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。     

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。     

城市下垫面空气动力学参数的估算

为了定量描述北京城市下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数.利用气象塔大气湍流观测资料,结合Martano(2000)由单层超声风速、温度资料估算非均匀下垫面空气动力学参数的方法,计算了中国科学院大气物理研究所气象塔附近的下垫面空气动力粗糙度z0和零平面位移d,即z0为1.75 m和d为40.12 m.该结果与前人研究成果的比较结果表明最近的8年内,该处的零平面位移和空气动力粗糙度明显增大,这与该塔周围城市建设状况吻合.     

形态学方法在上海城市下垫面空气动力学参数估算中的适用性分析

基于上海市奉贤、青浦和宝山三座梯度观测铁塔半径1 000 m区域的下垫面粗糙元几何形态参数,使用四种形态学方法(Rt, Ra, Ma, Ka)进行空气动力学参数估算,分析各方法计算结果及其对计算参数的敏感性,并以基于铁塔梯度观测数据的动力学计算方法(Lw)结果为参考,进行对比分析。结果表明:(1)在本文研究区域内,形态学方法与动力学方法计算结果在数值和分布趋势上都有差异。其中,形态学方法的零平面位移显著小于动力学方法,Ka方法结果最大,与动力学方法也最为接近;动力学与形态学方法的粗糙度差异相对较小,Ma和Ka与动力学方法结果较为接近。(2)通过对四种形态学方法对计算参数的敏感性的对比,Ka方法对建筑高度及其变化率、建筑排列方式等最敏感。首先,Ka方法计算结果与zH max、σH和z H的相关性均较高,其中zd对建筑高度的非均匀分布更敏感,z0则与zH的相关关系更显著。其次,在本文研究区域中,Ka方法随λF和λP变化最显著,即对建筑排列方式最敏感。(3)通过与动力学方法的对比,认为Ka方法的方案一最适用于以本文研究区域为代表的、上海典型城市下垫面的动力学参数估算。此外,在观测资料、形态学数据较少的情况下,Rt方法可作替代方案进行计算和分析。     

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。     

鄱阳湖地区零平面位移及动力粗糙度的计算

利用2013年7月1日至2014年6月30日鄱阳湖东岸70 m铁塔涡动相关观测资料,应用Martano方法和TVM（Temperature Variance Method）方法分别计算了该地地表零平面位移d和粗糙度z₀,通过代回Monin-Obukhov相似性理论的风廓线关系计算摩擦速度,以验证与实测摩擦速度的一致性。速度和温度标准差的归一化拟合线分别与Panosky等和Tillman给出的曲线趋势一致,表明该站观测数据总体满足近地层相似性。Martano方法计算结果随季节变化较大,春夏季的粗糙度是秋冬季的6.3倍;陆面方向零平面位移和粗糙度分别为来自湖面的2倍和10倍;Martano方法比TVM方法对季节和方向的敏感性更强。Martano方法计算得到零平面位移和粗糙度对摩擦速度造成了约9.9%的高估;而TVM方法对摩擦速度造成了约32.8%的高估;Martano方法计算的摩擦速度和观测值的一致性更好。     

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。     

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。      

基于MODIS资料的中国东部时间序列空气动力学粗糙度和零平面位移高度估算

空气动力学粗糙度和零平面位移高度是很多气候模型和陆面模式中的重要参数,采用气象学方法推导这两个参数对于大范围长时间序列的计算需要大量长期的野外观测,而遥感方法可以快速经济的提供大范围数据,在本研究中采用形态学模型,以MOD IS产品数据作为数据源,计算植被冠层面积指数,估算了中国东部2001—2003年归一化到植被高度的1 km空间分辨率时间序列空气动力学粗糙度和零平面位移高度,结果表明空气动力学粗糙度和零平面位移高度均存在季节变化特征,并对所采用的模型和参数估算的结果进行了讨论。     

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。     

高大建筑物影响城市粗糙副层流场特征的数值研究

用数值模拟方法研究了高大建筑物对城市粗糙副层气流场特征的影响。数值模式采用基于雷诺平均纳维—斯托克斯方程组的应用计算流体力学FLUENT软件,次网格湍流参数化选用k-ε闭合方案。建筑物用立方体表示,并规则排列于模拟区域内。通过改变高大建筑物的数量与位置,对建筑物阵列内及其上空的气流特征进行了多个算例的数值模拟。依据模拟结果计算获得建筑物区域的面积平均风速廓线,结果表明各算例的粗糙副层风速廓线各不相同。运用动力学方法由风速廓线计算出各算例的零平面位移高度和粗糙度,并与几种计算零平面位移高度和粗糙度的形态学方法进行了比较检验。结果表明两种形态学方法(Ba、Ma)计算所得的零平面位移高度与动力学方法计算结果很接近,但对于粗糙度而言,几种形态学方法的计算结果都明显偏高。     

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。     

黄土高原半干旱区非均一下垫面粗糙度分析

利用2007年4月17日-2008年4月16日兰州大学半干旱气候与环境观测站边界层气象塔的风速、 风向、 温度、 气压、 湿度等观测资料, 采用经典的廓线法和风速、 风向标准差法, 分别计算了中性大气层结下观测站下垫面粗糙度长度, 并得到了具有黄土高原地理特征的地表粗糙度及其时空变化特征。计算结果表明, 季节变化对粗糙度的影响幅度可达0.159 m, 空间非均一性对粗糙度的影响幅度可达0.155 m。测站附近粗糙度春季为0.017 m, 夏季为0.062 m, 秋季为0.065 m, 冬季为0.018 m。测站西北方向上游粗糙度春季为0.17 m, 夏季为0.22 m, 秋季为0.34 m, 冬季为0.05 m。测站东南方向上游粗糙度春季为0.11 m, 夏季为0.17 m, 秋季为0.19 m, 冬季为0.05 m。该站下垫面粗糙度计算宜选用风速为6±1.5 m·s-1, 风向变化30°范围内的数据。     

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：     

河西走廊下垫面粗糙度实测值与模拟值的差异性分析

利用甘肃省河西地区17个风塔观测资料和风向风速标准差法,计算了风塔处的下垫面粗糙度,并与中尺度数值模式ARPS中使用的粗糙度参数进行了比较分析。结果表明,数值模式中使用的粗糙度值和实况具有一定差异,其使用的粗糙度定义方案并不能准确地反映出下垫面粗糙度和非均一性特征。差异最大出现在草原下垫面上,可达375%,且差异程度随下垫面植被复杂程度增加。     

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。     

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.     

深圳气象梯度塔与测风激光雷达观测对比分析

为了更好的了解WindView 10多普勒风廓线激光雷达的准确性,2017年7月在深圳石岩气象综合观测基地进行了一次成功的风速风向观测对比试验(时间为2017年7月20—30日),利用356 m气象梯度塔与测风激光雷达测得的风数据进行了不同时次和不同高度(40、80、100和150 m)的对比,结果表明:梯度塔和雷达在300 m以下高度范围内风速风向的观测结果比较一致,各层风速风向结果的标准差、最小最大值、均值、中位数都非常接近。风速的均值偏差最小为-0.000 09 m/s,标准差偏差最小为0.002 63 m/s,风向均值偏差最小为0.169 83°,标准差偏差最小为-1.304 83°。4层高度风速风向的相关系数都很高,风速的相关系数普遍在0.95以上,风向由于360°的过零问题导致相关系数较低,但也普遍大于0.75。同时,激光雷达测得的风速均值普遍小于梯度塔,风向均值在低层小于梯度塔,在高层则偏大。验证结果表明,该型多普勒测风激光雷达是一款观测结果可靠的低层大气风廓线测量仪器。     

基于近地层垂直速度能谱尺度特征确定复杂下垫面零平面位移

本文利用位于南京市郊区的南京大学仙林校区SORPES观测站多层湍流观测数据分析了湍流谱特征,以白天不稳定条件下垂直速度能谱谱峰对应的长度尺度也就是离地高度为判据,探讨了运用该方法确定复杂下垫面零平面位移的可行性。统计分析表明,该方法确定的长度尺度呈现出较为一致的概率分布形状,概率最大的长度尺度对应于离地高度,在复杂下垫面情况下这个高度就是零平面位移高度到观测高度之间的距离,将观测点的离地高度减去这个距离就能得到零平面位移。本文同时运用不稳定条件下垂直速度方差在近地层中的相似关系来确定零平面位移,并与谱方法得到的结果进行对比。结果表明,谱方法和方差法得到的零平面位移非常接近。     

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。