大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及试验研究

该文在大气边界层多尺度湍流理论和湍流穿越理论的基础上，建立了大气边界层感热通量的非局地多尺度湍流计算方法，并选用1998年5～8月份第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）的大气边界层综合观测基地昌都站观测资料，分别用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法和经典相似理论计算感热通量。对计算结果的对比分析表明，用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法能计算出感热通量的逆梯度输送，也能计算出青藏高原近中性层结条件下明显的感热通量。此外，多尺度湍流理论还有待进一步发展完善，提高感热通量的计算精度。     

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

空气动力学阻抗算法在半干旱区的应用比较和遥感反演

结合2005年中国西北半干旱区定西试验站的观测资料,使用9种空气动力学方法,估算了阻抗和感热通量,并与涡动相关阻抗结果进行了对比,分析了5～9月涡度相关测得阻抗的平均日变化特征,结果表明:(1)由于西北干旱、半干旱区和黄土高原的稀疏植被地区在植物生长季节内存在温度高、降水少、空气干燥等特点,热量和水汽输送具有特殊性;Choudh-1、Verma-R空气动力学阻抗方法对热量和动量传输的粗糙度长度、热量和动量及水汽输送的修正函数描述得较好,空气动力学阻抗估算精度较好,由此获得的感热效果也较好,较适用于该地区。(2)风速对阻抗起主要作用;植被覆盖度增加和植被密度增大的同时也增加了热量和水汽传输的粗糙度,有助于空气动力学阻抗降低。(3)采用Choudh-1方法和遥感资料反演的阻抗效果较好。     

南京南郊大气湍流统计特征的实验研究

利用2011年8月南京南郊溧水大气边界层加强实验站的大气湍流观测资料,分析了城市郊区自然状态下垫面大气湍流宏观统计规律,以及湍流动量、热量、水汽和CO2的湍流输送特征。结果表明:不稳定层结下,3方向风速归一化标准差σu/u*,σv/u*,σw/u*,随稳定度参数ζ呈1/3幂次关系;稳定层结下也呈现类似规律;近中性条件下,分别趋近于常数。不稳定层结下,温度、比湿、CO2质量浓度归一化标准差σT/|T*|,σq/|q*|,σρCO2/|ρCO2*|,随ζ呈1/3幂次负相关关系,但结果相对离散,并且相对离散的数据对应着较小的|T*|、|q*|、|ρCO2*|值;稳定层结下,三者ζ之间的关系没有明显变化规律。实验期间相对于感热通量,潜热通量在热量平衡中所占比例较大;CO2通量平均值为负,整体表现为碳汇。水汽、热量和CO2均存在水平输送。     

黑河下游绿洲近地层湍流输送特征研究

分析2003年9月5-27日在黑河下游额济纳绿洲取得的近地面层湍流观测资料,讨论无量纲湍流方差与稳定度参数Z/L的关系.无量纲风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*在不稳定层结与稳定度Z/L满足1/3次方时,符合Monin-Obkuhov相似理论.在近中性时,σu/u*、σw/u*值比平坦下垫面的略小些,σv/u*值比平坦下垫面的略大.无量纲温度脉动方差和湿度脉动方差在对流状态下与Z/L满足-1/3次方,在稳定和不稳定层结下,随|Z/L|减小而增大.地面热量以感热输送为主,感热通量峰值约为250 W/m2,潜热通量的峰值为170 W/m2;夜间潜热通量较小,感热通量则出现负值.动量通量日间平均在0.2-0.3 N/m2,峰值为0.31 N/m2.黑河下游绿洲柽柳林动力学粗糙度比HEIFE戈壁及其他绿洲下垫面的大,中性时z0m=0.47551 m.中性状态下动量整体输送系数CD=22.2×10-3,不稳定层结时平均值CD=10.3×10-3,稳定层结时平均值CD=7.2 × 10-3.热量整体输送系数CH,中性状态下CH=3.2 × 10-3,不稳定层结时平均值为CH=3.3×10-3,稳定层结时平均值为CH=2.7×10-3.     

云贵高原西部大理地区近地层湍流特征分析

利用大理国家气候观象台2007年3—12月观测资料,采用涡动相关法等计算方法分析了该地区湍流强度、湍流方差、湍流通量等特征量的日变化和干湿季变化特征。结果表明,湍流强度干季大于湿季;湍流方差与稳定度满足1／3次方定律,风速方差在稳定条件下比不稳定条件下离散,水平方向比垂直方向离散;湍流通量有明显日变化特征,感热、动量通量干季大于湿季,潜热通量湿季大于干季,干湿季热量交换以潜热为主;干季能量闭合率大于湿季;不同风向条件下平均水汽密度存在差异.     

植物冠层动量交换特征的实验研究

使用湍流梯度测试资料，对植物冠层动量交换特征进行了详细研究，结果表明:森林冠层内惯性副区能谱曲线仍可用幂指数描述，但斜率比-2/3更负；森林冠层内湍流尺度有变小的趋势；森林上层的耗散系数比下层大；由植被吸收引起动量及动量通量随冠层深度增加而明显减小；冠层下层的动量通量和耗散系数分别与上层的量有好的正相关；森林冠层内耗散系数和动量通量随大气稳定度有明显变化。     

应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验” 2005年绿洲、戈壁点的观测资料, 分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系, 应用通量方差法对感热、 潜热通量进行了计算, 并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下, 戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点, 绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点, 归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系, 其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况; 通量方差法对两个站点的感热、 潜热通量均有较好的再现, 但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量, 则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。     

北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

Application of transilient turbulent theory to study interactions between the atmospheric boundary layer and forest canopies

The new Forest-Land-Atmosphere ModEl called FLAME is presented. The first-order, nonlocal turbulence closure called transilient turbulence theory (Stull, 1993) is applied to study the interactions between a forested land-surface and the atmospheric boundary layer (ABL). The transilient scheme is used for unequal vertical grid spacing and includes the effects of drag, wake turbulence, and interference to vertical mixing by plant elements. Radiation transfer within the vegetation and the equations for the energy balance at the leaf surface have been taken from Norman (1979). Among others, the model predicts profiles of air temperature, humidity and wind velocity within the ABL, sensible and latent heat fluxes from the soil and the vegetation, the stomata and aerodynamic resistances, as well as profiles of temperature and water content in the soil. Preliminary studies carried out for a cloud free day and idealized initial conditions are presented. The canopy height is 30 m within a vertical domain of 3 km. The model is able to capture some of the effects usually observed within and above forested areas, including the relative wind speed maximum in the trunk space and the counter gradient-fluxes in the lower part of the plant stand. Of special interest is the determination of the location and magnitude of the turbulent mixing between model layers, which permits one to identify the effects of large eddies transporting momentum and scalar quantities into the canopy. A comparison between model simulations and field measurements will be presented in a future paper.     

植被微气象的数值模拟

综合考虑梯度输送和阵性穿透作用，并对植被上方的过渡层作适当处理，提出了植被微气象的一阶闭合模型。它对温、湿、风等物理量垂直分布的模拟精度良好。引用系统优化理论和方法，对模型中参数作多维非线性搜索，结果客观可靠。由于植物本身的调节适应能力和反馈作用，大气与植被间的动量与水热交换机制和过程不尽相同。在动量输送过程中，梯度产生项和阵性穿透皆不可忽视，尤其在群体下部，更为重要；而在热量和水分输送过程中，阵性穿透作用在低矮密集植被中的贡献甚微，梯度产生项起主导作用。     

A Note On The Contribution Of Dispersive Fluxes To Momentum Transfer Within Canopies

Dispersive flux terms are formed when the time-averaged meanmomentum equation is spatially averaged within the canopy volume.These fluxes represent a contribution to momentum transfer arisingfrom spatial correlations of the time-averaged velocity componentswithin a horizontal plane embedded in the canopy sublayer (CSL).Their relative importance to CSL momentum transfer is commonlyneglected in model calculations and in nearly all fieldmeasurement interpretations. Recent wind-tunnel studies suggestthat these fluxes may be important in the lower layers of thecanopy; however, no one study considered their importance acrossall regions of the canopy and for a wide range of canopy roughnessdensities. Using detailed laser Doppler anemometry measurementsconducted in a model canopy composed of cylinders within a largeflume, we demonstrate that the dispersive fluxes are onlysignificant (i.e., >10%) for sparse canopies. These fluxes arein the same direction as the turbulent flux in the lower layers ofthe canopy but in the opposite direction near the canopy top. Fordense canopies, we show that the dispersive fluxes are <5% atall heights. These results appear to be insensitive to theReynolds number (at high Reynolds numbers).     

土壤-植被-大气系统水分散失机理的数值模拟

以Eeardorff(1978)提出的陆面参数化方案和Noilhan等人(1989)土壤水分参数化方案为基础,对陆面物理过程参数化方案进行了改进,在模式中较详细地考虑了植被和地面的各种物理参量如地面和叶面的反射率和发射率,净叶面面积指数,植被的物理阻抗等,并与大气边界层模式耦合。应用该模式模拟了沙漠及绿洲地区不同植被覆盖率情况下的蒸散量、土壤含水量和表面温度的日变化和连续变化特征;对不同植被覆盖率的热量平衡特征进行了比较。结果表明该模式较好地反映了地表蒸散3阶段的变化趋势特征,揭示出下垫面热量平衡分量间的相互转换过程。该模式可以用于中尺度的气象和区域气候模式,模拟和预测不同植被覆盖情况下近地层的热量输送和水分散失情况。     

Large-Eddy Simulation of Turbulent Organized Structures within and above Explicitly Resolved Cube Arrays

Large-eddy simulations have been performed for fully developed turbulent flow within and above explicitly resolved simple cube arrays. The results from our model, hereafter LES-CITY, are shown to agree with laboratory experiments. We investigated the systematic influence of cube density on turbulent flow characteristics by performing numerical experiments for cube areal densities from 0 to 44%. The following results were obtained: (1) The dispersive momentum flux was quite large within the canopy layer due to a mean stream re-circulation, whereas it was smaller above the canopy. The spatial variation of temporally averaged momentum in the roughness sub-layer was 20% or less of the total kinematic surface drag. (2) The temporally and spatially-averaged flow structure confirmed the existence of conventionally described canyon flow regimes; isolated, interfacial, and wake. However, the intermittency of the canyon flow for all cube densities was quite large and the stream patterns were never persistent. (3) Turbulent organized structures (TOS) similar to those observed in turbulent surface-layer flows were simulated, which are characterized by longitudinally-elongated low speed streaks and the corresponding shorter streamwise vortices. The streaks in sparse and dense canopy flows were likely to be aligned to the street line and to the roof lines, respectively. Such heterogeneity of TOS partially accounts for the large spatial variation of momentum flux. (4) In contrast to the mixing layer analogy of vegetation flows, the TOS and the resulting turbulent statistics of urban flow above the canopy resembled those in surface layers. The recirculation within the canopy significantly influenced the turbulent statistical properties.     

一方程模型在植被冠层中的应用

利用建立的一方程模式对植被气象场和湍流场进行了模拟计算。结果表明：在植被叶面积密度最大值处，由植被叶面积产生的阻力使风速急剧减小，而后平缓接近地面风速值。Reynolds应力从植被顶部向下剧烈减小，在Z／Hc值为0．4～0．6之间衰减迅速；冠层下部风速小且切变弱，湍流未能充分发展，因而动量输送甚微。由于在植被内部环境中存在着湍流通量的辐散或辐合的现象，湍流强度从植被底部开始由下至上逐渐增强，在冠层上方则基本保持不变。     

Water vapor transfer from a vegetated surface: A numberical study of bulk transfer coefficients and canopy resistances

The semi-analytical model outlined in previous studies (Massman, 1987a, b) to describe momentum and heat exchange between the atmosphere and vegetated surfaces is extended to include water vapor exchange. The methods employed are based on one-dimensional turbulent diffusivities and use numerical solutions to the steady-state diffusion equation. The model formulates stomatal response as a function of vapor pressure deficit and the within-canopy profile of mean photosynthetically-active radiation (PAR). It is then used to assess the influence that foliage structure, density, and sheltering can have upon the bulk transfer coefficient, kB _v ^-1, and the canopy resistance. A general analytical formulation of the canopy resistance based on the mean within-canopy profile of PAR is proposed and found to agree with the model's solutions for canopy resistance to within a few percent.     

农林复合系统生态边界层特性的三维数值模拟

该文介绍了一个包含地形起伏和地面植被效应的三维生态边界层模式,与经典的边界层气象学模式相比,模式更加细腻地考虑了与农林作物生长过程有关的热力、动力学作用,诸如植被冠层引起的辐射减弱,叶面气孔引起的水汽蒸腾,以及不同土壤质地引起的热量传输等。模式较成功地模拟了我国黄淮海平原中心区大面积农林复合生态系统的生态边界层结构及其热力、动力学特性,模式的输出结果与野外的低空探测实验作了比较,其一致性是令人满意的。     

唐古拉地区活动层水热状况及地气系统能水平衡分析

活动层水热状况与地-气系统间能水交换直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用唐古拉站2007年实测资料和SHAW模型,对研究点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。土壤温度方面,模型的纳什效率系数NSE≥0.93;水分方面,纳什效率系数的平均值为0.69,说明SHAW模型可用于多年冻土区活动层内水热动态变化的模拟研究。基于模型的输出结果,对唐古拉站活动层土壤冻融过程中的水分动态、地表能量收支的变化特征进行了分析讨论。结果表明:(1)活动层冻融过程中,土壤水分的冻结和融化响应时间随土壤深度的增加而逐渐滞后,水分迁移通量随土壤深度的增加逐渐减小;(2)地表能量平衡收支在季风活动引起的降水与活动层的冻融循环共同影响下,表现出明显的季节性变化特征。同时,通过改变SHAW模型植被输入参数中的叶面积指数,分析了植被覆盖变化对多年冻土区土壤蒸散发的影响。结果表明:植被蒸腾量、土壤蒸发量与总的蒸散发量与植被的叶面积指数呈正相关关系,而浅层土壤含水率(20 cm)则表现为负相关,当叶面积指数在-100%(裸土)~100%变化时,总蒸散发量的变化幅度为-5%~13%。     

城市表面粗糙度长度的确定

讨论了动量粗糙度长度与热量和水汽等标量粗糙度长度在形式上和物理本质上的不同，以及造成这些不同的原因和条件，分析了决定动量粗糙度的几种因素，并给出了确定动量粗糙度长度的简化关系式，并且根据城市冠层与其上惯性次层能量和动量守衡的原因，建立了热量和水汽粗糙度与动量粗糙度之间的联系，得到了确定热量和水汽粗糙度长度的简化关系式，最后，通过数值试验，表明了动量粗糙度和标量粗糙度变化特征以及对一些主要参数的敏感程度，以及动量粗糙度与标量粗糙度的动态关系。