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。     

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MODIS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...     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

新疆风区下垫面动力学粗糙度估测值与模式定义值的对比

按风向风速标准差法估算了新疆风能资源详查区17座测风塔一定范围内的动力学粗糙度,并与期间利用的3 km和1 km分辨率的数值模式中的动力学粗糙度理论定义值进行了对比。结果表明:除了采用的landuse基数据在一些区域的错误判识而导致本研究的估测值与中、小尺度模式中的动力学粗糙度理论定义值有较大差别外,大多数比较接近,今后有必要对这些区域的landuse的分类进行客观订正;夏季强风区的动力学粗糙度估测值普遍小于中尺度模式的理论定义值;对于主、次风向上动力学粗糙度值极不均匀区域,风向与风速标准差估算法需结合使用;本研究估算的动力学粗糙度是在中性层结条件下进行的,对于中性层结条件较少发生的区域,该动力学粗糙度估算值的普适性将受到限制。     

Simplified expressions for vegetation roughness length and zero-plane displacement as functions of canopy height and area index

Using a previous treatment of drag and drag partition on rough surfaces, simple analytic expressions are derived for the roughness length (z ₀) and zero-plane displacement (d) of vegetated surfaces, as functions of canopy height (h) and area index (). The resulting expressions provide a good fit to numerous field and wind tunnel data, and are suitable for applications such as surface parameterisations in atmospheric models.     

Wave-dependence of friction velocity,roughness length,and drag coefficient over coastal and open water surfaces by using three databases

The parameterization of friction velocity, roughness length, and the drag coefficient over coastal zones and open water surfaces enables us to better understand the physical processes of air-water interaction. In context of measurements from the Humidity Exchange over the Sea Main Experiment (HEXMAX), we recently proposed wave-parameter dependent approaches to sea surface friction velocity and the aerodynamic roughness by using the dimensional analysis method. To extend the application of these approaches to a range of natural surface conditions, the present study is to assess this approach by using both coastal shallow (RASEX) and open water surface measurements (Lake Ontario and Grand Banks ERS-1 SAR) where wind speeds were greater than 6.44 m s^-1. Friction velocities, the surface aerodynamic roughness, and the neutral drag coefficient estimated by these approaches under moderate wind conditions were compared with the measurements mentioned above. Results showed that the coefficients in these approaches for coastal shallow water surface differ from those for open water surfaces, and that the aerodynamic roughness length in terms of wave age or significant wave height should be treated differently for coastal shallow and open water surfaces.     

Temporal and Spatial Variations of the Aerodynamic Roughness Length in the Ablation Zone of the Greenland Ice Sheet

To understand the response of the Greenland ice sheet to climate change the so-called ablation zone is of particular importance, since it accommodates the yearly net surface ice loss. In numerical models and for data analysis, the bulk aerodynamic method is often used to calculate the turbulent surface fluxes, for which the aerodynamic roughness length (z ₀) is a key parameter. We present, for the first time, spatial and temporal variations of z ₀ in the ablation area of the Greenland ice sheet using year-round data from three automatic weather stations and one eddy-correlation mast. The temporal variation of z ₀ is found to be very high in the lower ablation area (factor 500) with, at the end of the summer melt, a maximum in spatial variation for the whole ablation area of a factor 1000. The variation in time matches the onset of the accumulation and ablation season as recovered by sonic height rangers. During winter, snow accumulation and redistribution by snow drift lead to a uniform value of z ₀≈ 10⁻⁴ m throughout the ablation area. At the beginning of summer, snow melt uncovers ice hummocks and z ₀ quickly increases well above 10⁻² m in the lower ablation area. At the end of summer melt, hummocky ice dominates the surface with z ₀ > 5  ×  10⁻³ m up to 60 km from the ice edge. At the same time, the area close to the equilibrium line (about 90 km from the ice edge) remains very smooth with z ₀ = 10⁻⁵ m. At the beginning of winter, we observed that single snow events have the potential to lower z ₀ for a very rough ice surface by a factor of 20 to 50. The total surface drag of the abundant small-scale ice hummocks apparently dominates over the less frequent large domes and deep gullies. The latter results are verified by studying the individual drag contributions of hummocks and domes with a drag partition model.     

长白山哈尔巴岭气象塔湍流局地相似性研究

利用长白山脉哈尔巴岭气象塔高频率湍流梯度观测数据,分析了2007—2009年间2月和7月2 m、30 m和100 m 3个观测高度湍流统计特征,对复杂下垫面局地相似理论适用性进行了检验,求出了无量纲风速标准差、无量纲温度和湿度标准差与稳定度关系的经验公式,发现了该地域湍流统计特征的新现象。结果表明:(1)冬季和夏季对流条件下2 m、30 m和100 m高度上无量纲风速标准差与稳定度Z/L之间能较好的满足1/3幂律,但夏季能更好地满足1/3幂律,且变化趋势明显,而冬季变化趋势平缓,接近直线。通过和其他学者的研究结果进行比较,发现了一些差异。(2)冬季无量纲温度、湿度标准差观测值随稳定度分布十分离散,但总体变化趋势基本满足-1/3幂律,而夏季观测值分布集中,变化趋势较好地满足-1/3幂律,反映出该地域无量纲温度、湿度标准差与稳定度关系随季节变化十分明显,且夏季对流强于冬季。(3)在30 m和100 m高度上,摩擦速度具有明显的日变化,但2 m高度上摩擦速度的变化比较特异,出现了夜间高于日间的情况,通过研究三维风速的脉动资料,发现夜间的风速脉动资料明显偏大,是导致夜间摩擦速度u*取值较大的直接原因,这种现象的发生可能是由该地域地形效应和下垫面特征引起的。     

东北冷涡背景下沈阳地区一次强降水过程分析

利用辽宁省区域自动站、探空和多普勒雷达观测资料及ECMWF再分析资料,对2016年6月30日发生在沈阳地区一次局地短时强降水过程的天气特征及可预报性进行分析。结果表明：此次天气过程为东北冷涡背景下典型的午后强对流天气,白天太阳辐射加热使得沈阳城区温度高于周边区域,配合中低层的高湿环境具有较好的不稳定能量;暴雨发生前2 h,近地面至300 hPa高度西南气流不断增强,低空急流出口区减压,使得垂直运动增强,上升运动高度达到对流层顶,有利于触发和加强对流,1.5—3.0 km的16 m·s^-1的西南风脉动和急流减弱消失对降水发生和结束有较好的指示意义;午后低层辐合、高层辐散的不稳定层结在强降水发生前2 h建立,散度最大时段与强降水时间对应较好;雷达观测反映这次降水以低质心暖云降水为主导,具有较高的降水效率,地面辐合线触发了对流,并逐渐发展演变成带状对流系统。从数值预报的结果来看,模式未能报出城市下垫面对气象要素的影响,对于地面辐合线的预报存在明显的滞后偏弱,导致强降水预报难度增加。