組合法確定長(zhǎng)江下游地區(qū)通量及總體輸送系數(shù)

1、組合法確定長(zhǎng)江下游地區(qū)通量及總體輸送 系數(shù) 作者：王東來(lái)源：科技視界 2012 年第 22 期王東（中國(guó)海洋大學(xué) 山東 青島 266000 ）【摘 要】本文利用胡隱樵等人改進(jìn)的組合法 1 確定的近地面層湍流通量的一般表達(dá)式， 采用江淮地區(qū)（肥西站）的風(fēng)速、溫度和濕度等梯度觀測(cè)，采用湍流通量理論，計(jì)算了肥西地 區(qū)的地面湍流通量（感熱、潛熱、動(dòng)量）以及總體輸送系數(shù)。通過(guò)整體、個(gè)例的對(duì)比對(duì)照，以 及和青藏高原西部戈壁、沙漠的比較，結(jié)果表明這種方法是可行的?！娟P(guān)鍵詞】組合法；長(zhǎng)江下游；地表通量；通量系數(shù)0 引言陸地表面動(dòng)量輸送不僅對(duì)全球氣候和大氣環(huán)流變化貢獻(xiàn)顯著，也是各類尺度大氣數(shù)值模式 物理框架中極

2、其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?？傮w輸送系數(shù)不僅有明顯的地區(qū)差異，而且動(dòng)態(tài)范圍也很大。由 于方法差異和觀測(cè)技術(shù)問(wèn)題，有時(shí)不同的人在同一地區(qū)得到或使用的總體輸送系數(shù)也會(huì)有數(shù)倍 之差，甚至量級(jí)之別?？傮w輸送系數(shù)的誤差是以等同的相對(duì)值傳遞到計(jì)算的地表通量上，而大氣數(shù)值模式所能容 忍的地表面通量誤差程度極其有限，所以，較準(zhǔn)確的總體輸送系數(shù)是目前模式所必需的。組合法是由風(fēng)、溫、濕梯度資料、地表輻射分量資料和地?zé)崃髁抠Y料聯(lián)合計(jì)算地表湍流通量的間接方法，它首先由Thom提岀，然而它只能確定感熱和潛熱通量，無(wú)法確定MO通用函數(shù)。而胡隱橋等人改進(jìn)的組合法，不僅能確定感熱和潛熱通量，同時(shí)，還可以確定動(dòng)量和MC通用函數(shù)。這一方法的優(yōu)

3、點(diǎn)是價(jià)格低廉，并且減小了感應(yīng)頭及其支架對(duì)氣流擾動(dòng)所造成的湍流通量觀 測(cè)誤差。本文就是根據(jù)胡隱樵 3 等人改進(jìn)的組合法，結(jié)合江南肥西站的具體資料進(jìn)行詳細(xì)的計(jì) 算。最后，取得了較好的效果。1 觀測(cè)站周圍環(huán)境、觀測(cè)儀器肥西邊界層觀測(cè)設(shè)在肥西縣氣象站局（117 .08 E, 31 .41 S）觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，下墊面為平 坦均勻稀疏矮草地，周圍較為開闊，西、南面基本為旱地農(nóng)田，北面為氣象局兩層辦公樓，東 面為平房，建筑物距觀測(cè)場(chǎng) 50 米外。超聲風(fēng)溫儀、紅外水汽和二氧化碳探頭均安裝在 4 米高度，觀測(cè)系統(tǒng)為連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，由 美國(guó)生產(chǎn)的CR23X數(shù)據(jù)采集器采樣頻率為10Hz,包括U、V W風(fēng)速分量，溫度、水汽、

4、二氧化碳、氣壓等，每 10 分鐘生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，經(jīng)初步處理，將每小時(shí)資料合并為一個(gè)文件。肥西站在鐵塔的 1 米、 4 米、 10 米高度各伸岀 2米長(zhǎng)的水平臂，兩端分別安裝溫、濕度傳 感器和風(fēng)速傳感器，此外還安裝有四層（ 0cm,10cm,20cm,40cm 深）地溫表，裝有兩個(gè)土壤熱流 量板。2 計(jì)算方法按照總體輸送理論，地面、感熱和蒸發(fā)潛熱的通量可以表示為：D=p CDU2 （ 1）H=p CPCHU TsO-T ）（ 2）Q=Bp LECEU（ qgs-q ）（ 3）式中p是地面空氣密度，可表示為海拔高度的降指數(shù)。Tso是地面溫度（Ocm 土壤溫度），qgs地面飽和比濕。為使計(jì)算結(jié)果有

5、較好的代表性，地面風(fēng)速和氣溫都取為自動(dòng)站最高觀測(cè)高 度（10m）的值。B是土壤有效因子或稱為蒸發(fā)系數(shù)，它是土壤濕度的升函數(shù)。本文由于觀測(cè)資料有限，不便于計(jì)算B的值，這里取 B =0.5。LE為水汽的蒸發(fā)潛熱，取2.500 X 105為使計(jì)算結(jié)果有較好的代表性，地面風(fēng)速和氣溫都取氣象站最高觀測(cè)高度（10m）值。又由胡隱樵等人改進(jìn)的組合法1得岀的計(jì)算通量的表達(dá)式可得岀動(dòng)量、感熱、潛熱的計(jì)算式：F 是層結(jié)影響函數(shù)，a 是動(dòng)量和熱量通量層結(jié)影響函數(shù)的比例,110)A(11)求F時(shí)，需用到地表面上的能量平衡公式:A=R-G-P-S(13) 1方程中，A為地表面可利用能量，而 R, G P和S分別為凈輻射

6、、地流熱量、植物光合作用消耗的能量和地表層貯藏的能量。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，地表面可利用能量一般忽略植物光合 作用消耗的能量 P,定常條件下也可忽略地表層貯藏的能量S,故AR -G(14)3 計(jì)算及結(jié)果分析實(shí)際參加計(jì)算的資料是1, 4, 10三層的風(fēng)速、溫度、濕度、水汽壓、地表溫度、降水量、氣壓等7組資料，每十分鐘取平均記錄，全天144個(gè)記錄.經(jīng)過(guò)資料的整理和篩選，共有 45天的記錄可用，從 6月6日-7月20日觀測(cè)期間，觀測(cè)站降水很少，岀現(xiàn)了大旱的天氣，6月9日、10、11、12、13、17、18、22 日，7 月 1、11、13、14、15 日有少量降水。其中以 7 月 11 日最多。3.1

7、整體變化江南地區(qū)，大氣狀況較好，壓強(qiáng)均在1000hp左右，常年有降水，下墊面多為濕潤(rùn)的土壤。以下的圖片可表現(xiàn)肥西地區(qū)的地表湍流通量變化規(guī)律。從圖1可看岀，感熱的值一般在 20-50W/m2之間。除了個(gè)別突變的點(diǎn)之外，能發(fā)現(xiàn)感熱變 化的一般規(guī)律：地面溫度高，則感熱高。但是，利用組合法得岀的感熱值和溫度值有突變值。 比如7月上旬、中旬的那幾天，雖有零星降水，但地面溫度還較高，而感熱卻為負(fù)值，不太符 合實(shí)際，應(yīng)剔除。從圖2中可看出，潛熱變化的大致規(guī)律：地面含水率高的，其潛熱也大，潛熱值的大小在20-220W/m2之間變化。同時(shí)也可看岀，潛熱值的日變化比較明顯，這與有無(wú)降水有一定的關(guān)系， 如圖中所示，

8、7月11日達(dá)到整個(gè)觀測(cè)期的峰值，這與當(dāng)天有一定量的降水實(shí)際情況是相符的。Tr i. r- - - -產(chǎn)尹尹L寸小嚴(yán)嚴(yán)尹 m 2 e a 口童產(chǎn)用細(xì)口潮輔 地函亠誨,乍諸水甲的養(yǎng)樂(lè)m3中得出:從圖3可知，對(duì)于動(dòng)量的變化，除了幾處（如 6月6日至6月9日之間幾天，6月21日至 6月24日，7月9日前后幾天）符合之外，其他各處符合得不是很好，不穩(wěn)定的點(diǎn)較多。從理 論上分析，因?yàn)閯?dòng)量和風(fēng)速的平方成正比的，因此，風(fēng)速脈動(dòng)量對(duì)動(dòng)量的影響是比較明顯的。 從此，也可知，組合法得岀的動(dòng)量數(shù)據(jù)與風(fēng)速對(duì)應(yīng)穩(wěn)定性不太好。當(dāng)然，還是可從圖 肥西地區(qū)6、7月份的動(dòng)量值在 3.8-25.0J 之間變化。3.2 個(gè)例分析這里

9、選取6月18日感熱、6月18日潛熱的和6月28日的動(dòng)量變化圖說(shuō)明組合法確定的地 面湍流通量的日變化特征以及存在的問(wèn)題。注：這里使用氣象時(shí)間，即：實(shí)際上是從 18日一天。6月17日晚20 : 00至6月18日晚20點(diǎn)為6月ffl4 6月 1整體觀察圖4，知基本上符合實(shí)際的變化規(guī)律。通過(guò)分析上圖，該地區(qū)的感熱最大值約為18左右，岀現(xiàn)在上午 10點(diǎn)至中午12點(diǎn)之間，這比沙漠岀現(xiàn)最大值時(shí)刻（8點(diǎn)-9點(diǎn)）稍微滯后了一些。最直接的因素當(dāng)然是下墊面的因素。當(dāng)然，通過(guò)觀察可發(fā)現(xiàn)9點(diǎn)至10點(diǎn)左右的值是不合理的。從圖 4中也可得到，感熱通量白天為正值，夜晚為負(fù)值，大概在子夜的時(shí)候達(dá)到最小， 由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值一般在

10、傍晚的6、7點(diǎn)左右R 口沖| ”l9nE 祠.的Fih !|1=l - 門一 T 齊 W Jft zt *酹rZ* a-3T ffl潛熱通量的日變化的位相特征與感熱是相同的。通過(guò)對(duì)比圖5、圖6兩圖可發(fā)現(xiàn)，含水量高的時(shí)候，水汽蒸發(fā)潛熱也高，這與理論上是一致的。而且，還可發(fā)現(xiàn)，肥西站的蒸發(fā)潛熱在 白天上午10點(diǎn)左右達(dá)到最大值，大約是270W/m2在夜間21點(diǎn)左右達(dá)到最小為-20 W/m2。潛熱通量的值在白天一般為正值，晚上一般為負(fù)值。剔除圖中的不合理值，可以看岀，從正值變 為負(fù)值的時(shí)刻在晚上的7、8點(diǎn)。3.3 因子的相關(guān)性分析通過(guò)相關(guān)性分析表明，對(duì)于潛熱Q,考察與地面濕度(0-15厘米土壤含水率

11、h)時(shí)，其相關(guān)系數(shù)為p Qh=0.678,可知相關(guān)性較好。對(duì)于感熱H,考察感熱H與地面溫度TS0的相關(guān)性時(shí)，發(fā)現(xiàn) H和TS0的相關(guān)系數(shù)是 p HTs0=0.55,雖然數(shù)值有些小，但這與理論上是基本相符的，即：感熱代表的是地面想大氣的 加熱量。從直觀上講，地面溫度越高，地面向大氣輸送的熱量的就多。對(duì)于動(dòng)量D,考察動(dòng)量D與風(fēng)速V的相關(guān)性，為了使計(jì)算有代表性，盡量剔除建筑物的影 響，V的速度選取10米高度的風(fēng)速。通過(guò)計(jì)算，動(dòng)量D和風(fēng)速V的相關(guān)系數(shù)僅為 0.412，達(dá)不到基本的概率要求，相關(guān)性較差。3.4 組合法確定的各通量平均值與青藏高原西部各值的比較2和黑河流域計(jì)這里引用李國(guó)平等人、張強(qiáng)等人分別對(duì)

12、青藏高原西部獅泉河地區(qū)計(jì)算結(jié)果 算結(jié)果3，并與肥西地區(qū)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見下表1。1廂駆、黠昵酣迪側(cè)側(cè)出.4?卩 Vi曲10從表1可知，肥西地區(qū)的感熱平均值 H (28W/m2比獅泉河的感熱值(170.2W/m2)要小得 多，下墊面最重要的因素：獅泉河地處青藏高原西部，多為沙漠地帶，白天太陽(yáng)對(duì)地面加熱， 地面由于其自身的沙質(zhì)特征，比熱容比較小，升溫特別快，接著便是地面對(duì)空氣的輸送能量， 而且全年降水稀少，全年的情況都沒(méi)有大的變化，故其感熱比較大，最大值可達(dá)到380W/m2;而肥西地區(qū)的地面特征較濕潤(rùn)，升溫較慢，故對(duì)空氣的加熱量也不多。在加上有雨水的調(diào)節(jié)作 用，使得該地區(qū)的感熱值比較小了。而對(duì)于

13、潛熱值 Q，肥西地區(qū)的蒸發(fā)潛熱平均值130W/m2,而獅泉河的平均值僅為2.9W/m2，這是因?yàn)榍罢邿o(wú)論是地面上層土壤（0-15cm）還是空氣中的含水率都比青藏高原西部的獅泉河沙漠地區(qū)的含水率要高得多，無(wú)論前者的降水量多與少，前者的水汽蒸發(fā)潛熱自然要比后者高 得多。至于動(dòng)量值D,肥西地區(qū)的動(dòng)量值（10N/m2）遠(yuǎn)比獅泉河地區(qū)的（180N/m2）小，從理論上 說(shuō)，這種差別主要取決于風(fēng)速的差別。但是，事實(shí)上江南地區(qū)的風(fēng)速和青藏高原西部的風(fēng)速差 異不會(huì)相差那么大的，所以在這里，也有可能是組合法的一個(gè)缺陷之一：對(duì)于自變量的脈動(dòng)量 依賴性大的函數(shù)，組合法很好地保證函數(shù)的穩(wěn)定性。3.5 總體輸送系數(shù)的平均

14、值舲側(cè)餵疏射瞇貓網(wǎng)帖MizlotAmi5Ji|MHb.44tJR1J5闕曲.1L16獅泉河和黑河流域值對(duì)比表從表2中可以看岀，用組合法計(jì)算的總體輸送系數(shù)CH CE數(shù)量級(jí)是10-3，而且感熱輸送系數(shù)CH和潛熱輸送系數(shù) CE非常接近。但是，動(dòng)量輸送系數(shù)CD量級(jí)較小。對(duì)獅泉河地區(qū)的計(jì)算，李國(guó)平等人的算法假設(shè)CH=CE（假定水汽廓線與溫度廓線函數(shù)積分形式相同）2。張強(qiáng)等人確定的總體輸送系數(shù)也是由組合法計(jì)算岀來(lái)的3。這三者總體輸送系數(shù)CH CE的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有量級(jí)上的差別，只是動(dòng)量輸送系數(shù)CD數(shù)值相對(duì)小。3.6 問(wèn)題和討論3.6.1 在計(jì)算三層各個(gè)氣象要素的偏微分時(shí)，采用何種方法更為穩(wěn)定，有兩種方案，一是

15、： 利用牛頓差分公式，得岀步長(zhǎng)不一致的三點(diǎn)公式，二是：兩層兩層相減，得岀平均值。但用第一種方案時(shí)，如何處理三點(diǎn)公式與公式（6）、（ 7）中Zi和乙+1不一致的矛盾；用第二種方案時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)，穩(wěn)定性不能保證。3.6.2 建筑物對(duì)通量的影響是不能忽略的，由于觀測(cè)場(chǎng)地周圍建筑物存在，很可能使通量 及通量系數(shù)發(fā)生不正常的的變化。剔除建筑物的影響會(huì)使這些量趨于合理化。3.6.3 下墊面的氣象特征是影響通量的最重要因子，感熱、潛熱和動(dòng)量的變化特征在不同的下墊面是截然不同的（沙漠、海洋、戈壁、平原等）。由于，肥西站2001年6、7月份降水稀少，不能代表江南地區(qū)的典型氣候特征，故計(jì)算值有些缺乏一定的代表性

16、。4 結(jié)論4.1 本文采用組合法結(jié)合肥西站的實(shí)際觀測(cè)資料，計(jì)算出了通量總體輸送系數(shù)（CE、 CH、CD、感熱、潛熱、動(dòng)量等量。總體而言，組合法確定感熱、潛熱、動(dòng)量以及通量總體輸送系 數(shù)的方法是基本可行的，而且相比于其他方法有優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，并且減小了感應(yīng)頭及其支架 對(duì)氣流擾動(dòng)所造成的湍流通量觀測(cè)誤差，數(shù)值的總體誤差在量級(jí)上沒(méi)太大的突變。發(fā)現(xiàn)總體輸 送系數(shù)的量級(jí)是10-3，只是CD偏小，而且，CE和CH很接近。4.2 通過(guò)對(duì)感熱、潛熱的平均值的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，用組合法計(jì)算感熱和潛熱是比較符合的，雖 會(huì)出現(xiàn)一些異常的數(shù)值，但突變的情況比較少。由于觀測(cè)時(shí)期，干旱少雨，雨該地區(qū)的平均情 況有所差異，所以，感

17、熱、潛熱和動(dòng)量的計(jì)算值缺乏一定的代表性，特別是計(jì)算動(dòng)量的穩(wěn)定性 較差，數(shù)值的突變較多。4.3 肥西地區(qū)的感熱通量的最大值約為50W/m2獅泉河地區(qū)的感熱最大值可達(dá) 380W/m2相當(dāng)于前者的 7 倍。出現(xiàn)最大值的時(shí)間前者（ 10-12 點(diǎn)）也比后者（ 8-9 點(diǎn)）滯后。4.4 肥西地區(qū)的潛熱通量的最大值約為280W/m2獅泉河地區(qū)的潛熱最大值為15W/m2前后差別較大，前者是后者的 16 倍多。根據(jù)以上結(jié)果推算， 6、 7 月份肥西地區(qū)感熱的平均值應(yīng) 該是為正值潛熱通量的日變化的位相特征與感熱是相同的。4-6 點(diǎn)）左4.5 肥西地區(qū)感熱通量的日變化特征是：白天大，夜間小，上午最大，凌晨（ 右最??；白天一般是正