涡度相关仪倾斜订正方法的比较及应用

利用973暴雨项目2002年在安徽肥西观测的涡度相关资料,针对目前涡度相关法中存在的仪器倾斜误差问题,采用两种倾斜订正方法计算湍流参数并进行对比分析.结果表明,三次坐标轴旋转倾斜订正方法和平面拟合方法均可以对仪器倾斜引起的误差进行坐标旋转订正,有效剔除仪器倾斜引起的侧向应力的影响,以及仪彝倾斜时水平方向风速引起的虚假湍流通量,提高了湍流通量的计算精度.两种倾斜订正方法各有一定适用条倬,平面拟合方法优于三次坐标轴旋转倾斜订正方法.     

城市地表湍流观测数据的后处理及质量控制

涡动相关仪基于其观测原理,要求观测仪器所在地表平坦均匀,并要求湍流平稳及充分发展等.为了准确合理的运用观测数据,必须对原始数据进行严格的后处理及质量控制,城市复杂非均匀下垫面上的湍流观测数据进行后处理及质量控制更为重要.本文对2010年7月25日-8月5日架设在南京市委党校33 m高度上的涡动相关观测数据进行了包括野点的剔除、坐标旋转修正、WPL修正以及夜里静稳条件下的修正等后处理及质量控制.结果表明:由于观测期间天气状况较好,本次观测的数据质量相对较好,从而野点值剔除,对地表感热和潜热通量测量结果影响甚微.使用二次坐标旋转及平面拟合方法的结果对通量影响较为一致.而且,为了潜热和CO2通量数据的准确性,空气密度效应订正是必须的.本文观测数据基于夏季城市下垫面,所有时次湍流呈现不稳定层结,经过WPL订正,CO2通量增幅为6.5％,潜热通量增幅为12％;观测期间风速不大,主要风频方向上观测点附近无明显高大建筑,且观测点位置较高,σu,v,w/u*与-z/L基本上满足1/3次方律.经湍流平稳性IST检验,感热及动量通量质量较好.     

LAS在西北干旱区荒漠均匀下垫面的观测研究

利用“古浪非均匀近地层观测试验”的仪器平行对比观测部分试验数据,首先分析荒漠均匀下垫面大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)光径线上等间距架设的4台涡动相关仪(Eddy Covariance System,EC)观测的摩擦速度和感热通量的一致性.然后,基于4种不同下垫面建立稳定度普适函数分析,利用4台EC观测摩擦速度平均值,计算了LAS观测区域的感热通量,进而比较了LAS和EC两者观测值的差异.结果表明,4台EC观测的摩擦速度与感热通量一致性好,摩擦速度的差别＜10％,感热通量的差别在10％左右.4种稳定度普适函数计算的LAS区域感热通量在白天、夜晚与EC观测平均值变化趋势一致,但计算值偏大;TAG (Thiermann and Grassl)稳定度普适函数计算值与EC观测平均值较接近.其主要原因除不同下垫面试验所得稳定度普适函数的差异外,Kipp&Zonen LAS所测感热通量的系统性偏高不可忽视.     

北京城市通量足迹及源区分布特征分析

城市下垫面具有不同于其他下垫面的特殊复杂性,通量的源汇分布十分不均,导致直接测量以及定量的描述城市中水汽、二氧化碳等通量变得非常困难。涡动观测系统在城市通量观测中得到广泛应用,但由于涡动协方差观测系统传感器都架设在一定的高度上,其测量结果只反映特定点下垫面或某部分下垫面的物理过程,不能说明观测结果是否具有下垫面属性的代表性,无法反映观测通量的空间变异性。足迹函数(Footprint)的产生就是为了解决这一问题,其又称源权重函数,是描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间关系的函数。本文采用北京325 m气象塔近1年7层涡动协方差观测数据、超声数据,分析了不同风向、不同稳定度、不同高度下足迹函数所表达的通量贡献区域范围的变化规律。结果表明,在大气稳定条件下时,通量贡献区范围的大小与主风向无显著差异,而不稳定条件下计算结果与主风向无关。在不同高度下所有稳定条件下通量贡献区范围要大于不稳定条件,中性条件则介于两者之间。8 m、16 m高度上的观测结果不能完全代表城市下垫面通量贡献区,47 m以上能够代表城市下垫面通量贡献区,280 m则已经包含了郊区和城区的权重平均。同一大气稳定度条件下,高度越高通量贡献区范围越大,90%通量贡献区范围与观测高度成线性关系,这种线性关系可以预测没有观测高度或者更高处的通量贡献区范围。     

冬季增城丘陵灌木林近地层湍流通量观测数据的质量控制

涡动相关仪获得的湍流数据质量不仅受到传感器构造及当时环境因子的影响,同时可能受到理论假设带来的误差的影响.对2018年1月1日-2月28日冬季增城丘陵灌木林典型下垫面近地层湍流观测数据进行了包括野点剔除、倾斜订正、感热通量的超声虚温订正、WPL修正以及自动增益控制(AGC)修正等后处理及质量控制.结果表明:常规野点剔除方法对于通量计算结果影响较小,AGC对降水和高湿天气十分敏感,能有效的提高能量闭合率;湍流发展充分性检验与平稳性检验显示,可用于基本研究的潜热通量、C02通量、摩擦速度、感热通量分别占样本总量的90.5％,86.4％,83.1％,87.7％,表明通过本研究质控方法处理后的湍流通量观测数据质量可以得到保证,可用于后续的分析.     

涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测通量的空间代表性

在对涡动相关仪和大孔径闪烁仪足迹模型进行敏感性分析的基础上,利用北京密云站2006年8月至2007年12月期间的观测资料,应用足迹模型对观测通量的空间代表性做了初步的分析.结果表明:涡动相关仪和大孔径闪烁仪的源区对风向、Monin-Obukhov长度,空气动力学粗糙度和观测高度/有效高度等因子比较敏感.密云站涡动相关仪的源区白天主要分布在仪器的西南与南面,而夜间则在东北与北面.大孔径闪烁仪的源区为西南一东北向分布.涡动相关仪各月源区形状不同,但大致分布在南北长1000 m、东两宽850 m的范嗣内,而LAS各月源区为西南一东北向分布,长约2060 m,最宽处约为620 m.对涡动相关仪通量有贡献的下垫面主要为园地(67%)和耕地(19%).其中园地的通量贡献比例在夏、秋季比较大,冬、春季稍小,而耕地则相反.大孔径闪烁仪的主要通量贡献源区为园地、耕地和居民地,通量贡献比例分别为49%,28%和11%.其中园地和耕地通量贡献率的变化趋势与涡动相关仪的观测结果一致,但没有涡动相关仪的变化明显.     

紫外辐射传输模式计算与实际测量的比较

利用改进的离散坐标法紫外辐射传输模式,应用各种可测得的实际大气物理参数,模拟了1993年7月24日德国加尔米希-帕特科琛（Garmisch-Partenkirchen,47.47oN, 11.07oE）地面紫外辐射的全天分布,并与1993年秋天第三次欧洲紫外辐射光谱仪比对活动期间通过了严格绝对标定的奥地利英斯布鲁克（Innsbruck）大学的紫外光谱仪的实际观测资料进行了比较,进行了余弦响应订正后,计算与测量的绝对值差别很小,最大误差对地面UVB通量（280～320 nm）是0.07 W/m2（正午的通量为3.2 W/m2）。对UVA（320～400 nm）最大误差是2.6 W/m2（正午通量为54 W/m2）。计算与测量的平均偏差为5%～13%,这表明,地面紫外辐射水平也可以利用其他大气观测资料通过模式计算间接得到。     

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13～26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近, 且3层高度上最大感热通量达到200～250 W·m-2。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m·s-1。同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响,320 m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明：1）夏季晴好天气情况下,北京城市下垫面能量输送以感热为主;2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站——塔中站2014年30 min步长实测数据,系统分析塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡特征及小气候特征。结果表明:塔中地区辐射平衡和能量平衡各分量均表现为春、夏季较大,秋、冬季较小,并具有明显的日变化特征,峰值出现在12:00(地方时,下同)左右。该地区地表能量通量(净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量)中,净辐射、感热通量和土壤热通量均在08:00开始上升,至14:00左右达到峰值,而潜热通量变化很小。感热通量为能量的主要消耗形式,春、夏、秋、冬四季分别占净辐射的百分比为44. 6%、68. 1%、55. 2%和55. 3%,其次为土壤热通量,仅有很少能量用于水的相变。云和沙尘对能量通量各分量有明显削弱作用。近地层空气温度白天随高度的增加降低,夜晚则随高度的增加升高,空气相对湿度也呈明显变化规律。近地层水平风速随高度增加明显增大,风向以东北风为主。     

阿拉山口1957—2007年气候变化特征

根据塔中气象站1996－2008年的气象数据分析、野外观测试验及理论计算,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区近10a来的风沙环境特征进行了初步分析,结果表明：塔中地区地表沙源平均粒径约为2.88φ（136μm）,属于细砂、极细砂;年平均风速均在2.5m·s-1以下,近10a来呈整体下降趋势,风速的月变化呈单峰分布,最大值出现在6—7月,风向与起沙风向以偏东风为主;2m高度的起沙风速约为4.1 m·s-1;年浮尘、扬沙日数呈波动式上升趋势,年沙尘暴日数呈缓慢下降趋势;年风蚀气候因子平均为28.3。     

北京325米气象塔上CO2梯度观测数据质量控制与评价

近些年涡度相关系统在城市通量研究中得到了广泛应用,因城市下垫面的特殊性和复杂性,以及系统观测原理和仪器精度存在着局限性,使得结果存在10%以上偏差,故必须对原始观测数据进行质量控制和评价。本文对北京325 m气象塔七层高度上的CO₂(二氧化碳)、能量等通量进行了长期观测,研究了涡度相关技术在城市环境通量观测中的适用性,设计出了一套适合于复杂城市下垫面上的涡度相关系统资料前处理和质量控制方案,并对比了不同修正方案效果。分析结果表明,城市下垫面环境中计算CO₂通量的最优周期为30 min;二次坐标旋转法优于平面拟合法;频率响应修正后的感热通量提高5.21%,潜热通量和CO₂通量均提高9.42%。空气密度脉动修正Liu法(Liu,2005)优于WPL法(Webb et al.,1980);湍流谱在惯性副区满足-2/3次方定律,协方差谱满足-4/3次方定律。经过这套前处理和质量控制方案,原始数据中有79%能够用于基础研究,该质量控制与评价体系可为复杂城市下垫面通量研究提供参考。     

青藏高原东部草甸下垫面涡旋相关观测数据的质量控制及评价研究

目前利用涡旋相关仪观测地表通量的方法已被广泛采用, 但由于涡旋相关法是建立在方程假设简化的基础上, 这对观测数据的质量提出了一定的要求, 所以对观测数据的处理及通量结果的质量状况分析就显得尤为重要。本文以理塘站2006年7月中到8月中的数据为例, 对其进行质量控制, 并将质量控制后的通量计算结果与原始值进行比较。质量控制后感热通量和潜热通量总和有所增长, 动量通量值则受质量控制影响较大。质量评价的结果为:动量通量、感热通量、潜热通量中高质量数据所占比例为68.2%、60.6%、63.3%。     

Eddy Covariance Tilt Corrections over a Coastal Mountain Area in South-east China: Significance for Near-Surface Turbulence Characteristics

Turbulence characteristics of an atmospheric surface layer over a coastal mountain area were investigated under different coordinate frames.Performances of three methods of coordinate rotation:double rotation(DR),triple rotation(TR),and classic planar-fit rotation(PF) were examined in terms of correction of eddy covariance flux.Using the commonly used DR and TR methods,unreasonable rotation angles are encountered at low wind speeds and cause significant run-to-run errors of some turbulence characteristics.The PF method rotates the coordinate system to an ensemble-averaged plane,and shows large tilt error due to an inaccurate fit plane over variable terrain slopes.In this paper,we propose another coordinate rotation scheme.The observational data were separated into two groups according to wind direction.The PF method was adapted to find an ensemble-averaged streamline plane for each group of hourly runs with wind speed exceeding 1.0 m s 1.Then,the coordinate systems were rotated to their respective bestfit planes for all available hourly observations.We call this the PF10 method.The implications of tilt corrections for the turbulence characteristics are discussed with a focus on integral turbulence characteristics,the spectra of wind-velocity components,and sensible heat and momentum fluxes under various atmospheric stabilities.Our results show that the adapted application of PF provides greatly improved estimates of integral turbulence characteristics in complex terrain and maintains data quality.The comparisons of the sensible heat fluxes for four coordinate rotation methods to fluxes before correction indicate that the PF10 scheme is the best to preserve consistency between fluxes.     

塔克拉玛干沙漠腹地1961-1998年逐月平均气温序列的重建

 利用塔里木盆地周边27个气象站1961-2006年逐月平均气温和塔中气象站1999-2006年逐月平均气温资料,同时选取1961-2006年NCEP/NCAR 2.5°×2.5°经纬度距地表2 m的月平均气温再分析格点资料,分别用逐步回归分析、EOF分解和NCEP资料3种方法对塔中气象站1961-1998年历年逐月平均气温序列进行了恢复与重建,分析了误差,并与周边气象站的变化特征进行对比。结果表明,逐步回归和EOF法都能够作为重建塔中逐月平均气温的方法,但相对而言,逐步回归法重建的序列误差更小,平均拟合绝对误差为0.3℃,最大绝对误差为1.9℃。而NCEP/NCAR资料由于冬季存在明显的系统性误差,数值显著偏高,不能用于塔中气温序列的重建。     

Surface turbulent flux measurements over the Loess Plateau for a semi-arid climate change study

In order to provide high quality data for climate change studies, the data quality of turbulent flux measurements at the station of SACOL (Semi-Arid Climate & Environment Observatory of Lanzhou University), which is located on a semi-arid grassland over the Loess Plateau in China, has been analyzed in detail. The effects of different procedures of the flux corrections on CO₂, momentum, and latent and sensible heat fluxes were assessed. The result showed that coordinate rotation has a great influence on the momentum flux but little on scalar fluxes. For coordinate rotation using the planar fit method, different regression planes should be determined for different wind direction sectors due to the heterogeneous nature of the ground surface. Sonic temperature correction decreased the sensible heat flux by about 9%, while WPL correction (correction for density fluctuations) increased the latent heat flux by about 10%. WPL correction is also particularly important for CO₂ fluxes. Other procedures of flux corrections, such as the time delay correction and frequency response correction, do not significantly influence the turbulent fluxes. Furthermore, quality tests on stationarity and turbulence development conditions were discussed. Parameterizations of integral turbulent characteristics (ITC) were tested and a specific parameterization scheme was provided for SACOL. The ITC test on turbulence development conditions was suggested to be applied only for the vertical velocity. The combined results of the quality tests showed that about 62%–65% of the total data were of high quality for the latent heat flux and CO₂ flux, and as much as about 76% for the sensible heat flux. For the momentum flux, however, only about 35% of the data were of high quality.     

Effects of Coordinate Rotation on Turbulent Flux Measurements during Wintertime Haze Pollution in Beijing,China

Eddy-covariance observations from the Beijing 325-m meteorological tower are used to evaluate the effects of coordinate rotation on the turbulent exchange of momentum and scalars during wintertime haze pollution(January-February 2013). Two techniques are used in the present evaluation; namely, the natural wind coordinate(NWC) and the planar fit coordinate(PFC), with the latter being applied by means of two methods for linear regression(i.e., overall and sector-wise). The different techniques show a general agreement in both turbulent fluxes and transport efficiencies, especially evident at the lower, 140-m level above the ground(compared to the higher, 280-m level), perhaps implying that the selection of a technique for coordinate rotation(NWC or PFC) is less of a concern for a sufficiently low level, despite the complexities of urban terrain. Additionally, sector-wise regression is a recommended approach for practical application of the PFC in a complex urban environment subjected to particulate pollution, because this method is found to produce a better correlation between the mean vertical velocity at the 140- and 280-m heights.     

塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙特征观测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2009-2018年的地面观测资料,细致解析塔中地区的风蚀起沙特征,所得结论如下：(1) 临界起沙风速表现出明显的季节变化特征,夏季＞春季＞秋季＞冬季, 塔中地区的临界起沙风速介于4.47-4.92 m/s,日最大值出现09:00-10:00时。(2) 春夏季是沙尘的多发季节。春、夏季,沙尘水平通量的平均值分别为2638.9 kg/m和3298.9 kg/m,起沙持续时间的平均值分别为291.5 h和336.7 h。(3) 风蚀起沙事件更容易发生在白天, 沙尘水平通的最大值出现在10:00-11:00,起沙持续时间的最大值出现在10:00-13:00。(4)风蚀起沙事件在春季主要集中在偏东方向,在夏季主要集中在偏北方向上。     

塔克拉玛干沙漠腹地雷电活动特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地的塔中气象站1996-2010年地面观测资料对该地区的雷暴和闪电特征进行了分析。结果表明:塔中地区年平均雷暴日数为9.3d,年平均闪电日数为2.7d。塔中地区4月开始出现雷暴和闪电,7月达到最高值,10月至翌年3月之间无雷暴和闪电发生,塔中地区雷暴平均初日为6月1日,平均终日为8月5日。塔中地区雷暴多出现在午后至凌晨,并以30min以内的短时雷暴为主,雷暴出现的最多方位是W和N。     

On drag coefficient parameterization with post processed direct fluxes measurements over the ocean

This study presents an evaluation of the atmospheric factors influencing the post-processing for fast-response data of horizontal momentum, vertical wind component, temperature, and water vapor to measure turbulent fluxes. They are observed at the Ieodo ocean research station over the Yellow Sea during the period of October 2004 to February 2008. The post process methods employed here are composed of quality control and tilt correction for turbulent flux measurement. The present result of quality control on the fast-response data shows that total removal ratio of the data generally depends on the factors such as a wind speed, relative humidity, significant wave height, visibility, and stability parameter (z/L). Especially, the removal ratio of water vapor data is significantly increased on light wind and strong stability conditions. The results show that the total removal ratio of water vapor data increases when wind speed is less than 3 m s^?1 and wave height is less than 1 m. The total removal ratio of water vapor data also increases with the value of the stability parameter. Three different algorithms of tilt correction methods (double rotation, triple rotation, and planar fit) are applied to correct the tilt of the sonic anemometer used in the observation. Friction velocities in near neutral state are greater than friction velocity in other states. Drag coefficients are categorized in terms of stabilities and seasons.     

Detection of Flow Distortions and Systematic Errors in Sonic Anemometry Using the Planar Fit Method

We describe the coordinate transformations that can be used to convert the velocity components measured by a set of sonic anemometers with time-dependent tilt fluctuations into a single, time-independent coordinate system. By applying the planar fit method (PFM) to each anemometer dataset, it is possible, for planar flows, to locate the flow plane at each measurement point and compare its orientation with the topography. Installation on a ship is also considered. An application of this method to intercomparison data has led to the detection of an instrument error due to a misalignment between the assembly of the sonic transducers and the anemometer pedestal. If this error occurs, pedestal levelling does not guarantee that measurements are unbiased. A correction method is proposed and the results of two experiments are shown. Flow planarity at different levels and flow distortion caused by the mast are highlighted. The influence of the error on the evaluation of the Reynolds stresses using PFM or the double rotation method and the triple rotation method is discussed and the tilt corrected stresses calculated using the three methods compared.