伏變化最強(qiáng)的方向。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)周邊地形見圖1。圖1 測點(diǎn)周邊地形圖Fig11 Topographyaroundtheobservationtower表1 主要觀測儀器的技術(shù)指標(biāo)Table1 Technicalcharacteristicsofprimaryobservationinstruments儀器名稱測量要素風(fēng)向三杯頻率儀(NRG)風(fēng)速溫度

14、超聲風(fēng)溫儀(CSAT3)風(fēng)速脈動(dòng)量溫度脈動(dòng)量單位(b)mPsemPse精度?5?0.1(啟動(dòng)風(fēng)速0.4mPs)0.2?0.002?0.005第1期王雪等:華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析和季節(jié)變化規(guī)律,之后主要針對冬夏兩季湍流觀測時(shí)段重點(diǎn)進(jìn)行通量廓線關(guān)系分析。1000H=Tp0.286。(2)2 數(shù)據(jù)處理湍流數(shù)據(jù)的處理需要經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、低通濾波、野點(diǎn)剔除等幾個(gè)步驟,最終得到脈動(dòng)量以及各種湍流特征量。湍流速度分量的確定采用兩步坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法:首先使x坐標(biāo)與主導(dǎo)風(fēng)方向一致,v分量的平均值為0;然后進(jìn)一步使平均風(fēng)的w分量為0。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)及其他處理的具體方法參見文獻(xiàn)10-12。此外,將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成位溫

15、以便于分析。根據(jù)塔層觀測的溫度數(shù)據(jù),由壓高公式求得各層氣壓:z2-z1p2=p1exp-,Hp(1)3 塔層基本氣象特征從10m處風(fēng)向風(fēng)速觀測資料來看,小墨山地區(qū)春季風(fēng)速最大,4月的平均風(fēng)速為2166mPs,冬夏兩季次之,1月和7月的風(fēng)速分別為2150mPs和2149mPs,秋季(10月)最低,僅為1163mPs。由于地處內(nèi)陸,當(dāng)?shù)匦★L(fēng)靜風(fēng)頻率較高。在風(fēng)速最小的秋季(10月),靜風(fēng)(風(fēng)速小于015mPs)頻率高達(dá)21%,即使在平均風(fēng)速最大的春季,靜風(fēng)頻率仍有617%。當(dāng)?shù)仫L(fēng)向的季節(jié)變化也比較明顯,冬季(1月)以偏北風(fēng)為主,NNE,N,NNW3個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)頻率占3614%,西南風(fēng)較少;春夏兩季(4

16、月和7月)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW;秋季(10月)則以偏西北風(fēng)為主。具體風(fēng)向頻率分布情況見圖2。對風(fēng)速數(shù)據(jù)的分析表明,小墨山地區(qū)近地層的風(fēng)速有明顯的日變化,而且這種日變化在夏季和其他三季有不同的特點(diǎn)。圖3顯示了冬夏(1月和7月)各高度風(fēng)速的平均日變化情況(4月和10月的情況與1月相似,故圖略)。由圖可見,夏季各層風(fēng)其中,p為氣壓,z為高度,下標(biāo)1,2代表該氣層的RdTv頂部和底部,取10m處氣壓為p1;Hp=,Rdg為空氣比氣體常數(shù),取干空氣的287.05JP(kg#K);g為重力加速度9181mPs,Tv取氣層平均溫度。之后進(jìn)一步假設(shè)空氣處于非飽和狀態(tài),由各個(gè)高度上的氣壓p和溫度T,求得對應(yīng)高度上的

17、位溫:2C代表靜風(fēng)圖2 四季代表月份的風(fēng)向頻率分布Fig12 WinddirectionfrequencyinJanuary,April,JulyandOctober北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第46卷圖3 冬、夏各層風(fēng)速的平均日變化Fig13 DiurnalvariationofwindspeedinJanuary(a)andJuly(b)圖4 冬、夏風(fēng)速廓線的平均日變化Fig14 DiurnalvariationofwindprofilesinJanuary(a)andJuly(b)速日變化有大致相同的形式,即白天風(fēng)速增大,夜間風(fēng)速減小,只是低層風(fēng)速變化的幅度較大,高層風(fēng)速變化幅度較小,而且

18、高層的風(fēng)速變化與低層相比在時(shí)間上有滯后的趨勢。冬季的情況則很不相同,只有最低的10m高度上仍表現(xiàn)為白天風(fēng)速增大,30m層白天風(fēng)速增大已不明顯,再往上則表現(xiàn)為白天風(fēng)速明顯減小,尤其以中午12時(shí)前后風(fēng)速減小幅度最大。對以上觀測現(xiàn)象的解釋是有意義的。一般認(rèn)為,陸面白天不穩(wěn)定大氣邊界層發(fā)展,垂直交換增強(qiáng),上層大氣的水平運(yùn)動(dòng)動(dòng)量下傳導(dǎo)致低層風(fēng)速增大。從圖3看出,當(dāng)?shù)叵募局钡?00m的高度,都仍受到這種動(dòng)量下傳作用的影響。但冬季(以及春秋兩季),白天100m以上的大氣向下傳輸動(dòng)量的過程似乎受到抑制,近地面氣層不穩(wěn)定性和垂直交換的增強(qiáng)則使100m以下的水平動(dòng)量在垂直方向上趨于均勻化,即低層風(fēng)速增大而高層風(fēng)速

19、減小。圖4進(jìn)一步顯示了冬夏兩季風(fēng)廓線的日變化情況,明顯可見夏季白天風(fēng)速整層增大、而冬季白天30100m風(fēng)速則表現(xiàn)出均一化的趨勢。從溫度層結(jié)可進(jìn)一步分析上述現(xiàn)象的原因。圖5為冬夏(1月和7月)位溫廓線的平均日變化。由圖可見,當(dāng)?shù)囟疽归g為穩(wěn)定層結(jié)(逆位溫),穩(wěn)定層厚度從地面一直延伸到100m;白天70m以下氣層變?yōu)榻行曰蛉醪环€(wěn)定狀態(tài),但70100m卻一直維持弱穩(wěn)定層結(jié)。因此,70m以上的湍流垂直交換將受到抑制,上層大氣的水平動(dòng)量難以向100m以下的低層大氣傳遞。夏季夜間較強(qiáng)的穩(wěn)定層主要在30m以下,上層為弱穩(wěn)定層或近中性;白天100m以下完全轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定層,這顯然有利于垂直方向上的湍流交換和上

20、層水平動(dòng)量的下傳。4 通量-廓線關(guān)系為探討小墨山鐵塔觀測點(diǎn)上通量-廓線關(guān)系的適用性,我們利用塔層廓線觀測資料和經(jīng)典通量-廓線關(guān)系計(jì)算感熱通量,然后與實(shí)際湍流觀測結(jié)果進(jìn)行比較。為此首先需確定當(dāng)?shù)氐牡乇泶植诙葄0。 =ln進(jìn)行計(jì)此處利用對數(shù)風(fēng)廓線公式uu*z0算,選取近中性條件下的4層平均風(fēng)速觀測值對 uln(z-d)進(jìn)行最小二乘的線性擬合,從而得到最優(yōu)解z013。第1期王雪等:華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析圖5 冬、夏位溫廓線的平均日變化Fig15 DiurnalvariationofpotentialtemperatureprofilesinJanuary(a)andJuly(b)圖6 1

21、月和7月粗糙度和風(fēng)速的關(guān)系Fig16 Relationshipsbetweenroughnesslengthz0andwindspeedinJanuary(a)andJuly(b)計(jì)算z0所需數(shù)據(jù)的篩選條件是:10m和100m位溫差小于011K,且風(fēng)廓線正常(風(fēng)速隨高度增高而增大)。按上述標(biāo)準(zhǔn),冬季和夏季(分別用1月和7)8月的數(shù)據(jù)代表)各有33組和66例數(shù)據(jù)滿足中性條件。求得z0與10m平均風(fēng)速的關(guān)系見圖6。圖中冬夏兩季分別有3個(gè)和6個(gè)z0數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值小于10-3況的;而從同是北風(fēng)條件下的冬夏對比來看,夏季z0值較高與植被茂盛有關(guān)。確定了不同季節(jié)、不同風(fēng)向的z0值之后,即可利用通量-廓線關(guān)系計(jì)

22、算感熱通量。計(jì)算時(shí)使用10m和30m的風(fēng)溫?cái)?shù)據(jù)迭代求得感熱通量(Hc),穩(wěn)定和中性情況下(F0)選用Cheng等提出的穩(wěn)定15度修正方程,不穩(wěn)定情況下(F<0)選用Dyer提出的穩(wěn)定度修正方程。這種基于空氣動(dòng)力學(xué)的湍流通量計(jì)算在研究中得到了廣泛的應(yīng)用,具體原理和方法參見文獻(xiàn)16-17。圖7給出了感熱通量計(jì)算值Hc與30m超聲風(fēng)溫儀實(shí)測值Hm的比較。由圖可以看出,計(jì)算值與湍流測量值的關(guān)系相當(dāng)離散;夏季計(jì)算值與實(shí)測值之間的相關(guān)系數(shù)僅為0146,比冬季的0170更低。其原因可能與冬夏來流性質(zhì)的變化有關(guān)。冬季來流方向較為單一,以偏北風(fēng)為主,夏季的觀測則同時(shí)包含了偏北和偏南來流的結(jié)果。鑒于觀測點(diǎn)南

23、北方向的地形差異較大,從而可能對計(jì)算結(jié)果帶來更大的不確定性,我們對夏季的結(jié)果進(jìn)一步分析來流方向的影響。通過考察感熱通量計(jì)算值與實(shí)測值的相對誤差14m,一般對應(yīng)冰面、廣闊水域、平坦沙漠等下12墊面類型,與此處的情況明顯不合,故舍棄。由z0與風(fēng)速的關(guān)系可以看出,風(fēng)速較小時(shí),z0的離散較大,數(shù)值變化橫跨多個(gè)量級。風(fēng)速較大可以更好地滿足中性條件,使z0趨于一個(gè)穩(wěn)定值,所以采用大風(fēng)時(shí)的z0值來代表當(dāng)?shù)氐牡湫痛植诙?。冬?1月)的大風(fēng)以偏北風(fēng)為主(風(fēng)向多為340b30b),按風(fēng)速大于5mPs的情況統(tǒng)計(jì)得到z0均值為01074m。夏季(7月)大風(fēng)出現(xiàn)在偏南風(fēng)和北風(fēng)兩個(gè)方向,按風(fēng)速大于415mPs統(tǒng)計(jì),南風(fēng)時(shí)

24、求得的z0均值為0163m,北風(fēng)時(shí)為0128m;二者總均值為0144m。從地形條件來看,觀測塔南面為山地,北面為平原,所以南風(fēng)時(shí)粗糙度較大這一結(jié)果是符合當(dāng)?shù)厍楸本┐髮W(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第46卷隨來流方向的變化,我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在不同風(fēng)向下的確有出現(xiàn)不同的系統(tǒng)偏差的趨勢(圖略)。據(jù)此并結(jié)合地形分布以及觀測期間主要風(fēng)向的出現(xiàn)情況,我們將來流分為偏北(270b90b)、東南(90b180b)和西南(180b270b)3個(gè)方向,分別對感熱通量計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行比較,見圖8。由圖可見,區(qū)分不同來流方向后,感熱通量計(jì)算值與實(shí)測值的線性相關(guān)性明顯改善。但不同來流的通量計(jì)算值有系統(tǒng)偏差:偏北風(fēng)的明顯偏大,東南風(fēng)

25、的明顯偏小。多少有些意外的是,西南風(fēng)的通量計(jì)算值系統(tǒng)偏差似乎最小。分析周邊地形可見:鐵塔位置海拔約36m,北面為沿江沖積平原,地形平坦,海拔比鐵塔位置低67m;東南面小墨山余脈平頂山的海拔比鐵塔位置高67m,翻過山脊則為數(shù)米起伏的坡地。小墨山的山脊大致沿西南方向延伸,2km外為小墨山主峰,海拔245m。由此可知,鐵塔觀測到的北風(fēng)情況基本為迎風(fēng)坡的上坡流動(dòng),東南風(fēng)情況則為翻越平頂山山脊的背風(fēng)流動(dòng),這種地形作用可能是造成圖8中感熱通量計(jì)算值系統(tǒng)性偏差的原因。至于西南方向,雖然遠(yuǎn)處山體較高,但距鐵塔23km的范圍內(nèi)山脊高度變化不大,從而西南來流受到地形擾動(dòng)的系統(tǒng)性作用也較小。造成上述通量計(jì)算值迎風(fēng)來

26、流系統(tǒng)偏大、背風(fēng)來流系統(tǒng)偏小的機(jī)制目前并不清楚,我們推測應(yīng)與山地地形造成的風(fēng)速廓線變形有關(guān)。由于穩(wěn)定度因素也會(huì)影響到風(fēng)速廓線,從而使得地形對廓線的影響不容易鑒別出來,因此我們考察夏季觀測數(shù)據(jù)對應(yīng)的近中性大氣條件的風(fēng)速廓線,以避免溫度層結(jié)的影響。取10m和100m位溫差小于011K作為近中性條件的標(biāo)準(zhǔn),共獲得20組符合標(biāo)準(zhǔn)的廓線,其中偏北風(fēng)6組,東南風(fēng)6組,西南風(fēng)8組。值得注意圖中虛線代表Hc=Hm,n為數(shù)據(jù)組數(shù)圖7 感熱通量觀測值和計(jì)算值的比較Fig17 ComparisonofsensibleheatfluxesinJanuary(a)andJuly(b)圖8 夏季3個(gè)方向感熱通量觀測值和計(jì)

27、算值的比較Fig18 Comparisonofsensibleheatfluxesinthreewindsectorsinsummer第1期王雪等:華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析的是這里的選擇標(biāo)準(zhǔn)略有放松,沒有考慮風(fēng)速隨高度變化的因素,因?yàn)槟芘c湍流觀測數(shù)據(jù)對應(yīng)的中性數(shù)據(jù)組數(shù)偏少。各風(fēng)向平均風(fēng)速廓線情況見圖9。圖中顯示,三方向風(fēng)速廓線的形態(tài)在對數(shù)高度坐標(biāo)下并不呈標(biāo)準(zhǔn)的直線型,而是在30m處出現(xiàn)極大、70m處出現(xiàn)最小值。考察平均位溫廓線發(fā)現(xiàn)在70m處存在位溫極小值(圖略),說明我們獲得的并不是嚴(yán)格的中性條件。但無論如何,圖8仍然清楚顯示了不同方向風(fēng)速廓線的顯著不同,即風(fēng)速梯度北風(fēng)最大、西南風(fēng)次

28、之、東南風(fēng)最小。這從一定程度上印證了有關(guān)當(dāng)?shù)氐匦螌Σ煌瑏砹髟斐娠L(fēng)速廓線變形的推測。從經(jīng)典的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知,氣流越過山體會(huì)發(fā)生形變。在迎風(fēng)坡,流線會(huì)變得密集,風(fēng)速增大,導(dǎo)致風(fēng)速梯度增加;而背風(fēng)坡一側(cè)會(huì)經(jīng)歷相反的過程,風(fēng)速梯度減小。雖然實(shí)際湍流大氣的情況常常更加復(fù)雜,但此處塔層觀測的結(jié)果仍與上述理想流動(dòng)分析情況定性相符。在用通量-廓線關(guān)系計(jì)算湍流通量時(shí),對風(fēng)速梯度的依賴是很強(qiáng)的(雖然實(shí)際計(jì)算是利用風(fēng)、溫廓線以及無因次風(fēng)速梯度和溫度梯度的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)通過數(shù)值迭代方法進(jìn)行的,感熱通量值與速度梯度之間并無直接的表達(dá)關(guān)系),從近地面Jz9 u層相似性關(guān)系=Umu*LUmL可以看出,假設(shè)從以上分析結(jié)果來看,要

29、在小墨山觀測點(diǎn)應(yīng)用近地面層通量-廓線關(guān)系計(jì)算感熱通量,需對不同風(fēng)向的計(jì)算值進(jìn)行系統(tǒng)偏差修正。簡單的修正方法是令HcAHc,c=(3)其中Hcc為修正的感熱通量計(jì)算值,Hc為按常規(guī)方法的計(jì)算結(jié)果,A為修正系數(shù)。對小墨山實(shí)際情況,修正系數(shù)A大致為:東南風(fēng)和北風(fēng)分別取2178和0176;西南風(fēng)取110,不需修正。進(jìn)行上述經(jīng)驗(yàn)修正后的夏季感熱通量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較見圖10?？梢姅?shù)據(jù)點(diǎn)雖仍較離散,但Hm與Hcc的一致性相對于圖7有了較大改善。5 結(jié)論本文利用2006年湖南小墨山氣象觀測塔的風(fēng)、溫及湍流觀測資料,分析該地近地面氣象、平均廓線、湍流通量及地表粗糙度特征,并對該測點(diǎn)通量廓線關(guān)系的適用性進(jìn)

30、行了初步探討,獲得以下主要結(jié)果和結(jié)論。1)小墨山地區(qū)風(fēng)速春季最大,秋季最小。全年風(fēng)速整體較小,秋季靜風(fēng)頻率高達(dá)2110%。風(fēng)向冬季以偏北為主,春夏兩季偏西南,秋季則偏西北。2)夏季,當(dāng)?shù)亟孛鎸诱麑哟髿?地面至100m)風(fēng)速平均日變化符合通常規(guī)律,夜間風(fēng)速較小,白天風(fēng)速增大。對應(yīng)的位溫層結(jié)特征是夜間為弱穩(wěn)定或近中性,白天為不穩(wěn)定。冬、春、秋三季30m以上夜間風(fēng)速較大而白天風(fēng)速減小。對應(yīng)的平均位溫廓線特征是:夜間整層很穩(wěn)定,白天下層為弱不穩(wěn)定,上層維持弱穩(wěn)定。這種層結(jié)結(jié)構(gòu)抑制了上層大氣的水平運(yùn)動(dòng)動(dòng)量向近地面層的傳輸。和其他條件如H*等都保持近似不變,如果9 u受到一個(gè)小擾動(dòng)增大(或減小),摩擦也

31、將增大(或減小),從而使感熱通量風(fēng)速梯度速度u*u*H*也相應(yīng)地增大(或減小)。由此可以定性解釋此處偏北風(fēng)時(shí)感熱通量計(jì)算值系統(tǒng)偏大、東南風(fēng)時(shí)系統(tǒng)偏小的現(xiàn)象。為方便比較,圖中北風(fēng)的風(fēng)廓線向左平移313mPs圖9 中性條件下3個(gè)風(fēng)向的平均風(fēng)廓線Fig19 Neutralwindprofilesfor3directionsinJuly圖10 修正后的感熱通量計(jì)算值與觀測值的對比Fig110 Relationshipbetweendirectlymeasured(Hm)andcorrectedcalculated(Hcbleheatfluxesc)sensi北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第46卷effec

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