华中丘陵地带塔层湍流通量的观测分析 (1)

1、北京大学学报(自然科学版),第46卷,第1期,2010年1月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.46,No.1(Jan.2010)华中丘陵地带塔层湍流通量的观测分析王雪 蔡旭晖 康凌 张宏升 宋宇 陈家宜11,­23111.北京大学环境科学与工程学院环境科学系,北京100871;2.北京大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100871;3.北京大学物理学院大气科学系,北京100871;­通讯作者,E-mail:xhcai摘要 利用2006年湖南小墨山地区的塔层数据和湍流数据,分析了该地区风速风向

2、的年变化以及冬夏两季风温廓线的日变化规律,利用传统近地层通量廓线关系得出了感热通量计算值,并将其与感热通量测量值进行了对比,对经典近地层相似性理论在非均匀下垫面上的应用进行了初步探讨。研究发现小墨山地区的复杂地形对粗糙度、感热通量的计算有重要影响,需要将来流分成不同方向分别讨论。由于北部平原南部山地的影响,偏南风时粗糙度z0大于偏北风。而对夏季感热通量的分析表明,感热通量的计算主要受到山体的影响。北风时测点位于迎风坡,计算值系统偏大,东南风时对应背风坡的情况,计算值系统偏小,西南风与山体走向大体平行,计算值与测量值近似相等;将有偏差的计算值进行修正后,结果得到了明显改善。关键词 湍流通量;廓线

3、;塔层观测;复杂地形中图分类号 P404AnObservationStudyofTurbulentFluxMeasuredonTowerinHillyArea,CentralChinaWANGXue,CAIXuhui,KANGLing,ZHANGHongsheng,SONGYu,CHENJiayi11,­23111.DepartmentofEnvironmentalSciences,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871;2.StateKeyJointLaboratoryo

4、fEnvironmentalSimulationandPollutionControl,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871;3.DepartmentofAtmosphericSciences,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871;­CorrespondingAuthor,E-mail:xhcaiAbstract AnobservationtowerwaserectedonXiaomoMountain,HunanPr

5、ovince.Besidesthecollectionofturbulenceinformation,routinemeteorologicaldatawerecollectedduring2006.Diurnalvariancesofwindandtemperatureprofilesinwinterandsummerwereanalyzedaswellasseasonalvariancesofwindspeedandwinddirection.Furthermore,sensibleheatfluxescalculatedusingclassicalflux-profilerelation

6、ship(Hc)arecomparedwiththedirectlymeasuredvalues(Hm).Itisfoundthatthecomplexterrainaroundthetowerhasadistinctimpactonthevaluesofroughnesslengthz0andcalculatedsensibleheatflux(Hc);thereforeitisnecessarytodividethedatainto2-3groupsaccordingtothewinddirections.Thefollowinganalysisshowthatz0inthesouthpa

7、rtofthetowerismuchhigherbecauseofthehillyterrain,andthemountainslopeaffectsthesensibleheatfluxremarkably.Whenupslopewindblows,thevalueofHcishigherthanHm,andviceversa.Sincethetrendofthemountainissouthwes-tnortheast,thevalueofHcissimilartoHmwhenthewindisfromsouthwest.Finally,Hciscorrectedandtheagreeme

8、ntbetweenHcandHmislargelyimproved.Keywords turbulentflux;profile;towerobservation;complexterrain大气边界层是地球表面与大气间动量、能量和各种物质输送的通道。近地面层作为大气边界层的底层,对于地-气交换有着重要的作用。长期以来,关于边界层和近地面层的研究已取得巨大进展,尤国家自然科学基金(40675010)和国家高技术研究发展计划专项经费(2006AA06A305,2006AA06A306)资助收稿日期:2009-03-22;修回日期:2009-06-01北京大学学报(自然科学版)第46卷其是平坦、水

9、平均匀下垫面的Monin-Obukhov相似性理论和近地面层通量-廓线关系的建立1小墨山地区所在区域属亚热带季风性湿润气候,气候温和,四季分明,热量充足,雨水集中。当地具有春季天气多变,夏秋多高温、干旱;严寒期短,暑热期长等主要气候特征。塔层气象要素的观测从2005年12月至2006年12月连续进行,观测项目包括风速、风向和气温,传感器分别安装于铁塔距地面10,30,70和100m处,观测仪器为美国NRG设备,各项参数见表1。实验同时观测地面净辐射值(仪器架设高度1.5m,型号PDB-1,精度10LVP(W#m)和气压等。以上各要素均为全天连续观测,并得到小时平均值。此外,在铁塔的30m和10

10、0m处用超声风温仪(参数见表1)进行了冬夏两个代表性季节的湍流观测,获得逐时的感热通量、三方向风速方差、水汽通量、摩擦速度、zPL等湍流参数,观测时段为2006年1月13日至23日、2006年7月27日至8月14日。本文首先选取2006年1月、4月、7月和10月的观测数据进行分析,了解当地塔层基本气象特征-2,为有关地-气交换的研究打下了雄厚的基础,并广泛应用于各类数值模式中。但现有理论和成果后面却隐伏着一个重要问题,这就是其均匀平坦下垫面的前提条件。实际大气则更多面对的是非均匀、非平坦的地球表面,尤其是接近70%的陆地表面都是山地或丘陵,其不均匀性是十分明显的。因此,已有理论和成果对实际大气

11、的应用受到局限和挑战。而随着研究的深入,尤其是随着数值模拟和气候模式准确性要求的提高,非均匀、非平坦下垫面的湍流过程、湍流特性问题也越来越受到关注2-34。为便于研究,Rotach等将非均匀、非平坦的复杂下垫面情况分成3大类:一是平坦非均匀的下垫面(inhomogeneoussurfaces),例如水陆交界等;二是非平坦下垫面(non-flatterrain),例如山地地形;三是以森林、城市为代表的非常粗糙的下垫面(veryroughsurfaces)。对于第1种情况,两种下垫面之间的简单过渡可以应用内边界层理论得到较好的解决;对于第3种情况,已经发展出了适用于城市、植被下垫面的有效粗糙度、掺

12、混高度等理论6-85;而对于第2种情况,即非平坦下垫面的理论研究目前进展较小,大多局限于孤立的特定形状的光滑山体的线性理论。在实际大气中,以上3种类型的情况往往同时出现,从而极大地增加了研究的复杂性。湖南小墨山地区地处华中丘陵地带,地形略有起伏,山地有植被覆盖,具有非平坦下垫面的一般特征。本文以在此地进行的湍流和塔层气象观测数据为基础,对非平坦下垫面塔层观测数据的应用问题进行初步探讨,以期了解经典的近地面层相似性理论在该地区的适用程度,并提出可能的实用修正方案。91 实验观测情况实验观测点位于湖南岳阳市华容县境内的塔市驿镇杨家湾村(112b51c3414dE,29b44c33.2dN),主要实

13、验平台为一个102m的专设气象铁塔。气象塔位于小墨山北坡,为小墨山山脉的东北边缘,海拔约36m,北距长江117km。铁塔北面和东面地形平坦,以耕地和水域为主,海拔在30m上下。南面和西面以起伏的丘陵为主,西南方有小墨山山脉的最高峰(海拔245m),为非均匀起伏变化最强的方向。实验点周边地形见图1。图1 测点周边地形图Fig11 Topographyaroundtheobservationtower表1 主要观测仪器的技术指标Table1 Technicalcharacteristicsofprimaryobservationinstruments仪器名称测量要素风向三杯频率仪(NRG)风速温度

14、超声风温仪(CSAT3)风速脉动量温度脉动量单位(b)mPsemPse精度?5?0.1(启动风速0.4mPs)0.2?0.002?0.005第1期王雪等:华中丘陵地带塔层湍流通量的观测分析和季节变化规律,之后主要针对冬夏两季湍流观测时段重点进行通量廓线关系分析。1000H=Tp0.286。(2)2 数据处理湍流数据的处理需要经过坐标旋转、低通滤波、野点剔除等几个步骤,最终得到脉动量以及各种湍流特征量。湍流速度分量的确定采用两步坐标旋转方法:首先使x坐标与主导风方向一致,v分量的平均值为0;然后进一步使平均风的w分量为0。坐标旋转及其他处理的具体方法参见文献10-12。此外,将温度数据转换成位温

15、以便于分析。根据塔层观测的温度数据,由压高公式求得各层气压:z2-z1p2=p1exp-,Hp(1)3 塔层基本气象特征从10m处风向风速观测资料来看,小墨山地区春季风速最大,4月的平均风速为2166mPs,冬夏两季次之,1月和7月的风速分别为2150mPs和2149mPs,秋季(10月)最低,仅为1163mPs。由于地处内陆,当地小风静风频率较高。在风速最小的秋季(10月),静风(风速小于015mPs)频率高达21%,即使在平均风速最大的春季,静风频率仍有617%。当地风向的季节变化也比较明显,冬季(1月)以偏北风为主,NNE,N,NNW3个风向出现频率占3614%,西南风较少;春夏两季(4

16、月和7月)主导风向为SSW;秋季(10月)则以偏西北风为主。具体风向频率分布情况见图2。对风速数据的分析表明,小墨山地区近地层的风速有明显的日变化,而且这种日变化在夏季和其他三季有不同的特点。图3显示了冬夏(1月和7月)各高度风速的平均日变化情况(4月和10月的情况与1月相似,故图略)。由图可见,夏季各层风其中,p为气压,z为高度,下标1,2代表该气层的RdTv顶部和底部,取10m处气压为p1;Hp=,Rdg为空气比气体常数,取干空气的287.05JP(kg#K);g为重力加速度9181mPs,Tv取气层平均温度。之后进一步假设空气处于非饱和状态,由各个高度上的气压p和温度T,求得对应高度上的

17、位温:2C代表静风图2 四季代表月份的风向频率分布Fig12 WinddirectionfrequencyinJanuary,April,JulyandOctober北京大学学报(自然科学版)第46卷图3 冬、夏各层风速的平均日变化Fig13 DiurnalvariationofwindspeedinJanuary(a)andJuly(b)图4 冬、夏风速廓线的平均日变化Fig14 DiurnalvariationofwindprofilesinJanuary(a)andJuly(b)速日变化有大致相同的形式,即白天风速增大,夜间风速减小,只是低层风速变化的幅度较大,高层风速变化幅度较小,而且

18、高层的风速变化与低层相比在时间上有滞后的趋势。冬季的情况则很不相同,只有最低的10m高度上仍表现为白天风速增大,30m层白天风速增大已不明显,再往上则表现为白天风速明显减小,尤其以中午12时前后风速减小幅度最大。对以上观测现象的解释是有意义的。一般认为,陆面白天不稳定大气边界层发展,垂直交换增强,上层大气的水平运动动量下传导致低层风速增大。从图3看出,当地夏季直到100m的高度,都仍受到这种动量下传作用的影响。但冬季(以及春秋两季),白天100m以上的大气向下传输动量的过程似乎受到抑制,近地面气层不稳定性和垂直交换的增强则使100m以下的水平动量在垂直方向上趋于均匀化,即低层风速增大而高层风速

19、减小。图4进一步显示了冬夏两季风廓线的日变化情况,明显可见夏季白天风速整层增大、而冬季白天30100m风速则表现出均一化的趋势。从温度层结可进一步分析上述现象的原因。图5为冬夏(1月和7月)位温廓线的平均日变化。由图可见,当地冬季夜间为稳定层结(逆位温),稳定层厚度从地面一直延伸到100m;白天70m以下气层变为近中性或弱不稳定状态,但70100m却一直维持弱稳定层结。因此,70m以上的湍流垂直交换将受到抑制,上层大气的水平动量难以向100m以下的低层大气传递。夏季夜间较强的稳定层主要在30m以下,上层为弱稳定层或近中性;白天100m以下完全转变为不稳定层,这显然有利于垂直方向上的湍流交换和上

20、层水平动量的下传。4 通量-廓线关系为探讨小墨山铁塔观测点上通量-廓线关系的适用性,我们利用塔层廓线观测资料和经典通量-廓线关系计算感热通量,然后与实际湍流观测结果进行比较。为此首先需确定当地的地表粗糙度z0。 =ln进行计此处利用对数风廓线公式uu*z0算,选取近中性条件下的4层平均风速观测值对 uln(z-d)进行最小二乘的线性拟合,从而得到最优解z013。第1期王雪等:华中丘陵地带塔层湍流通量的观测分析图5 冬、夏位温廓线的平均日变化Fig15 DiurnalvariationofpotentialtemperatureprofilesinJanuary(a)andJuly(b)图6 1

21、月和7月粗糙度和风速的关系Fig16 Relationshipsbetweenroughnesslengthz0andwindspeedinJanuary(a)andJuly(b)计算z0所需数据的筛选条件是:10m和100m位温差小于011K,且风廓线正常(风速随高度增高而增大)。按上述标准,冬季和夏季(分别用1月和7)8月的数据代表)各有33组和66例数据满足中性条件。求得z0与10m平均风速的关系见图6。图中冬夏两季分别有3个和6个z0数据点数值小于10-3况的;而从同是北风条件下的冬夏对比来看,夏季z0值较高与植被茂盛有关。确定了不同季节、不同风向的z0值之后,即可利用通量-廓线关系计

22、算感热通量。计算时使用10m和30m的风温数据迭代求得感热通量(Hc),稳定和中性情况下(F0)选用Cheng等提出的稳定15度修正方程,不稳定情况下(F<0)选用Dyer提出的稳定度修正方程。这种基于空气动力学的湍流通量计算在研究中得到了广泛的应用,具体原理和方法参见文献16-17。图7给出了感热通量计算值Hc与30m超声风温仪实测值Hm的比较。由图可以看出,计算值与湍流测量值的关系相当离散;夏季计算值与实测值之间的相关系数仅为0146,比冬季的0170更低。其原因可能与冬夏来流性质的变化有关。冬季来流方向较为单一,以偏北风为主,夏季的观测则同时包含了偏北和偏南来流的结果。鉴于观测点南

23、北方向的地形差异较大,从而可能对计算结果带来更大的不确定性,我们对夏季的结果进一步分析来流方向的影响。通过考察感热通量计算值与实测值的相对误差14m,一般对应冰面、广阔水域、平坦沙漠等下12垫面类型,与此处的情况明显不合,故舍弃。由z0与风速的关系可以看出,风速较小时,z0的离散较大,数值变化横跨多个量级。风速较大可以更好地满足中性条件,使z0趋于一个稳定值,所以采用大风时的z0值来代表当地的典型粗糙度。冬季(1月)的大风以偏北风为主(风向多为340b30b),按风速大于5mPs的情况统计得到z0均值为01074m。夏季(7月)大风出现在偏南风和北风两个方向,按风速大于415mPs统计,南风时

24、求得的z0均值为0163m,北风时为0128m;二者总均值为0144m。从地形条件来看,观测塔南面为山地,北面为平原,所以南风时粗糙度较大这一结果是符合当地情北京大学学报(自然科学版)第46卷随来流方向的变化,我们发现数据点在不同风向下的确有出现不同的系统偏差的趋势(图略)。据此并结合地形分布以及观测期间主要风向的出现情况,我们将来流分为偏北(270b90b)、东南(90b180b)和西南(180b270b)3个方向,分别对感热通量计算值与实测值进行比较,见图8。由图可见,区分不同来流方向后,感热通量计算值与实测值的线性相关性明显改善。但不同来流的通量计算值有系统偏差:偏北风的明显偏大,东南风

25、的明显偏小。多少有些意外的是,西南风的通量计算值系统偏差似乎最小。分析周边地形可见:铁塔位置海拔约36m,北面为沿江冲积平原,地形平坦,海拔比铁塔位置低67m;东南面小墨山余脉平顶山的海拔比铁塔位置高67m,翻过山脊则为数米起伏的坡地。小墨山的山脊大致沿西南方向延伸,2km外为小墨山主峰,海拔245m。由此可知,铁塔观测到的北风情况基本为迎风坡的上坡流动,东南风情况则为翻越平顶山山脊的背风流动,这种地形作用可能是造成图8中感热通量计算值系统性偏差的原因。至于西南方向,虽然远处山体较高,但距铁塔23km的范围内山脊高度变化不大,从而西南来流受到地形扰动的系统性作用也较小。造成上述通量计算值迎风来

26、流系统偏大、背风来流系统偏小的机制目前并不清楚,我们推测应与山地地形造成的风速廓线变形有关。由于稳定度因素也会影响到风速廓线,从而使得地形对廓线的影响不容易鉴别出来,因此我们考察夏季观测数据对应的近中性大气条件的风速廓线,以避免温度层结的影响。取10m和100m位温差小于011K作为近中性条件的标准,共获得20组符合标准的廓线,其中偏北风6组,东南风6组,西南风8组。值得注意图中虚线代表Hc=Hm,n为数据组数图7 感热通量观测值和计算值的比较Fig17 ComparisonofsensibleheatfluxesinJanuary(a)andJuly(b)图8 夏季3个方向感热通量观测值和计

27、算值的比较Fig18 Comparisonofsensibleheatfluxesinthreewindsectorsinsummer第1期王雪等:华中丘陵地带塔层湍流通量的观测分析的是这里的选择标准略有放松,没有考虑风速随高度变化的因素,因为能与湍流观测数据对应的中性数据组数偏少。各风向平均风速廓线情况见图9。图中显示,三方向风速廓线的形态在对数高度坐标下并不呈标准的直线型,而是在30m处出现极大、70m处出现最小值。考察平均位温廓线发现在70m处存在位温极小值(图略),说明我们获得的并不是严格的中性条件。但无论如何,图8仍然清楚显示了不同方向风速廓线的显著不同,即风速梯度北风最大、西南风次

28、之、东南风最小。这从一定程度上印证了有关当地地形对不同来流造成风速廓线变形的推测。从经典的流体运动规律可知,气流越过山体会发生形变。在迎风坡,流线会变得密集,风速增大,导致风速梯度增加;而背风坡一侧会经历相反的过程,风速梯度减小。虽然实际湍流大气的情况常常更加复杂,但此处塔层观测的结果仍与上述理想流动分析情况定性相符。在用通量-廓线关系计算湍流通量时,对风速梯度的依赖是很强的(虽然实际计算是利用风、温廓线以及无因次风速梯度和温度梯度的经验函数通过数值迭代方法进行的,感热通量值与速度梯度之间并无直接的表达关系),从近地面Jz9 u层相似性关系=Umu*LUmL可以看出,假设从以上分析结果来看,要

29、在小墨山观测点应用近地面层通量-廓线关系计算感热通量,需对不同风向的计算值进行系统偏差修正。简单的修正方法是令HcAHc,c=(3)其中Hcc为修正的感热通量计算值,Hc为按常规方法的计算结果,A为修正系数。对小墨山实际情况,修正系数A大致为:东南风和北风分别取2178和0176;西南风取110,不需修正。进行上述经验修正后的夏季感热通量计算结果与实测结果的比较见图10。可见数据点虽仍较离散,但Hm与Hcc的一致性相对于图7有了较大改善。5 结论本文利用2006年湖南小墨山气象观测塔的风、温及湍流观测资料,分析该地近地面气象、平均廓线、湍流通量及地表粗糙度特征,并对该测点通量廓线关系的适用性进

30、行了初步探讨,获得以下主要结果和结论。1)小墨山地区风速春季最大,秋季最小。全年风速整体较小,秋季静风频率高达2110%。风向冬季以偏北为主,春夏两季偏西南,秋季则偏西北。2)夏季,当地近地面层整层大气(地面至100m)风速平均日变化符合通常规律,夜间风速较小,白天风速增大。对应的位温层结特征是夜间为弱稳定或近中性,白天为不稳定。冬、春、秋三季30m以上夜间风速较大而白天风速减小。对应的平均位温廓线特征是:夜间整层很稳定,白天下层为弱不稳定,上层维持弱稳定。这种层结结构抑制了上层大气的水平运动动量向近地面层的传输。和其他条件如H*等都保持近似不变,如果9 u受到一个小扰动增大(或减小),摩擦也

31、将增大(或减小),从而使感热通量风速梯度速度u*u*H*也相应地增大(或减小)。由此可以定性解释此处偏北风时感热通量计算值系统偏大、东南风时系统偏小的现象。为方便比较,图中北风的风廓线向左平移313mPs图9 中性条件下3个风向的平均风廓线Fig19 Neutralwindprofilesfor3directionsinJuly图10 修正后的感热通量计算值与观测值的对比Fig110 Relationshipbetweendirectlymeasured(Hm)andcorrectedcalculated(Hcbleheatfluxesc)sensi北京大学学报(自然科学版)第46卷effec

32、tiveroughnesslength.QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,1972,98(415):213-2217 贾立,王介民.绿洲-沙漠复合地表条件下的局地和有效粗糙度.气象学报,1999,57(3):346-3578 MasonPJ.Theformationofareally-averagedroughnesslengths.QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,1988,114(480):399-4209 JacksonPS,HuntJCR.Turbulentwin

33、dflowoveralowhill.QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,1975,101(430):929-95510 ZhangHS,ChenJY.Turbulencestructureinunstableconditionsovervarioussurfaces.orology,2001,100(2):243-26111 李富余,张宏升,李诗明,等.青藏高原当雄地区湍流脉动耗散率特征研究.北京大学学报:自然科学版,2004,40(5):781-78712 LeeXH,FinniganJ,PawKT,Coordinatesystem

34、sandfluxbiaserrorPPLeeXH,micrometeorology.Dordrecht,AcademicPublishers,2004:60-6113 盛裴轩,毛节泰,李建国,等.大气物理学.北京:北京大学出版社,2003:243-24614 ChengY,BrutsaertW.Flux-profilerelationshipsforwindspeedandtemperatureinthestableatmosphericboundarylayer.Boundary-LayerMeteorology,2005,114(3):519-53815 DyerAJ.Areviewofflux-profilerelationships.Boundary-LayerMeteorology,1974,7(3):363-37216 郭晓峰,蔡旭晖,辛国君.稳定近地面层Monin-Obukhov长度的解析解.北京大学学报:自然科学版,2005,41(2)