非单一水平均匀下垫面空气动力学参数的确定

文章介绍了一种利用单一高度风速、温度湍流资料确定空气动力学参数的方法。该方法无须进行风速廓线的测量，可以应用于非单一水平均匀下垫面和非中性层结，避免了主观性。用该方法计算了北京城市北部边缘325 m气象塔附近的零值位移d和地表粗糙 z0。结果表明:该处下垫面零值位移d和地表粗糙度z0与风向有很强的依赖关系，与气象塔周围的城市建设相对应。     

深圳356米气象塔观测数据的质量控制方法和空气动力学参数研究

气象高塔数据资料弥足珍贵, 对其进行质量控制将为后续科学研究和业务工作的开展提供便利; 此外, 利用塔基观测资料计算空气动力学参数有助于校正模式空气动力学参数理论值。对2017-2018年深圳356 m气象梯度观测塔共13层的每10 s风速、风向、相对湿度、温度探测资料进行数据质量控制, 基于莫宁-奥布霍夫相似理论和数据质量控制后的气象梯度观测塔近地层(10 m、20 m、40 m、50 m和80 m) 1分钟平均的风温资料, 利用最小二乘法拟合迭代计算了近中性条件下深圳气象梯度观测塔下垫面空气动力学粗糙度(z₀)和零平面位移(d)。结果表明:深圳气象梯度观测塔的气象探测资料数据质量很高, 连续两年平均数据缺失率为1.28%, 数据错误率为0.01%。近中性边界层条件下, 深圳气象梯度观测塔下垫面空气动力学粗糙度均值为0.35 m, 零平面位移均值为5.33 m, 结果合理可信。研究表明空气动力学参数受下垫面非均匀性、植株柔软性、气流来向、风速等的共同影响。      

黄河上游玛曲地区空气动力学参数的确定及其在陆面过程模式中的应用

为了定量描述黄河上游玛曲地区草地下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数,利用"黄河源区气候与环境综合观测研究站"2006年9月的湍流观测资料,结合Martano由单层超声观测资料确定下垫面空气动力学参数的方法,计算了黄河上游玛曲地区草原下垫面空气动力学粗糙度z0和零平面位移d,即z0为0.035 m,d为0.143 m。同时,将z0和d应用于陆面过程模式CoLM中,检验其对模式模拟性能的影响,结果表明,改进陆面参数后的模式对感热通量和潜热通量的模拟均有明显改善。     

城市下垫面空气动力学参数的确定

分析近10年北京325m气象塔常年观测资料,研究城市化发展对城市大气边界层动力学结构和特征的影响.结果表明,空气动力学粗糙度和零平面位移总体是逐年递增的.气象塔西南方向的高层建筑群是20世纪90年代初期逐渐建成,在SW方向,空气动力学粗糙度和零平面位移在90年代增加明显,增加的幅度1997年和1999年之间较大,这一点与气象塔西南方向城市化的加快相符合.而在NE、SE和NW方向,从1987年到1994年空气动力学粗糙度和零平面位移增加明显,1994年以后变化较小.     

复杂地形条件下零平面位移和空气动力学粗糙度的计算——以珠海南亚热带常绿阔叶林地区为例

空气动力学粗糙度和零平面位移是影响陆面过程的重要参数。以往对空气动力学粗糙度和零平面位移的计算往往针对均一程度较高的下垫面。以珠海南亚热带常绿阔叶林地区为例,探索了复杂地形下垫面空气动力学粗糙度和零平面位移的计算。用拟合法和粗糙元法计算了该地区下垫面的空气动力学粗糙度和零平面位移,并分析了两种方法的误差来源。计算结果表明,拟合法在这种复杂地形下的计算准确度并不理想,由于这种方法的代表范围较小,易受到周边地形影响而使测量结果不符合对数廓线的形式,从而得不到准确的结果。与拟合法相比,粗糙元法可以给出所计算下垫面的具体范围。粗糙元法计算结果的代表范围比拟合法大得多,因此,粗糙元法比拟合法更加能够反映的是该区域下垫面空气动力学粗糙度和零平面位移的总体情况。另外,粗糙元法可以计算那些因为风速资料不足无法用风速廓线直接加以计算的区域的空气动力学粗糙度和零平面位移。根据拟合法的计算结果,冬季315~45°范围内,z_0=2.96 m,d=22.48 m;45~135°范围内,z_0=1.26 m,d=8.81 m。春夏季315~45°范围内,z_0=3.90 m,d=27.00 m;45~135°范围内,z_0=1.51 m,d=14.83 m。根据粗糙元法的计算结果,东南西北四个方向1 km×1 km范围内z_0分别为0.94 m、1.28 m、1.30 m、2.08 m;d分别为13.87 m、18.79 m、19.12 m、30.61 m。     

峨眉山地区近地层微气象特征研究

基于2019年12月至2020年11月峨眉山站梯度塔资料、辐射观测资料和地表通量资料,采用涡动相关法对峨眉山地区近地层的地表通量和蒸散发量的变化进行分析,并估算了零平面位移、空气动力粗糙度、空气热力粗糙度、动量通量输送系数和感热通量输送系数等重要的空气动力学和热力学参数.研究表明:近地面风速呈现高层高、低层低的特征,且...     

典型特大城市下垫面空气动力学特征参数的计算与分析研究

基于2012年12月—2013年11月上海徐家汇气象铁塔风和湍流观测资料及铁塔周边500m半径范围(平均建筑高度为39.5 m)下垫面信息,分别利用温度方差方法、风速标准差方法、涡度相关法和形态学方法计算典型特大城市下垫面零平面位移和动力学粗糙度。结果表明,温度脉动方差法计算的零平面位移与建筑物高度分布存在差异,但在58~208°方向与建筑顶面积系数呈现正相关(相关系数0.73),计算公式的经验参数、稳定度阈值和风速对计算结果影响较为显著;涡度相关方法和风速标准差方法计算的动力学粗糙度随风向分布趋势相似(相关系数0.94),并与零平面位移呈负相关关系。形态学方法与动力学方法之间数值和随风向的变化趋势均存在差异,风温观测仪器源区和形态学方法分析区域具有显著影响。     

城市下垫面空气动力学参数确定方法综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数，对于城市下垫面，粗糙元的形态非常复杂，空间分布上存在较大的非均匀性，如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法，包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作，并且提出，通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入，粗糙元形态学方法会有更好的发展前景：     

城市下垫面空气动力学参数确定方法研究综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数，对于城市下垫面，粗糙元的形态非常复杂，空间分布上存在较大的非均匀性，如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法，包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作，并且提出，通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入，粗糙元形态学方法会有更好的发展前景。     

利用255m铁塔研究城市化对地面粗糙度的影响

利用天津255m气象塔近10年观测资料,采用风速梯度资料拟合对数风速廓线的方法,定量计算天津255m气象塔空气动力学粗糙度随下垫面的改变情况.结果表明各方位的粗糙度存在明显差异,偏北方向的粗糙度大于偏南方向,但各方位粗糙度在总体是逐年递增趋势,个别年代减小与城市改造有关,粗糙度与城市建筑群高度之间存在线性关系.同时利用冬季风廓线资料研究城市化对边界层风场结构的影响:结果表明受下垫面影响近地面风向逐年趋于紊乱,平均风速呈逐年递减趋势,十年间城市冠层厚度增加10m,2005年城市冠层厚度在40～60m之间.     

盘锦芦苇湿地空气动力学参数动态特征及其影响因素分析

应用盘锦芦苇生态系统观测场的涡度相关通量观测系统和小气候梯度系统的观测资料,估算了芦苇下垫面的空气动力学参数,并分析了其影响因素。结果表明:芦苇湿地零平面位移d和粗糙度Z0的季节变化总体呈现先增加后减少的单峰曲线变化规律。Z0和d均在9月达到最大,分别为0.24 m和1.85 m;12月达到最小,分别为0.03 m和0.02 m。芦苇湿地的Z0和d的季节变化主要受叶面积指数(LAI)、株高(h)及风速的影响。d随h的增加而单调增加,Z0随着h的变化遵循二次曲线,d/h、Z0/h与LAI之间的复相关系数分别为0.99和0.78。研究亦表明,大气稳定度和风向也对d和Z0有一定的影响。     

Estimating Aerodynamic Parameters of Urban-Like Surfaces with Heterogeneous Building Heights

There are many geometrical factors than can influence the aerodynamic parameters of urban surfaces and hence the vertical wind profiles found above. The knowledge of these parameters has applications in numerous fields, such as dispersion modelling, wind loading calculations, and estimating the wind energy resource at urban locations. Using quasi-empirical modelling, we estimate the dependence of the aerodynamic roughness length and zero-plane displacement for idealized urban surfaces, on the two most significant geometrical characteristics; surface area density and building height variability. A validation of the spatially-averaged, logarithmic wind profiles predicted by the model is carried out, via comparisons with available wind-tunnel and numerical data for arrays of square based blocks of uniform and heterogeneous heights. The model predicts two important properties of the aerodynamic parameters of surfaces of heterogeneous heights that have been suggested by experiments. Firstly, the zero-plane displacement of a heterogeneous array can exceed the surface mean building height significantly. Secondly, the characteristic peak in roughness length with respect to surface area density becomes much softer for heterogeneous arrays compared to uniform arrays, since a variation in building height can prevent a skimming flow regime from occurring. Overall the simple model performs well against available experimental data and may offer more accurate estimates of surface aerodynamic parameters for complex urban surfaces compared to models that do not include height variability.     

北京城市下垫面动力学参数的计算与分析

采用北京325 m铁塔2008—2012年的单层超声观测资料,基于莫宁-奥布霍夫相似理论(Monin-Obukhov similarity theory)和前人提出的最小误差分析方法,计算了铁塔周边下垫面的零平面位移高度和动力粗糙度长度。结果表明,由于铁塔位于北京市区,其周边下垫面呈现极其复杂的非均匀性,所以对应铁塔周边不同的扇区,零平面位移高度和动力粗糙度长度各有不同。平均而言,在2008—2012年间,铁塔周边下垫面的零平面位移高度为34.4 m,动力粗糙度长度为1.16 m。此外,综合前人的计算结果发现,铁塔周边的零平面位移高度和动力粗糙度长度在2001年之前呈显著增加的趋势,而在2001年以后并未增长,这一现象与铁塔周边的城市化进程相对应。     

A New Aerodynamic Parametrization for Real Urban Surfaces

This study conducted large-eddy simulations (LES) of fully developed turbulent flow within and above explicitly resolved buildings in Tokyo and Nagoya, Japan. The more than 100 LES results, each covering a 1,000 $\times $ 1,000 m $^{2}$ area with 2-m resolution, provide a database of the horizontally-averaged turbulent statistics and surface drag corresponding to various urban morphologies. The vertical profiles of horizontally-averaged wind velocity mostly follow a logarithmic law even for districts with high-rise buildings, allowing estimates of aerodynamic parameters such as displacement height and roughness length using the von Karman constant $=$ 0.4. As an alternative derivation of the aerodynamic parameters, a regression of roughness length and variable Karman constant was also attempted, using a displacement height physically determined as the central height of drag action. Although both the regression methods worked, the former gives larger (smaller) values of displacement height (roughness length) by 20–25 % than the latter. The LES database clearly illustrates the essential difference in bulk flow properties between real urban surfaces and simplified arrays. The vertical profiles of horizontally-averaged momentum flux were influenced by the maximum building height and the standard deviation of building height, as well as conventional geometric parameters such as the average building height, frontal area index, and plane area index. On the basis of these investigations, a new aerodynamic parametrization of roughness length and displacement height in terms of the five geometric parameters described above was empirically proposed. The new parametrizations work well for both real urban morphologies and simplified model geometries.     

北京城市化发展对大气边界层特性的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京325 m气象塔1993年～2003年夏季 (7月～9月) 的观测资料, 统计分析了各年的风速与温度廓线分布特征。统计分析结果表明, 随着城市化的发展, 相对风速有逐年减小的趋势, 并且越靠近地面, 相对风速的减小越明显, 这反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用。对风速廓线进行线性拟合得到风速随高度的垂直递增率, 发现无论是100 m以下的近地面层还是较高层, 风速的垂直递增率都随城市化发展存在逐年增大的趋势, 表明粗糙下垫面的影响已经向高层扩展。根据温度廓线计算了各年的温度垂直递减率, 发现其有增大的趋势, 这表明城市化发展对边界层热力结构同样有显著影响。本文还依据统计整理得到的近中性层结下的风速廓线资料, 利用莫宁-奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数, 结果表明, 地表粗糙度、 零平面位移随着城市化发展皆有明显增加的趋势。同时, 分析了各空气动力学参数与平均风速及无量纲风速的关系。其中, 摩擦速度和平均风速二者基本成正相关, 且摩擦速度随平均风速的增大而增大的趋势越发明显。本文研究结果对研究城市化发展对区域大气边界层结构、 气候和环境影响有参考意义, 可为城市大气边界层模式和区域气候模式提供参数化依据。     

Aerodynamic Parameters of a UK City Derived from Morphological Data

Detailed three-dimensional building data and a morphometric model are used to estimate the aerodynamic roughness length z ₀ and displacement height d over a major UK city (Leeds). Firstly, using an adaptive grid, the city is divided into neighbourhood regions that are each of a relatively consistent geometry throughout. Secondly, for each neighbourhood, a number of geometric parameters are calculated. Finally, these are used as input into a morphometric model that considers the influence of height variability to predict aerodynamic roughness length and displacement height. Predictions are compared with estimations made using standard tables of aerodynamic parameters. The comparison suggests that the accuracy of plan-area-density based tables is likely to be limited, and that height-based tables of aerodynamic parameters may be more accurate for UK cities. The displacement heights in the standard tables are shown to be lower than the current predictions. The importance of geometric details in determining z ₀ and d is then explored. Height variability is observed to greatly increase the predicted values. However, building footprint shape only has a significant influence upon the predictions when height variability is not considered. Finally, we develop simple relations to quantify the influence of height variation upon predicted z ₀ and d via the standard deviation of building heights. The difference in these predictions compared to the more complex approach highlights the importance of considering the specific shape of the building-height distributions. Collectively, these results suggest that to accurately predict aerodynamic parameters of real urban areas, height variability must be considered in detail, but it may be acceptable to make simple assumptions about building layout and footprint shape.     

渤海西岸空气动力学粗糙度特征分析

利用2009年12月至2010年11月渤海西岸大港风能塔观测得到的风速、风向和温度梯度资料,计算了风能塔周围空气动力学粗糙度Z0。对比分析了风廓线法和风速标准差法的计算结果,讨论了风速标准差法的适用性以及下垫面空间非均一性对粗糙度的影响。结果表明：风能塔三个主风向上的平均粗糙长度为：0.1319m(N),0.0386m(SE)和0.0182m(SW)。通过严格条件限制,利用风速标准差法可以得到与风廓线法相同的计算效果。同一方位上,利用10-30 m资料计算得到的粗糙度长度的季节差异相对较小,而50-70 m的计算结果差异相对较大。在相同高度上,粗糙度长度计算结果亦存在明显季节差异,反映了随季节变化的植被对地表粗糙度的影响。     

The Characteristics and Parameterization of Aerodynamic Roughness Length over Heterogeneous Surfaces

Aerodynamic roughness length (z0m is a key factor in surface flux estimations with remote sensing algorithms and/or land surface models. This paper calculates z0m over several land surfaces, with 3 years of experimental data from Xiaotangshan. The results show that z0m is direction-dependent, mainly due to the heterogeneity of the size and spatial distribution of the roughness elements inside the source area along different wind directions. Furthermore, a heuristic parameterization of the aerodynamic roughness length for heterogeneous surfaces is proposed. Individual z0m over each surface component (patch) is calculated firstly with the characteristic parameters of the roughness elements (vegetation height, leaf area index, etc.), then z0m over the whole experimental field is aggregated, using the footprint weighting method.