植物冠层内物质交换特征的实验研究

使用湍流和SO2通量梯度测试资料，对植被冠层内物质交换特征进行了详细研究，揭示了一些有意义的结果: 植物的生物过程对物质的吸收作用非常明显； 在冠层内物质通量是随冠层深度加大而明显减小；对高的植被，上层沉积速度(Vgu)大于下层 (Vgd)； 冠层内的沉积速度(Vg) 表现出明显的日变化，冠层内物质的生物吸收作用与太阳总辐射量有直接联系；冠层的Vg与速度尺度V＊和平均风成正变关系；森林的Vg比麦地小；新的Vg理论公式能更好地预测重庆森林和麦地的结果。     

松林冠层大气湍流结构观测研究

为了更好地了解大气与物质和能量交换，用二层三维超声风速温度仪测量了重庆市郊松林风速和温度脉动值。采样速率为每秒１次和１１次，数字量记录。计算了湍流动最通量和热通量的日变化，以及湍流风速的统计量和功率谱。结果表明，冠层上动量通量向下传输，而冠层内大多向上传输；冠层内湍流风速ｕ的三阶矩平均值大于零，ｗ的小于零；冠层上无因次湍流风速分量ｕ，ｗ标准差和无因次湍流动能耗散率与局地Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ长     

森林冠层边界层湍流传输的观测和数值模拟

文中分析和模拟了森林冠层上下动量、热量和水汽传输的特征。结果表明：冠层对动量的吸收十分明显,非局地扩散通量在冠层上下的动量传输中起着很大的作用;白天在冠层下层结稳定,但冠层下观测的感热通量向上传输;夜晚冠层下层结不稳定,但冠层下观测的感热通量向下传输,白天和晚上都出现了热量的反梯度传输现象,从而证明在热量输送中,非局地扩散通量不可忽视。同时对冠层上下的水汽交换特征的分析表明：非局地扩散通量是冠层内水汽向冠层上传输的主要机制。     

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响.模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变.在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大.城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大.     

防护林地区近地面层湍流结构及通量特征研究

本文采用在大面积防护林地区近地面边界层中采集的湍流、辐射和廓线梯度资料,计算并分析了湍流结构及通量特征。结果表明:当-0.1<ξ<0.1范围内时,湍流动能,湍流强度随稳定度变化迅速;位温宏观量σ/θ_*服从σ_θ/θ_*=A(-ξ)~(1/3)规律,A=0.60;在湍流混合强烈时,林网内下层出现负潜热通量现象,并且林网上层潜热通量明显大于下层;湍流热通量则相反。本文还对计算湍流热通量和潜热通量的方法的适用性也做了比较,并且分别进行了误差分析。     

北京地区一次强沙尘天气过程的中尺度通量特征

应用大气所325 m铁塔的湍流资料和梯度资料,对2003年3月20～23日影响北京的一次强沙尘天气过程的中尺度通量和湍流通量进行了分析,结果表明:冷空气的影响是从上层开始的.沙尘爆发前,边界层有强逆温存在,动量以中尺度输送为主,湍流很弱.沙尘爆发时,向下的湍流动量通量明显加大.湍流动量通量是沙尘沉降的主要原因,但沙尘爆发前的中尺度过程不能忽略.沙尘爆发前后,感热通量均以小尺度的湍流输送为主,中尺度输送不明显.     

珠海凤凰山森林下垫面干季和湿季气象要素的对比分析与动量和感热交换系数的参数化研究

利用珠海凤凰山陆气相互作用观测塔站2014年11月至2016年5月的观测数据,对比分析了干湿季森林下垫面能量通量和气象要素的变化特征,分析了在不同稳定度下3个风向范围（315°～45°、45°～135°和135°～225°）的动量和感热交换系数随冠层表面风速的变化特征,并对动量和感热交换系数进行了参数化研究。结果表明:干季感热和潜热通量值相当,湿季潜热远大于感热。干季和湿季的夜晚都出现负感热现象,感热从大气向森林输送。相对湿度的变化幅度大,与该地气象状况密切相关,相对湿度的垂直梯度夜晚较大,白天较小。干季的气温垂直梯度比湿季的明显。风速在冬季变化平缓,夏季变化剧烈,低层风速随高度变化梯度明显,高层较紊乱。各高度风向差异不大。中性和近中性状态下,在风向为315°～45°、45°～135°和135°～225°时,动量交换系数C_dn分别为0.05、0.0055和0.022,感热交换系数C_hn分别为0.0055、0.003和0.004。在稳定和不稳定状态下,动量交换系数C_d、感热交换系数C_h随冠层表面风速v明显发生变化,稳定条件下,C_d、C_h随v的增大而增大;不稳定条件下,C_d、C_h随v的增大而减小。分不同风向对森林冠层C_d、C_h在稳定和不稳定条件下与v的关系进行了拟合,得到了参数化公式。     

简单生物圈模式 (SiB2) 中湍流能量通量对近地层两类阻抗系数的敏感性研究

陆—气之间的能量交换是通过近地层湍流热量和水汽通量来实现的.以往的研究表明近地层阻抗对湍流能量通量有着不同程度的影响,但是关于陆面模式中阻抗系数的取值范围却始终没有统一的标准.为了深入了解简单生物圈模式 (SiB₂) 中近地层阻抗系数取值变化对湍流能量通量的影响,我们以那曲站为例,分别采用传统的逐个因子分析法和考虑参数间相互作用的部分因子分析法定量地研究了夏季该观测站近地层湍流能量通量分别对冠层阻抗系数C₁和地表阻抗系数C₂的敏感性响应.结果表明,感热通量对地表阻抗系数C₂更为敏感,而潜热通量则对冠层阻抗系数C₁较为敏感;感热通量随C₁增加而增大,随C₂增加而减小,而潜热通量则随C₁或C₂的增加而减小;不管是感热通量还是潜热通量,它们对阻抗系数的敏感度随阻抗系数的增大而减小,而对阻抗系数的相对敏感度则随阻抗系数的增大而增大.最后,结合那曲站夏季下垫面稀疏短草的分布特点分析了造成感热通量和潜热通量敏感变化各异的原因.     

淮北棉区花铃期冠层不同高度叶片光合特性的差异

基于多层二叶模型,在自然群体条件下,将棉花冠层分为上、中、下三层,研究淮北棉花花铃期冠层上、中、下层,阴叶（无直射光照射）与阳叶（有直射光照射）的光合特性的差异。结果表明,同一高度阳叶的光量子通量密度与光合速率显著大于阴叶;不同高度叶片光量子通量密度与光合速率均表现为上层阳叶〉中层阳叶〉下层阳叶,上层阴叶〉中层阴叶〉下层阴叶;上层阳叶气孔导度大于阴叶,中、下层阴、阳叶的气孔导度无显著差异;上部叶片气孔导度〉中部叶片〉下部叶片;同一高度阳叶胞间二氧化碳浓度显著小于阴叶,随着冠层深度（形态学自上而下）的增加,两者差异增大;不同高度叶片胞间二氧化碳浓度随着冠层深度的增加,呈增加趋势,阳叶差异不显著,阴叶差异显著。     

青藏高原珠峰绒布河谷地区近地层湍流输送特征

利用2006年6月和2007年6月中国科学院HEST大气科学实验在珠峰绒布河谷地区获取的近地层湍流观测资料,分析了近地层湍流谱特征和方差统计特征,讨论了上下2层(2m和8m)基本气象要素和湍流通量的日变化特征.结果表明,珠峰地区湍流能谱基本上符合Monin-Obukov相似性理论在惯性副区的变化规律;由于山谷复杂地形和下垫面的影响,湍流方差统计值均小于高原其它地方;珠峰地区近地层感热通量白天下层大于上层,夜间相反;潜热通量一天内基本上上层大于下层.     

长江三角洲常熟地区近地层湍流特征的研究

利用1999年5－9月长江三角洲常熟地区的湍流脉动观测资料，分析了该地区感热，潜热和动量通量的日变化以及湍流强度和湍流谱特征，结果表明：该地区各能量的日变化与常见情况相同，白天潜热通量的输送占主导地位，感热通量比潜热小得多，且湍流的日变化与天气的关系非常密切，晴天比阴天要大得多。湍流强度和湍流谱的分析结果表明，在近中性条件下，常熟地区各方向湍流强度接近典型平坦下垫面的值。非中性条件下，垂直方向规一化标准差与稳定度的关系都较好地满足1／3次幂定律，水平方向没有垂直方向上的规律好，特别是稳定条件下，数据点分散性大；各风速分量变在高频段满足理论上的－2／3次幂定律，纵向和垂直方向速度谱的峰值频率与典型平坦下垫面上的结果一致，总体输送系数CD，CH与稳定度的关系密切，随稳定度增加有减小的趋势。     

冠层内动量和物质吸收特征的数值研究

本文设计了一冠层(CL)和大气边界层(ABL)之间物质和动量交换的耦合模式,并对CL内风速、物质随高度分布和日变化作了数值模拟.结果表明,由大尺度扩散引起冠层低层的第二个风速极大和多极值的浓度分布,CL内湍流通量和物质浓度随高度减小而迅速降低,以及CL动量减小对浓度分布的重要影响,模式都能很好地描述,模拟结果与观测事实有好的一致性.利用浓度和温度廓线相似假设,导出了质量汇的经验关系.     

沙漠地区沙尘天气近地层湍流输送特征分析

利用1996－04－20－50－10在内蒙古自治区吉兰泰气象站以及1997－04－05－27在内蒙古自治区阿拉善右旗气象站观测到的风，温，湿廓线资料，应用空气动力学方法，计算了每天各观测时次的流动量通量，湍流感热通量和湍流潜热通量，并且比较分析了荒漠下垫面不同沙尘天气状况下的湍流动量通量，感热通量和潜热通量的日变化。结果表明，在沙漠地区春季无降水天气状况下，晴空条件下，白天热力湍流基于动力湍流，在近地层最重要的物质交换是湍流感热交换，浮尘天气条件下，近地层湍流输送较晴空天气条件下弱；扬沙天气条件下，近地层湍流感热交换和湍流动力量流感热通量的峰值大于交换，并且湍流动量通量的峰值较晴空峰值大将近一个量级，湍流感热通量的峰值大于浮尘天气峰值，但小于晴空条件下峰值，沙尘暴天气条件下，湍流动量通量和感热通量一样都是最重要的湍流交换，湍流交换强于扬沙天气，强的感热对沙漠地局地性沙尘暴的产生和加强起着重要作用。     

Impact of Eddy Characteristics on Turbulent Heat and Momentum Fluxes in the Urban Roughness Sublayer

Eddy-covariance observations above the densely built-up Centre of Nanjing were made from December 2011 to August 2012. Separate eddy-covariance systems installed at two levels on a 36-m tower located on a rooftop were operated simultaneously, and observations grouped into two sectors (A, B) according to the prevalent wind directions. For sector A, where the nearby buildings are all below the lower measurement level, the sensible heat and momentum fluxes are generally greater at the upper level. For sector B, where several high-rise buildings are located upwind, the sensible heat and momentum fluxes at the upper level are close to those at the lower level. The analysis shows that the turbulent eddy characteristics differ between the two wind sectors, leading to a different behaviour of turbulent exchange between the two levels. A hypothesis is proposed that addresses the vertical variation of turbulent fluxes in the urban roughness sublayer (RSL). For sector A, the buildings block the flow, change the trajectory of scalars, and distort the footprint of scalar fluxes; this ‘blocking effect’ is believed to lead to a smaller sensible heat flux above the canopy layer. Such an effect should decrease with height in the RSL, explaining the increase of the observed turbulent heat flux with height. In addition, the presence of non-uniform building heights adversely affects turbulence organization around the canopy top, and likely elevates the inflection point of the mean flow to a higher elevation close to the upper measurement level, where larger shear results in a larger momentum flux. For sector B, wake effects from the nearby high-rise buildings strongly reduce turbulence organization at higher elevations, leading to similar sensible heat and momentum fluxes at both measurement levels.     

Assessment of Gradient-Based Similarity Functions in the Stable Boundary Layer Derived from a Large-Eddy Simulation

Most of our knowledge on forest-edge flows comes from numerical and wind-tunnel experiments where canopies are horizontally homogeneous. To investigate the impact of tree-scale heterogeneities (\({>}1\) m) on the edge-flow dynamics, the flow in an inhomogeneous forest edge on Falster island in Denmark is investigated using large-eddy simulation. The three-dimensional forest structure is prescribed in the model using high resolution helicopter-based lidar scans. After evaluating the simulation against wind measurements upwind and downwind of the forest leading edge, the flow dynamics are compared between the scanned forest and an equivalent homogeneous forest. The simulations reveal that forest inhomogeneities facilitate flow penetration into the canopy from the edge, inducing important dispersive fluxes in the edge region as a consequence of the flow spatial variability. Further downstream from the edge, the forest inhomogeneities accentuate the canopy-top turbulence and the skewness of the wind-velocity components while the momentum flux remains unchanged. This leads to a lower efficiency in the turbulent transport of momentum within the canopy. Dispersive fluxes are only significant in the upper canopy. Above the canopy, the mean flow is less affected by the forest inhomogeneities. The inhomogeneities induce an increase in the mean wind speed that was found to be equivalent to a decrease in the aerodynamic height of the canopy. Overall, these results highlight the importance of forest inhomogeneities when looking at canopy–atmosphere exchanges in forest-edge regions.     

RADIATION BALANCE AND TURBULENT FLUX CHARACTERISTICS OVER MIZUHO STATION IN ANTARCTICA

In this paper,by using measurements in micrometeorology and radiation balance in the surface layer(Yamanouchiet al.,1981;Wada et al.,1981;Ishikawa et al.,1982;Ohata et al.,1983),we have analyzed the diurnal and annual varia-tion characteristics of radiation balance in spring,summer,autumn and winter,and calculated the momentum flux andsensible heat flux with the aerodynamic method and profile gradient alternate method in different seasons.We have alsoobtained the diurnal variation characters of the latent heat flux from the equation for energy balance.The results fromthe calculation are compared.Finally,the relationship between the turbulent heat and momentum exchange coefficientand the diurnal variation of the Richardson number is discussed.     

NUMERICAL SIMULATIONS OF TURBULENT FLOW IN AND ABOVE PLANT CANOPIES

The turbulent flow in and above plant canopies is of fundamental importance to the understanding oftransport processes of momentum,heat and mass between plant canopies and atmosphere,and to microme-teorology.The Reynolds stress equation model(RSM)has been applied to calculate the turbulence in cano-pies in this paper.The calculated mean wind velocity profiles,Reynolds stress,turbulent kinetic energy andviscous dissipation rate in a corn canopy and a spruce forest are compared with field observed data and withWilson's and Shaw's model.The velocity profiles and Rynolds stress calculated by both models are in goodagreement,and the length scale of turbulence appears to be similar.