地表湍流通量计算方法的研究综述

地表通量的计算方法主要有:以能量平衡为基础的Bowen比能量平衡法、以相似理论为基础的空气动力学方法以及以精度比较高的观测仪器为基础的涡旋相关法。本文对这些计算方法进行了简单的讨论,并介绍了涡旋相关观测系统原始资料的处理方法及一些物理量修正方案的研究进展。对存在的问题进行了一定的讨论。      

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%。     

那曲高寒草地上四种地表通量计算方法的对比

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月至2014年8月自动气象站(AWS)和涡动相关系统(EC)的观测资料,基于空气动力学法、地表能量平衡组合法、总体输送法以及涡动相关法,计算了高寒草地下垫面的湍流通量,并对不同方法计算结果间的一致性和差异性进行了分析。结果表明,不同方法计算的湍流通量特征具有明显的差异。地表能量平衡组合法满足能量平衡关系,但在早晨和傍晚层结转换期间,计算的湍流通量出现异常不稳定值;空气动力学法计算的湍流通量在整个观测期与涡动相关法计算的湍流通量相关性最高,但在大气稳定度参数接近0,计算结果不稳定;总体输送法计算的通量数据在地气温差为负值时发散明显,但该方法原理简单,适合在只有常规观测项目的业务气象站或在气象观测项目不全的野外台站使用。空气动力学法和地表能量平衡组合法与涡动相关法的湍流通量的平均偏差相对较小,而总体输送法平均偏差相对较大。研究方法和结果除了为这些方法的使用提供参考外,也为建立长时间通量序列提供了一个较为合理的依据,有助于深入了解高原地气相互作用。     

成都平原农田下垫面地表通量特征及能量平衡分析

地表能量平衡是地-气间相互作用的重要方式,随着涡旋相关技术在物质传输和能量交换研究中的广泛应用,如何评价其观测数据的可信度则变得尤为重要。利用成都平原温江大气边界层观测站2008年观测资料,分析了农田下垫面上能量收支各分量和辐射平衡各分量的特征及变化规律,并运用最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)线性回归方法和能量平衡比率(Energy Balance Ratio,EBR)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与地表土壤热通量之差)之间的关系进行了研究,得到了一些有意义的结果。      

盘锦芦苇湿地水热通量计算方法的比较研究

利用2005年7月盘锦芦苇湿地生长旺季的小气候梯度系统30 min观测资料和开放式涡动相关系统10Hz原始观测资料,比较并分析了廓线法、波文比能量平衡法与涡动相关法计算的芦苇湿地生态系统水热通量。结果表明:廓线法与波文比能量平衡法计算的芦苇湿地生态系统水热通量与涡动相关法得到的芦苇湿地生态系统水热通量具有较好的相关性,但是涡动相关法存在能量不平衡。分析盘锦芦苇湿地生态系统水热通量的日变化发现,能量平衡各分量基本上以正午为中心,呈倒“U”型分布。用波文比法计算得到的芦苇湿地生态系统日感热通量最大值为164.25 W.m-2,日潜热通量最大值为294.18 W.m-2。降雨之后,芦苇湿地生态系统水热通量都有所增加,尤其是潜热通量增加显著,且峰值出现时间提前。     

涡旋相关法测定湍流通量偏低的研究

针对野外实验所发现的不同观测法测定地表能通量不平衡问题,进行了均匀加热大气边界层的大涡模拟实验.用模拟的湍流风、温度和湿度涨落的时间序列证实,对流边界层低频涡普遍存在,并经常以一簇一簇热泡的形式出现.风速较小时,有限时长的取样不足以捕捉低频涡的贡献,可造成涡旋相关法测量的统计量异常偏低.仿照涡旋相关法的步骤进行数据处理发现,经去除平均或趋势计算的温度和湿度通量偏低程度在边界层下部随观测高度的增高而显著,其中尤以湿度通量为甚.其结果在一定程度上可以解释低风速条件下地表能通量测量的不闭合问题,但是尚不能完全解释诸如青藏高原实验出现的严重不闭合.文中对此作了探讨性的讨论.     

GAME/Tibet实验中感热通量计算方法的讨论

回顾了前人对感热通量的分析研究，详细分析了计算感热通量公式的推导过程。结合GAME／Tibet那曲近地面通量观测站1998年6月6日到9月13日的观测资料验证了近地面层逆梯度热输送现象的存在；并比较了两种不同计算感热通量的方法。同时，对简化生物圈模式(SiB2)计算感热通量方案进行了分析。主要结论有：(1)由于用涡旋相关法测量得到的总体感热通量本身已经包含了非局地热(冷)泡运动的影响，所以在非均匀下垫面上，传统的闭合方案必然会“遭遇”能量不平衡。这里，非均匀下垫面可能是导致能量不平衡的关键所在。(2)在今后的有关热通量研究中，有必要仔细研究非局地热(冷)泡运动对热通量的贡献，而为了更好地理解这种贡献，应用陆面过程模式研窑能量平衡是必需的。     

利用变分法计算西北典型干旱区地表通量的研究

利用2000年5～6月在敦煌进行的陆面过程野外观测试验加强期的观测资料,采用变分法计算了西北干旱区荒漠戈壁的地表感热通量和潜热通量,并与Bowen比能量平衡方法(简称BREB法)的结果进行了对比.结果表明:变分法由于同时应用了地表能量平衡方程和相似性廓线方程,充分利用了边界层观测资料的信息,避免了BREB法中出现在Bowen比接近于-1时产生的计算不稳定和虚假的峰值,使计算的通量结果更趋合理和稳定.同时也计算了动量和感热的总体输送系数,与已有结果比较表明也具有合理性.     

广州番禺地区草地陆气相互作用观测研究

介绍了2004年在广州番禺进行的陆气相互作用观测试验。观测研究表明:新型的超声风温仪虽然带有雨滴防护沙网, 但雨滴对超声观测的误差影响显著, 尤其是对u, w方向。雨天情况下与z/L相关系数很低, 湍流强度与稳定度不存在1/3次方关系。涡动相关法和能量平衡法计算的感热通量及潜热通量比较接近, 感热、潜热通量相关系数分别达到0.8699和0.8633, 两种方法带来的误差主要发生在近地层稳定度发生明显变化的时刻, 即在午间热通量的峰值或傍晚或晚间热通量的低值, 其中能量平衡法计算的感热、潜热普遍具有较大的正负峰值。涡动相关法计算的Q_h+Q_e普遍偏小, 与可用能量R_n-Q_g多数情况下存在能量不平衡, 说明了忽略热存储项的地表能量平衡方程的局限性。番禺夏、秋季近地层各能量具有与太阳辐射相似的日变化特征, 但夏季的潜热大于感热, 而秋季则相反。近地面二氧化碳从5—8月是一个减低过程, 尔后上升到12月份浓度最高, 总体浓度值在350×10-6~400×10-6之间变化。     

大气中一半的二氧化碳消失到哪里去了?

简要介绍目前国外研究大气二氧化耐烦收支的测量方法。主要讨论利用涡旋相关法进行近地面能量,二氧化面碳通中遇到的问题以及近年来北美地区进行的大规模地面测量所取取得的主要成果。     

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.     

SURFACE IMBALANCE ENERGY CALCULATED AND ANALYZED WITH THE DATA OF EBEX-2000*

Mainly.three methods have been developed to calculate turbulence heat flux.They are eddy covariance method,Bowen ratio/energy balance method and aerodynamic method.In this paper, all the three methods have been used to calculate sensible heat flux,latent heat flux and imbalance energy near the surface with the experiment data of EBEX-2000.Then comparisons of the three methods and some possible explanations of the surface imbalance energy are given.     

Testing of the bandpass eddy covariance method for a long-term measurement of water vapour flux over a forest

The bandpass eddy covariance method has been used to measure the turbulent flux of scalar quantities using a slow-responsescalar sensor. The method issimilar in principle to the traditional eddy correlation method but includes the estimation of high-frequency components of the flux on the basis of cospectral similarity in the atmospheric surface layer. In order to investigate the performance of the method, measurements of the water vapour flux over a forest with the bandpass eddy covariance method and the direct eddy correlation method were compared. The flux obtained by the bandpass eddy covariance method agreed with that by the eddy correlation method within ±20% for most cases, in spite of a rather slow sensor-response of the adopted hygrometer. This result supports its relevance to a long-term continuous operation, since a stable, low-maintenance,general-purpose sensor canbe utilized for scalar quantities. Oneweak point of the method isits difficulty in principle to measure the correct flux when the magnitude of the sensible heat flux is very small, because the method uses the sensible heat flux as a standard reference for the prediction of undetectable high-frequency components of the scalar flux. An advanced method is then presented to increase its robustness. In the new method, output signals from a slow-response sensor are corrected using empirical frequency-responsefunctions for the sensor,thereby extending the width of the bandpass frequency region where components of the flux are directly measured (not predicted). The advanced method produced correct fluxes for all cases including the cases of small sensible heat flux. The advanced bandpass eddy covariance method is thus appropriate for along-term measurement of the scalar fluxes.     

塔中涡动资料不同坐标旋转方法比较分析

坐标旋转是涡动协方差(EC)通量观测数据后处理当中必须进行的步骤,本文利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中西面标校站自然沙丘上3 m高度和塔中本站32 m高度2009年4—10月湍流通量数据,对比分析了不同坐标旋转方法在塔中通量观测数据中的应用。结果表明,塔克拉玛干沙漠腹地塔中湍流各通量在旋转订正前后差别不显著,不订正造成的通量计算误差1%。塔中32 m和塔中西站3 m通量计算误差,与两个站点的采集仪器架设高度差别较大有关。即使对于相对平坦的下垫面,也必须要进行倾斜校正,以修正地势、仪器振动、安装倾斜等产生的虚假信息。本研究对塔中涡动资料进行旋转时采用了二次坐标旋转方法。此结果为塔克拉玛干沙漠腹地EC通量观测的风速仪倾斜校正提供参考。     

高山草甸下垫面夏季近地层能量输送及微气象特征

利用青藏高原东坡理塘站2007年6～8月的观测资料, 分析了高原东坡草甸下垫面夏季近地层气象要素和湍流通量日变化特征, 并用涡动相关法估算地面的曳力系数。结果表明: 水平风速、 动量通量、 摩擦速度等均在下午最大, 早晨最小。二氧化碳浓度表现为早晚高、 中午低的日变化特征, 比湿的最大值出现在早晨。地表辐射、 热量平衡各分量最高值出现在中午, 最低值出现在早晨。地表反照率表现出早晚高中午低的 “U” 型分布, 日平均值为0.164。夏季地面热源强度在白天午后表现为强的热源, 在夜里表现为弱的冷、 热源交替出现。夏季近地层地气热量交换中, 感热输送作用小, 潜热输送占主要地位。     

盘锦湿地芦苇群落蒸发散模拟研究

根据2005年盘锦芦苇湿地监测站的小气候梯度监测数据和涡动通量观测数据,结合芦苇生理生态特性观测资料,采用波文比-能量平衡法、Penman-Monteith模型对盘锦湿地芦苇群落蒸发散进行模拟,并与涡动相关系统的实测资料进行比较。结果表明:Penman-Monteith模型更适合芦苇群落蒸发散的模拟,可为芦苇湿地蒸发散的计算提供依据。     

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行“源区”分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和“源区”有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。