组合法确定长江下游地区通量及总体输送系数.doc

组合法确定长江下游地区通量及总体输送系数引言陆地表面动量输送不仅对全球气候和大气环流变化贡献显著，也是各类尺度大气数值模式物理框架中极其关键的环节。总体输送系数不仅有明显的地区差异，而且动态范围也很大。由于方法差异和观测技术问题，有时不同的人在同一地区得到或使用的总体输送系数也会有数倍之差，甚至量级之别。总体输送系数的误差是以等同的相对值传递到计算的地表通量上，而大气数值模式所能容忍的地表面通量误差程度极其有限，所以，较准确的总体输送系数是目前模式所必需的。组合法是由风、温、湿梯度资料、地表辐射分量资料和地热流量资料联合计算地表湍流通量的间接方法，它首先由thom提出，然而它只能确定感热和潜热通量，无法确定mo通用函数。而胡隐桥等人改进的组合法，不仅能确定感热和潜热通量，同时，还可以确定动量和mo通用函数。这一方法的优点是价格低廉，并且减小了感应头及其支架对气流扰动所造成的湍流通量观测误差。本文就是根据胡隐樵3等人改进的组合法，结合江南肥西站的具体资料进行详细的计算。最后，取得了较好的效果。1观测站周围环境、观测仪器肥西边界层观测设在肥西县气象站局（117.08e，31.41s）观测场内，下垫面为平坦均匀稀疏矮草地，周围较为开阔，西、南面基本为旱地农田，北面为气象局两层办公楼，东面为平房，建筑物距观测场50米外。超声风温仪、红外水汽和二氧化碳探头均安装在4米高度，观测系统为连续自动观测，由美国生产的cr23x数据采集器采样频率为10hz，包括u、v、w风速分量，温度、水汽、二氧化碳、气压等，每10分钟生成一个数据文件，经初步处理，将每小时资料合并为一个文件。肥西站在铁塔的1米、4米、10米高度各伸出2米长的水平臂，两端分别安装温、湿度传感器和风速传感器，此外还安装有四层（0cm,10cm,20cm,40cm深）地温表，装有两个土壤热流量板。2计算方法按照总体输送理论，地面、感热和蒸发潜热的通量可以表示为:d=cdu2 （1）h=cpchu（ts0-t）（2）q=leceu（qgs-q）（3）式中是地面空气密度，可表示为海拔高度的降指数。tso是地面温度（0cm土壤温度），qgs地面饱和比湿。为使计算结果有较好的代表性，地面风速和气温都取为自动站最高观测高度（10m）的值。是土壤有效因子或称为蒸发系数，它是土壤湿度的升函数。本文由于观测资料有限，不便于计算的值，这里取=0.5。le为水汽的蒸发潜热，取2.500105为使计算结果有较好的代表性，地面风速和气温都取气象站最高观测高度（10m）值。又由胡隐樵等人改进的组合法1得出的计算通量的表达式可得出动量、感热、潜热的计算式：d=（）（4）（5）（6）zz（7）=zz（）2（8）=zz（9）f是层结影响函数，是动量和热量通量层结影响函数的比例，0时，=f1/3（10）0时，=1.0（11）f=（12）求f时，需用到地表面上的能量平衡公式：a=r-g-p-s （13）1方程中，a为地表面可利用能量，而r，g，p和s分别为净辐射、地流热量、植物光合作用消耗的能量和地表层贮藏的能量。在实际计算过程中，地表面可利用能量一般忽略植物光合作用消耗的能量p，定常条件下也可忽略地表层贮藏的能量s，故ar-g （14）3计算及结果分析实际参加计算的资料是1，4，10三层的风速、温度、湿度、水汽压、地表温度、降水量、气压等7组资料，每十分钟取平均记录，全天144个记录.经过资料的整理和筛选，共有45天的记录可用，从6月6日-7月20日，观测期间，观测站降水很少，出现了大旱的天气，6月9日、10、11、12、13、17、18、22日，7月1、11、13、14、15日有少量降水。其中以7月11日最多。3.1整体变化江南地区，大气状况较好，压强均在1000hp左右，常年有降水，下垫面多为湿润的土壤。以下的图片可表现肥西地区的地表湍流通量变化规律。图16月6日至7月20日的感热随地面温度变化图从图1可看出，感热的值一般在20-50w/m2之间。除了个别突变的点之外，能发现感热变化的一般规律：地面温度高，则感热高。但是，利用组合法得出的感热值和温度值有突变值。比如7月上旬、中旬的那几天，虽有零星降水，但地面温度还较高，而感热却为负值，不太符合实际，应剔除。从图2中可看出，潜热变化的大致规律：地面含水率高的，其潜热也大,潜热值的大小在20-220w/m2之间变化。同时也可看出，潜热值的日变化比较明显，这与有无降水有一定的关系，如图中所示，7月11日达到整个观测期的峰值，这与当天有一定量的降水实际情况是相符的。图26月6日至7月20日潜热和地面0-15厘米含水率的关系图图3风速和动量的变化图从图3可知，对于动量的变化，除了几处（如6月6日至6月9日之间几天，6月21日至6月24日，7月9日前后几天）符合之外，其他各处符合得不是很好，不稳定的点较多。从理论上分析，因为动量和风速的平方成正比的，因此，风速脉动量对动量的影响是比较明显的。从此，也可知，组合法得出的动量数据与风速对应稳定性不太好。当然，还是可从图3中得出：肥西地区6、7月份的动量值在3.8-25.0j之间变化。3.2个例分析这里选取6月18日感热、6月18日潜热的和6月28日的动量变化图说明组合法确定的地面湍流通量的日变化特征以及存在的问题。注：这里使用气象时间，即：实际上是从6月17日晚20：00至6月18日晚20点为6月18日一天。图46月18日感热随时间变化图整体观察图4，知基本上符合实际的变化规律。通过分析上图，该地区的感热最大值约为18左右，出现在上午10点至中午12点之间，这比沙漠出现最大值时刻（8点-9点）稍微滞后了一些。最直接的因素当然是下垫面的因素。当然，通过观察可发现9点至10点左右的值是不合理的。从图4中也可得到，感热通量白天为正值，夜晚为负值，大概在子夜的时候达到最小，由正值转变为负值一般在傍晚的6、7点左右图56月28日潜热随时间的变化图图60-15厘米土壤的含水率变化图潜热通量的日变化的位相特征与感热是相同的。通过对比图5、图6两图可发现，含水量高的时候，水汽蒸发潜热也高，这与理论上是一致的。而且，还可发现，肥西站的蒸发潜热在白天上午10点左右达到最大值，大约是270w/m2。在夜间21点左右达到最小为-20 w/m2。潜热通量的值在白天一般为正值，晚上一般为负值。剔除图中的不合理值，可以看出，从正值变为负值的时刻在晚上的7、8点。3.3因子的相关性分析通过相关性分析表明，对于潜热q，考察与地面湿度（0-15厘米土壤含水率h）时，其相关系数为qh=0.678, 可知相关性较好。对于感热h，考察感热h与地面温度ts0的相关性时，发现h和ts0的相关系数是hts0=0.55，虽然数值有些小，但这与理论上是基本相符的，即：感热代表的是地面想大气的加热量。从直观上讲，地面温度越高，地面向大气输送的热量的就多。对于动量d，考察动量d与风速v的相关性，为了使计算有代表性，尽量剔除建筑物的影响，v的速度选取10米高度的风速。通过计算，动量d和风速v的相关系数仅为0.412，达不到基本的概率要求，相关性较差。3.4组合法确定的各通量平均值与青藏高原西部各值的比较这里引用李国平等人、张强等人分别对青藏高原西部狮泉河地区计算结果2和黑河流域计算结果3，并与肥西地区计算结果进行对比，见下表1。表1肥西地区、狮泉河地区的通量平均值对比从表1可知，肥西地区的感热平均值h（28w/m2）比狮泉河的感热值（170.2w/m2）要小得多，下垫面最重要的因素：狮泉河地处青藏高原西部，多为沙漠地带，白天太阳对地面加热，地面由于其自身的沙质特征，比热容比较小，升温特别快，接着便是地面对空气的输送能量，而且全年降水稀少，全年的情况都没有大的变化，故其感热比较大，最大值可达到380w/m2；而肥西地区的地面特征较湿润，升温较慢，故对空气的加热量也不多。在加上有雨水的调节作用，使得该地区的感热值比较小了。而对于潜热值q，肥西地区的蒸发潜热平均值130w/m2，而狮泉河的平均值仅为2.9w/m2，这是因为前者无论是地面上层土壤（0-15cm）还是空气中的含水率都比青藏高原西部的狮泉河沙漠地区的含水率要高得多，无论前者的降水量多与少，前者的水汽蒸发潜热自然要比后者高得多。至于动量值d，肥西地区的动量值（10n/m2）远比狮泉河地区的（180n/m2）小，从理论上说，这种差别主要取决于风速的差别。但是，事实上江南地区的风速和青藏高原西部的风速差异不会相差那么大的，所以在这里，也有可能是组合法的一个缺陷之一：对于自变量的脉动量依赖性大的函数，组合法很好地保证函数的稳定性。3.5总体输送系数的平均值表2组合法确定肥西的总体输送系数平均值与狮泉河和黑河流域值对比表从表2中可以看出，用组合法计算的总体输送系数ch、ce数量级是10-3，而且感热输送系数ch和潜热输送系数ce非常接近。但是，动量输送系数cd量级较小。对狮泉河地区的计算，李国平等人的算法假设ch=ce（假定水汽廓线与温度廓线函数积分形式相同）2。张强等人确定的总体输送系数也是由组合法计算出来的3。这三者总体输送系数ch、ce的计算结果没有量级上的差别，只是动量输送系数cd数值相对小。3.6问题和讨论3.6.1在计算三层各个气象要素的偏微分时，采用何种方法更为稳定，有两种方案，一是：利用牛顿差分公式，得出步长不一致的三点公式，二是：两层两层相减，得出平均值。但用第一种方案时，如何处理三点公式与公式（6）、（7）中zi和zi+1不一致的矛盾；用第二种方案时，又会出现奇点，稳定性不能保证。3.6.2建筑物对通量的影响是不能忽略的，由于观测场地周围建筑物存在，很可能使通量及通量系数发生不正常的的变化。剔除建筑物的影响会使这些量趋于合理化。3.6.3下垫面的气象特征是影响通量的最重要因子，感热、潜热和动量的变化特征在不同的下垫面是截然不同的（沙漠、海洋、戈壁、平原等）。由于，肥西站2001年6、7月份降水稀少，不能代表江南地区的典型气候特征，故计算值有些缺乏一定的代表性。4结论4.1本文采用组合法结合肥西站的实际观测资料，计算出了通量总体输送系数（ce、ch、cd）、感热、潜热、动量等量。总体而言，组合法确定感热、潜热、动量以及通量总体输送系数的方法是基本可行的，而且相比于其他方法有优点是价格低廉，并且减小了感应头及其支架对气流扰动所造成的湍流通量观测误差，数值的总体误差在量级上没太大的突变。发现总体输送系数的量级是10-3，只是cd偏小，而且，ce和ch很接近。4.2通过对感热、潜热的平均值的计算发现，用组合法计算感热和潜热是比较符合的，虽会出现一些异常的数值，但突变的情况比较少。由于观测时期，干旱少雨，雨该地区的平均情况有所差异，所以，感热、潜热和动量的计算值缺乏一定的代表性，特别是计算动量的稳定性较差，数值的突变较多。4.3肥西地区的感热通量的最大值约为50w/m2，狮泉河地区的感热最大值可达380w/m2相当于前者的7倍。出现最大值的时间前者（10-12点）也比后者（8-9点）滞后。4.4肥西地区的潜热通量的最大值约为280w/m2，狮泉河地区的潜热最大值为15w/m2，前后差别较大，前者是后者的16倍多。根据以上结果推算，6、7月份肥西地区感热的平均值应该是为正值潜热通量的日变化的位相特征与感热是相同的。4.5肥西地区感热通量的日变化特征是：白天大，夜间小，上午最大，凌晨（4-6点）左右最小；白天一般是正