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.     

洱海湖滨农田下垫面大口径闪烁仪与涡动相关仪测量的湍流热通量对比分析

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,比较分析了两种仪器测量湍流感热和潜热通量的差异特征。结果表明,LAS测得的湍流感热和潜热通量与EC测得的均有较高的相关性,相关系数分别为0.85和0.90。两种仪器测量结果差异均存在显著的昼夜和季节变化。昼夜变化表现为白天时段LAS的平均感热(潜热)通量比EC的偏小15.6 W·m-2(偏大94.6 W·m-2);夜间时段则相反,LAS比EC的偏大9.3 W·m-2(偏小40.6 W·m-2)。季节变化表现为湿季(5-8月、10月)LAS的平均感热通量比EC的偏小6.9 W·m-2,干季(4月)LAS的平均潜热通量比EC的偏小2.1 W·m-2,其他月份则相反,LAS比EC测得的感热(潜热)偏大5.7(18.1)W·m-2。     

微波波段大气折射率结构常数的仿真研究

大气折射率结构常数描述了大气湍流起伏的强弱,它表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度。光波和无线电波在大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生各种不良效应,如:光斑漂移、闪烁、相位起伏等。因此,对大气折射率结构常数的研究具有重要的意义。本文利用常规探空资料对微波波段大气折射率结构常数进行了仿真研究,结果表明:在低空,特别是大气边界层之内,大气折射率结构常数主要为湿度所贡献;在高空,大气折射率结构常数主要为温度所贡献。在微波波段,影响大气折射率结构常数最大的气象因子并不是温湿压的大小,而是它们梯度的大小,其中湿度梯度的大小对其影响最大,在实际的低空测量大气折射率结构常数时,主要考虑湿度梯度与温度梯度的影响。     

大气折射率湍流结构常数计算方案及初步结果

本文给出了一种利用常规气象资料计算大气折射率湍流结构常数Cn~2的方法。计算结果表明:计算方案是合理的,结果的空间变化特点与目前国际上多部雷达得到的结果相似,这种方案对局地均匀、各向同性条件下充分发展的处于惯性子区内的湍流不失为一种估算大气折射率湍流结构常数的有效方法。     

风廓线雷达对大气折射率结构常数的探测研究

基于湍流散射理论,构建了风廓线雷达（WPR）强度信息对大气折射率结构常数的估算方法。经过对WPR多种探测模式探测数据的估算分析,发现雷达参数的确切选用、信噪比(SNR)测量方法的合理性以及信号累积得益的认定对大气折射率结构常数的准确估算有较大的影响,为此提出适合WPR多种探测模式对该估算值规范化处理方法。利用北京两部对流层风廓线雷达五种探测模式于2005年获取的部分观测数据,进行了规范化计算及对比分析。结果表明,邻近时刻的不同风廓线雷达探测估算结果有较好的一致性,其垂直分布结构合理,呈指数形式, 统计结果与国内外的分析研究结果较为吻合。     

快速时间响应可调式二极管激光器用于涡动相关大气痕量气体测量

研制出一种基于可调式二极管激光器吸收光谱学原理的快速响应大气痕量气体监测器,用来进行干沉降通量的涡动相关测量。该系统能够以很高的灵敏度和选择性检测多种人们关心的痕量气体,已证明其具有0.3秒的响应时间。已对监测器在野外条件下(夏季和冬季)做过试验,表明它用于涡动相关测量具有足够的灵敏度和时间响应。已用这一系统对NO_2和SO_2做过试验。讨论了进一步改进的可能性。     

大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。     

涡动相关仪探测台风边界层动量通量特征分析

台风的发展维持受制于自身(内部结构)及与下垫面间的通量传输过程,利用台风“利奇马”登陆前后的涡动相关仪观测数据,分析台风过境前后地面要素变化及动量通量特征。分析结果表明：台风过境期间,地面气象要素在短时间内出现急剧的变化,动量通量在台风登陆过程中显示出“三峰”的结构,对应的摩擦速度随风速的变化以10 m/s为分界线,低风速下呈现明显的正相关性,高风速时则慢慢转为持平甚至回落;能谱分析中,峰值主要存在于0.000 2 Hz和0.06 Hz的位置上,另有一位于0.001 Hz外的较弱峰值;能量贡献上,大尺度系统占据主导作用,但中尺度对流系统与湍流尺度运动在能量贡献中同样不可忽视。     

大口径闪烁仪及其在地表能量平衡监测中的应用

介绍了LAS仪器的测量原理及数据处理方法, 并利用中荷合作项目CEWBMS中获得的河南郑州LAS测站2000年的观测资料, 同时结合其它辅助资料, 对观测点附近地区的能量平衡状况进行了分析。分析结果表明, 由LAS测值得到的显热通量值, 以及结合净辐射资料间接得到的潜热通量值, 合理地反映出了当地能量平衡状况的季节变化, 显示出一年之中当地大部分的净辐射能用于潜热通量的释放。其数据结果所表征的当地下垫面干湿程度的变化与同期的降水及土壤相对湿度相比, 表现出了相当好的一致性, 这为拓展LAS在局地地表能量平衡监测中的应用提供了物理依据。     

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.     

不同下垫面大孔径闪烁仪观测数据处理与分析

大孔径闪烁仪是近年兴起的测量大尺度（500 m~10 km）地表通量的仪器。北京师范大学等单位分别于2002年、2004年在北京昌平小汤山开展了大孔径闪烁仪短期观测实验, 2006年6月又在北京密云建立了长期观测站。利用这些数据, 对大孔径闪烁仪观测数据进行处理与分析, 结果表明:闪烁仪光径高度和风速是影响观测显热通量的关键因子。当地表粗糙元的高度变化相对于光径高度不可忽略时, 零平面位移需要精确确定。波文比在湿润地表需要准确确定, 而气温、气压和动力学粗糙度则为不敏感因子。计算中所需的大气稳定度可用理查孙数判断, 也可借助日出日落时间或净辐射观测值确定。稳定条件下的普适函数目前无统一表达式, 可采用仪器说明书推荐的函数。通过几个站点闪烁仪观测显热通量与涡动相关仪测量值的比较表明:大孔径闪烁仪在均匀和非均匀地表都能得到合理的显热通量观测值。     

Quantifying Turbulence Heterogeneity in a Vineyard Using Eddy-Covariance and Scintillometer Measurements

Boundary-Layer Meteorology - Scintillometry is a non-invasive measurement technique for acquiring spatially-averaged surface heat and moisture fluxes in areas where setting up arrays of instruments...     

Saturation of the Large Aperture Scintillometer

The saturation aspects of a large aperture (0.3 m) scintillometer operating over a 10-km path were investigated. Measurements were made over mainly forested, hilly terrain with typical maximum sensible heat fluxes of 300–400 W m ⁻², and over flat terrain with mainly grass, and typical maximum heat fluxes of 100–150 W m⁻². Scintillometer-based fluxes were compared with eddy-correlation observations. Two different schemes for calculating the reduction of scintillation caused by saturation were applied: one based on the work of Hill and Clifford, the other based on Frehlich and Ochs. Without saturation correction, the scintillation fluxes were lower than the eddy-correlation fluxes; the saturation correction according to Frehlich and Ochs increased the scintillometer fluxes to an unrealistic level. Correcting the fluxes after the theory of the Hill and Clifford gave satisfying results     

Using a Large-Aperture Scintillometer to Measure Absorption and Refractive Index Fluctuations

The contributions of refraction and absorption fluctuations to the measured scintillations are observed for a near-infrared absorption region using a NOAA designed large-aperture scintillometer. The logarithmic amplitude spectra are shown to decay with frequency as f^-8/3 for both the absorption and scattering mechanisms. For the absorption mechanism this is in line with similar observations made at microwave and infrared frequencies. However, for finite transmitting and receiving apertures, theory predicts a stronger decay of the scattering mechanism due to aperture averaging. The spectral shape is characterised by a region of low frequency absorption, higher frequency refraction and separated by a flattish transition zone. The upper observed corner frequency (f_C2) compares well with values calculated using the measured transverse windspeed (v) for a known aperture radius. The lower corner frequency (f_C1) position is shown to be sensitive to the ratio of the real and imaginary part of the refractive index structure parameter, (C _nR ² /C _nI ² )^3/8, and v. The part of the spectrum associated with the absorption scintillations is observed to be much less than that due to refraction through the day until evening, when decreasing C _nR ² causes C _nR ² /C _nI ² to decrease and absorption to become significant. If absorption is ignored, this may have consequences for calculating nocturnal surface fluxes. During unstable, daytime conditions the large aperture scintillometer is most sensitive to refractive scintillations despite having an infrared source transmitting in a lossy atmosphere. But also under these conditions, the low frequency absorption part of the spectrum is observable.     

大孔径闪烁仪观测中的相似理论适用性分析

利用2009年馆陶站(1-12月)和阿柔站(1-6月和10-11月)的大孔径闪烁仪LAS相关数据,分析了LAS观测中莫宁—奥布霍夫相似理论MOST理论的适用性,并探讨了MOST理论适用性的定量判断方法.结果表明:(1)在不稳定条件下,大尺度涡旋运动、大气湍流发展状况和温度尺度都能对MOST理论适用性产生显著影响;(2)确立了两种新的MOST理论适用性判断方法,即因子分析法和温度结构参数法,并验证了这两种判断方法是合理、可靠的.     

黄土高原大孔径闪烁仪观测特征量T*的研究

基于黄土高原定西站2009年9月大孔L径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)和梯度塔的同步观测资料,分析了LAS和EC在测量感热通量过程中的温度特征尺度T*及其差异与近地层气象要素风向、位温梯度和稳定度等的关系.结果表明,黄土高原下垫面LAS测量的T*LAS和EC测量的T*EC有很好的相关性,相关系数达到0.955,拟合的线性趋势系数是1.482.对9月进行风向统计,主风向为NNE和SE,NNE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.960,拟合的线性趋势系数是1.349,SE风向上T* LAS和T*EC的相关系数是0.968,拟合的线性趋势系数是1.619,风向对T*有显著影响.位温梯度与T*呈很好的线性相关关系,T*LAS相较于T*EC与位温梯度有更好的相关性.当稳定度z/L＜1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大雨减小;当z/L＞1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而增大.T* LAS/T*EC的变化范围随着z/L的增大逐渐变小,当z/L增大到4后,T*LAS/T*EC开始保持较小的变化范围.     

Results from One-Year Continuous Operation of a Large Aperture Scintillometer over a Heterogeneous Land Surface

A large-aperture scintillometer (LAS) was operated continuouslyduring a period of more than one year over a heterogeneous land surface in Central Europeat the transition between marine and continental climates. The LAS measurements of the refractiveindex structure parameter, C_N ², were used to estimate the sensible heat flux. Thiswas possible for about 60to 80% of the time under daytime conditions during thesummer, with lower values obtained for the cold season (October to March). Using datafrom a three-week long field experiment, the LAS-based heat flux was compared with a weighedaverage of local heat flux measurements over the main land use classes (forest, agriculture,water) in the area, resulting in reasonable agreement. LAS-based heat fluxes were then used forcomparison with the heat flux values of a numerical weather prediction model. An over-predictionof the model heat flux was found in summer but the modelled values were lower than the LASderived data during the cold season.     

四川盆地丘陵地区地气相互作用的观测分析

根据2000-2001年在四川盆地中部乐至县进行的大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)外场观测和气象站观测获得的资料,用梯度法和Bruin法分别计算了丘陵地区表征地气相互作用的重要物理量--地表感热通量,并对两种结果(月平均)进行了比较.在此基础上,利用LAS的观测结果对丘陵地区地表感热通量的变化特征进行了分析研究,首次揭示了四川盆地丘陵地区地气相互作用的一些新事实.这些结果对深化不同类型区地气相互作用的认识有重要意义,特别是对气候分析预测、气候数值模式中考虑地气相互作用有一定参考价值.