1、北京大學學報(自然科學版)網絡版(預印本),2009年第3期,2009 09 30ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis(OnlineFirst),No.3,Sept.30,2009論文編號:pkuxbw2009045 http: 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.北京大學環境科學與工程學院環境科學系,北京100871;2.北京大學環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京100871;3.北京大學物理學院大氣科學系,北京100871; 通訊作者,E mail:xhcai摘要

2、利用2006年湖南小墨山地區的塔層數據和湍流數據,分析了該地區風速風向的年變化以及冬夏兩季風溫廓線的日變化規律,利用傳統近地層通量廓線關系得出了感熱通量計算值,并將其與感熱通量測量值進行了對比,對經典近地層相似性理論在非均勻下墊面上的應用進行了初步探討。研究發現小墨山地區的復雜地形對粗糙度、感熱通量的計算有重要影響,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,偏南風時粗糙度z0大于偏北風。而對夏季感熱通量的分析表明,感熱通量的計算主要受到山體的影響。北風時測點位于迎風坡,計算值系統偏大,東南風時對應背風坡的情況,計算值系統偏小,西南風與山體走向大體平行,計算值與測量值近似相等;

3、將有偏差的計算值進行修正后,結果得到了明顯改善。關鍵詞 湍流通量;廓線;塔層觀測;復雜地形中圖分類號 P404AnObservationStudyofTurbulentFluxMeasuredonTowerinHillyArea,CentralChinaWANGXue,CAIXuhui,KANGLing,ZHANGHongsheng,SONGYu,CHENJiayi11, 23111.DepartmentofEnvironmentalSciences,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100

4、871;2.StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871;3.DepartmentofAtmosphericSciences,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871;CorrespondingAuthor,E mail:xhcaiAbstract Anobservationtowerwaserected

5、onXiaomoMountain,HunanProvince.Besidesthecollectionofturbulenceinformation,routinemeteorologicaldatawerecollectedduring2006.Diurnalvariancesofwindandtemperatureprofilesinwinterandsummerwereanalyzedaswellasseasonalvariancesofwindspeedandwinddirection.Furthermore,sensibleheatfluxescalculatedusingclass

6、icalflux profilerelationship(Hc)arecomparedwiththedirectlymeasuredvalues(Hm).Itisfoundthatthecomplexterrainaroundthetowerhasadistinctimpactonthevaluesofroughnesslengthz0andcalculatedsensibleheatflux(Hc);thereforeitisnecessarytodividethedatainto2 3groupsaccordingtothewinddirections.Thefollowinganalys

7、isshowthatz0inthesouthpartofthetowerismuchhigherbecauseofthehillyterrain,andthemountainslopeaffectsthesensibleheatfluxremarkably.Whenupslopewindblows,thevalueofHcishigherthanHm,andviceversa.Sincethetrendofthemountainissouthwest northeast,thevalueofHcissimilartoHmwhenthewindisfromsouthwest.Finally,Hc

8、iscorrectedandtheagreementbetweenHcandHmislargelyimproved.Keywords turbulentflux;profile;towerobservation;complexterrain大氣邊界層是地球表面與大氣間動量、能量和各種物質輸送的通道。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,關于邊界層和近地面層的研究已取得巨大進展,尤國家自然科學基金(40675010)和國家高技術研究發展計劃專項經費(2006AA06A305,2006AA06A306)資助收稿日期:2009 03 22;修回日期:2009 06 0

9、1北京大學學報(自然科學版)網絡版(預印本)2009年第3期其是平坦、水平均勻下墊面的Monin Obukhov相似性理論和近地面層通量 廓線關系的建立1小墨山地區所在區域屬亞熱帶季風性濕潤氣候,氣候溫和,四季分明,熱量充足,雨水集中。當地具有春季天氣多變,夏秋多高溫、干旱;嚴寒期短,暑熱期長等主要氣候特征。塔層氣象要素的觀測從2005年12月至2006年12月連續進行,觀測項目包括風速、風向和氣溫,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設備,各項參數見表1。實驗同時觀測地面凈輻射值(儀器架設高度1.5m,型號PDB 1,精度10 V (Wm)和氣壓等。以

10、上各要素均為全天連續觀測,并得到小時平均值。此外,在鐵塔的30m和100m處用超聲風溫儀(參數見表1)進行了冬夏兩個代表性季節的湍流觀測,獲得逐時的感熱通量、三方向風速方差、水汽通量、摩擦速度、z L等湍流參數,觀測時段為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月的觀測數據進行分析,了解當地塔層基本氣象特征-2,為有關地氣交換的研究打下了雄厚的基礎,并廣泛應用于各類數值模式中。但現有理論和成果后面卻隱伏著一個重要問題,這就是其均勻平坦下墊面的前提條件。實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

11、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際大氣的應用受到局限和挑戰。而隨著研究的深入,尤其是隨著數值模擬和氣候模式準確性要求的提高,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注2 34。為便于研究,Rotach等將非均勻、非平坦的復雜下墊面情況分成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用內邊界層理論得到較好的解決

12、;對于第3種情況,已經發展出了適用于城市、植被下墊面的有效粗糙度、摻混高度等理論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。在實際大氣中,以上3種類型的情況往往同時出現,從而極大地增加了研究的復雜性。湖南小墨山地區地處華中丘陵地帶,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。本文以在此地進行的湍流和塔層氣象觀測數據為基礎,對非平坦下墊面塔層觀測數據的應用問題進行初步探討,以期了解經典的近地面層相似性理論在該地區的適用程度,并提出可能的實用修正方案。91 實驗觀測情況實驗觀測點位于湖南岳陽市華容縣境內的塔市驛鎮楊家

13、灣村(112 51 34 4!E,29 44 33.2!N),主要實驗平臺為一個102m的專設氣象鐵塔。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1 7km。鐵塔北面和東面地形平坦,以耕地和水域為主,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的方向。實驗點周邊地形見圖1。圖1 測點周邊地形圖Fig 1 Topographyaroundtheobservationtower表1 主要觀測儀器的技術指標Table1 Technicalcharacteristicsofprimaryobservationi

14、nstruments儀器名稱測量要素風向三杯頻率儀(NRG)風速溫度超聲風溫儀(CSAT3)風速脈動量溫度脈動量單位 m s#m s#精度50.1(啟動風速0.4m s)0.20.0020.005pkuxbw2009045王雪等:華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析和季節變化規律,之后主要針對冬夏兩季湍流觀測時段重點進行通量廓線關系分析。1000=Tp0.286。(2)2 數據處理湍流數據的處理需要經過坐標旋轉、低通濾波、野點剔除等幾個步驟,最終得到脈動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旋轉方法:首先使x坐標與主導風方向一致,v分量的平均值為0;然后進一步使平均風的w分量為0。

15、坐標旋轉及其他處理的具體方法參見文獻10 12。此外,將溫度數據轉換成位溫以便于分析。根據塔層觀測的溫度數據,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處風向風速觀測資料來看,小墨山地區春季風速最大,4月的平均風速為2 66m s,冬夏兩季次之,1月和7月的風速分別為2 50m s和2 49m s,秋季(10月)最低,僅為1 63m s。由于地處內陸,當地小風靜風頻率較高。在風速最小的秋季(10月),靜風(風速小于0 5m s)頻率高達21%,即使在平均風速最大的春季,靜風頻率仍有6 7%。當地風向的季節變化也比較明顯,冬季(1月)以偏北風為主

16、,NNE,N,NNW3個風向出現頻率占36 4%,西南風較少;春夏兩季(4月和7月)主導風向為SSW;秋季(10月)則以偏西北風為主。具體風向頻率分布情況見圖2。對風速數據的分析表明,小墨山地區近地層的風速有明顯的日變化,而且這種日變化在夏季和其他三季有不同的特點。圖3顯示了冬夏(1月和7月)各高度風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,夏季各層風其中,p為氣壓,z為高度,下標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,取干空氣的287.05J (kgK);g為重力加速度9 81m s,Tv取氣層平均溫度。之后進一

17、步假設空氣處于非飽和狀態,由各個高度上的氣壓p和溫度T,求得對應高度上的位溫:2橫軸為風向,C代表靜風圖2 四季代表月份的風向頻率分布Fig 2 WinddirectionfrequencyinJanuary,April,JulyandOctober北京大學學報(自然科學版)網絡版(預印本)2009年第3期圖3 冬、夏各層風速的平均日變化Fig 3 DiurnalvariationofwindspeedinJanuary(a)andJuly(b)圖4 冬、夏風速廓線的平均日變化Fig 4 DiurnalvariationofwindprofilesinJanuary(a)andJuly(b)速

18、日變化有大致相同的形式,即白天風速增大,夜間風速減小,只是低層風速變化的幅度較大,高層風速變化幅度較小,而且高層的風速變化與低層相比在時間上有滯后的趨勢。冬季的情況則很不相同,只有最低的10m高度上仍表現為白天風速增大,30m層白天風速增大已不明顯,再往上則表現為白天風速明顯減小,尤其以中午12時前后風速減小幅度最大。對以上觀測現象的解釋是有意義的。一般認為,陸面白天不穩定大氣邊界層發展,垂直交換增強,上層大氣的水平運動動量下傳導致低層風速增大。從圖3看出,當地夏季直到100m的高度,都仍受到這種動量下傳作用的影響。但冬季(以及春秋兩季),白天100m以上的大氣向下傳輸動量的過程似乎受到抑制,

19、近地面氣層不穩定性和垂直交換的增強則使100m以下的水平動量在垂直方向上趨于均勻化,即低層風速增大而高層風速減小。圖4進一步顯示了冬夏兩季風廓線的日變化情況,明顯可見夏季白天風速整層增大、而冬季白天30100m風速則表現出均一化的趨勢。從溫度層結可進一步分析上述現象的原因。圖5為冬夏(1月和7月)位溫廓線的平均日變化。由圖可見,當地冬季夜間為穩定層結(逆位溫),穩定層厚度從地面一直延伸到100m;白天70m以下氣層變為近中性或弱不穩定狀態,但70100m卻一直維持弱穩定層結。因此,70m以上的湍流垂直交換將受到抑制,上層大氣的水平動量難以向100m以下的低層大氣傳遞。夏季夜間較強的穩定層主要在

20、30m以下,上層為弱穩定層或近中性;白天100m以下完全轉變為不穩定層,這顯然有利于垂直方向上的湍流交換和上層水平動量的下傳。4 通量 廓線關系為探討小墨山鐵塔觀測點上通量 廓線關系的適用性,我們利用塔層廓線觀測資料和經典通量 廓線關系計算感熱通量,然后與實際湍流觀測結果進行比較。為此首先需確定當地的地表粗糙度z0。=ln進行計此處利用對數風廓線公式u*z0算,選取近中性條件下的4層平均風速觀測值對 uln(z-d)進行最小二乘的線性擬合,從而得到最優解z013。pkuxbw2009045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Fig 5 Diurnalvar

21、iationofpotentialtemperatureprofilesinJanuary(a)andJuly(b)圖6 1月和7月粗糙度和風速的關系Fig 6 Relationshipsbetweenroughnesslengthz0andwindspeedinJanuary(a)andJuly(b)計算z0所需數據的篩選條件是:10m和100m位溫差小于0 1K,且風廓線正常(風速隨高度增高而增大)。按上述標準,冬季和夏季(分別用1月和7%8月的數據代表)各有33組和66例數據滿足中性條件。求得z0與10m平均風速的關系見圖6。圖中冬夏兩季分別有3個和6個z0數據點數值小于10-3況的;而

22、從同是北風條件下的冬夏對比來看,夏季z0值較高與植被茂盛有關。確定了不同季節、不同風向的z0值之后,即可利用通量 廓線關系計算感熱通量。計算時使用10m和30m的風溫數據迭代求得感熱通量(Hc),穩定和中性情況下(!&0)選用Cheng等提出的穩定15度修正方程,不穩定情況下(!<0)選用Dyer提出的穩定度修正方程。這種基于空氣動力學的湍流通量計算在研究中得到了廣泛的應用,具體原理和方法參見文獻16 17。圖7給出了感熱通量計算值Hc與30m超聲風溫儀實測值Hm的比較。由圖可以看出,計算值與湍流測量值的關系相當離散;夏季計算值與實測值之間的相關系數僅為0 46,比冬季的0 70

23、更低。其原因可能與冬夏來流性質的變化有關。冬季來流方向較為單一,以偏北風為主,夏季的觀測則同時包含了偏北和偏南來流的結果。鑒于觀測點南北方向的地形差異較大,從而可能對計算結果帶來更大的不確定性,我們對夏季的結果進一步分析來流方向的影響。通過考察感熱通量計算值與實測值的相對誤差14m,一般對應冰面、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與風速的關系可以看出,風速較小時,z0的離散較大,數值變化橫跨多個量級。風速較大可以更好地滿足中性條件,使z0趨于一個穩定值,所以采用大風時的z0值來代表當地的典型粗糙度。冬季(1月)的大風以偏北風為主(風向多為340 30 ),

24、按風速大于5m s的情況統計得到z0均值為0 074m。夏季(7月)大風出現在偏南風和北風兩個方向,按風速大于4 5m s統計,南風時求得的z0均值為0 63m,北風時為0 28m;二者總均值為0 44m。從地形條件來看,觀測塔南面為山地,北面為平原,所以南風時粗糙度較大這一結果是符合當地情北京大學學報(自然科學版)網絡版(預印本)2009年第3期隨來流方向的變化,我們發現數據點在不同風向下的確有出現不同的系統偏差的趨勢(圖略)。據此并結合地形分布以及觀測期間主要風向的出現情況,我們將來流分為偏北(270 90 )、東南(90 180 )和西南(180 270 )3個方向,分別對感熱通量計算值

25、與實測值進行比較,見圖8。由圖可見,區分不同來流方向后,感熱通量計算值與實測值的線性相關性明顯改善。但不同來流的通量計算值有系統偏差:偏北風的明顯偏大,東南風的明顯偏小。多少有些意外的是,西南風的通量計算值系統偏差似乎最小。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,鐵塔觀測到的北風情況基本為迎風坡的上坡流動,東南風情況則為翻越平頂山山脊的背風流動,這種地形作用可能是造成圖8中感熱通量計算值系

26、統性偏差的原因。至于西南方向,雖然遠處山體較高,但距鐵塔23km的范圍內山脊高度變化不大,從而西南來流受到地形擾動的系統性作用也較小。造成上述通量計算值迎風來流系統偏大、背風來流系統偏小的機制目前并不清楚,我們推測應與山地地形造成的風速廓線變形有關。由于穩定度因素也會影響到風速廓線,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據對應的近中性大氣條件的風速廓線,以避免溫度層結的影響。取10m和100m位溫差小于0 1K作為近中性條件的標準,共獲得20組符合標準的廓線,其圖中虛線代表Hc=Hm,n為數據組數圖7 感熱通量觀測值和計算值的比較Fig 7 Comparisonofse

27、nsibleheatfluxesinJanuary(a)andJuly(b)圖8 夏季3個方向感熱通量觀測值和計算值的比較Fig 8 Comparisonofsensibleheatfluxesinthreewindsectorsinsummerpkuxbw2009045王雪等:華中丘陵地帶塔層湍流通量的觀測分析中偏北風6組,東南風6組,西南風8組。值得注意的是這里的選擇標準略有放松,沒有考慮風速隨高度變化的因素,因為能與湍流觀測數據對應的中性數據組數偏少。各風向平均風速廓線情況見圖9。圖中顯示,三方向風速廓線的形態在對數高度坐標下并不呈標準的直線型,而是在30m處出現極大、70m處出現最小值

28、?？疾炱骄粶乩€發現在70m處存在位溫極小值(圖略),說明我們獲得的并不是嚴格的中性條件。但無論如何,圖8仍然清楚顯示了不同方向風速廓線的顯著不同,即風速梯度北風最大、西南風次之、東南風最小。這從一定程度上印證了有關當地地形對不同來流造成風速廓線變形的推測。從經典的流體運動規律可知,氣流越過山體會發生形變。在迎風坡,流線會變得密集,風速增大,導致風速梯度增加;而背風坡一側會經歷相反的過程,風速梯度減小。雖然實際湍流大氣的情況常常更加復雜,但此處塔層觀測的結果仍與上述理想流動分析情況定性相符。在用通量 廓線關系計算湍流通量時,對風速梯度的依賴是很強的(雖然實際計算是利用風、溫廓線以及無因次風速

29、梯度和溫度梯度的經驗函數通過數值迭代方法進行的,感熱通量值與速度梯度之間并無直接的表達關系),從近地面 z u層相似性關系=#mu*L#mL可以看出,假設從以上分析結果來看,要在小墨山觀測點應用近地面層通量 廓線關系計算感熱通量,需對不同風向的計算值進行系統偏差修正。簡單的修正方法是令H Hc,c=(3)其中H c為修正的感熱通量計算值,Hc為按常規方法的計算結果,為修正系數。對小墨山實際情況,修正系數大致為:東南風和北風分別取2 78和0 76;西南風取1 0,不需修正。進行上述經驗修正后的夏季感熱通量計算結果與實測結果的比較見圖10。可見數據點雖仍較離散,但Hm與H c的一致性相對于圖7有

30、了較大改善。5 結論本文利用2006年湖南小墨山氣象觀測塔的風、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,并對該測點通量廓線關系的適用性進行了初步探討,獲得以下主要結果和結論。1)小墨山地區風速春季最大,秋季最小。全年風速整體較小,秋季靜風頻率高達21 0%。風向冬季以偏北為主,春夏兩季偏西南,秋季則偏西北。2)夏季,當地近地面層整層大氣(地面至100m)風速平均日變化符合通常規律,夜間風速較小,白天風速增大。對應的位溫層結特征是夜間為弱穩定或近中性,白天為不穩定。冬、春、秋三季30m以上夜間風速較大而白天風速減小。對應的平均位溫廓線特征是:夜間整層很穩定,白天

31、下層為弱不穩定,上層維持弱穩定。這種層結結構抑制了上層大氣的水平運動動量向近地面層的傳輸。和其他條件如 *等都保持近似不變,如果風速梯度受到一個小擾動增大(或減小),摩擦速度u*也將增大(或減小),從而使感熱通量u* *也相應地增大(或減小)。由此可以定性解釋此處偏北風時感熱通量計算值系統偏大、東南風時系統偏小的現象。為方便比較,圖中北風的風廓線向左平移3 3ms-1圖9 中性條件下3個風向的平均風廓線Fig 9 Neutralwindprofilesfor3directionsinJuly圖10 修正后的感熱通量計算值與觀測值的對比Fig 10 Relationshipbetweendire

32、ctlymeasured(Hm)andcorrectedcalculated(H bleheatfluxesc)sensi北京大學學報(自然科學版)網絡版(預印本)2009年第3期effectiveroughnesslength.QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,1972,98(415):213 2217 賈立,王介民.綠洲 沙漠復合地表條件下的局地和有效粗糙度.氣象學報,1999,57(3):346 3578 MasonPJ.Theformationofareally averagedroughnesslengths.Quarte

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