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.     

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。     

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。      

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。     

不同下垫面空气动力学参数的研究

文中利用中国科学院沙漠研究所与日本国家农业环境技术研究所合作于1990—1994年在中国内蒙古自治区奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,计算了重度干扰草原、中度干扰草原、轻度干扰草原、无干扰草原、沙丘、沙丘内地、草地、稻田、小麦田、大豆田和玉米田11种下垫面的空气动力学参数粗糙度长度z0,零平面位移d,摩擦速度u*,并分析了它们与水平风速u和Richardson数的关系,比较了不同人为干扰草原生态系统条件下的空气动力学特征。结果表明:地表生物量和覆盖率随着人为干扰强度的增加而减少。不同人为干扰下垫面的粗糙长度与生物量和植被高度以及地表起伏程度有着密切关系;Richardson数也是其影响因子。风速、粗糙度都与摩擦速度成正相关,但对于不同下垫面有所不同,从中可以看到草地对沙漠化有一定的防治作用。同一种下垫面不同时期的空气动力学参数也存在差异。这些结果对建立陆面过程和区域气候模式具有重要的意义。     

麦田动力学参数的确定方法及其分析

本文根据莫宁-奥布霍夫近地面层风廓线模式,用轻便风速表、热线风速仪、低阈值风速表在麦田中得到的两年风速资料,提出了一个计算农田零平面位移d、粗糙长度z_0,摩擦速度u*及空气动力学阻力γ_(am)、γ_(ar)的方法。并对几种测风仪器所得结果进行了比较,分析了d、z_0、u*,γ_(am),γ_(av)随风速及稳定度的变化特点。     

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。     

一种确定地表粗糙度的独立方法

本文提出一种只用单一超声风温仪的平均风速和湍流量测定值确定地表空气动力学粗糙度的方案.该方法经Kansas实验资料验证,效果甚好,由5.66m和22.6m两层超声风温仪数据计算的z_0彼此一致,并且完全符合风速廓线确定的数值.将其用于确定HEIFE实验区平坦戈壁滩的地表粗糙度,1988年和1990年两批数据的估值结果大致相符,z_0分别为1.5×10~(-3)m和1.1×10~(-3)m.由精细风廓线观测发现该地z_0=1.2×10~(-3)m,证实了所建议的方法和z_0估值的可靠性.     

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.     

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。     

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.     

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。     

西北地区典型下垫面空气动力学阻抗估算方法改进及其验证

利用2010年古浪近地层野外观测试验取得的干旱区典型下垫面（荒滩、沙漠和农田）的观测资料,对常用的3种空气动力学阻抗算法——Verma—R算法、Liu算法、Thom算法进行了适用性检验,并通过分离Thom算法中的动量和热量粗糙度对其进行改进（下称Thom-2算法）。对比不同下垫面空气动力学阻抗估算结果发现：在沙漠和荒滩下垫面,动力因素较热力因素影响大,空气动力学阻抗与风速的指数关系较农田下垫面明显;与其他3种算法相比,考虑了热量粗糙度的Thom-2算法在各种典型下垫面上的估算结果与观测值相比偏差最小,且在较为均匀的荒滩和沙漠下垫面上估算的空气动力学阻抗精度较农田高;通过比较4种算法估算干旱区不同典型下垫面空气动力学阻抗结果,说明干旱区空气动力学阻抗的估算应考虑热力粗糙度的影响。     

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。     

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。