近地面層湍流通量觀測方法簡介PPT課件

1、近地面層湍流通量近地面層湍流通量觀測方法簡介觀測方法簡介康 凌1. 渦旋相關(guān)法渦旋相關(guān)法2. 空氣動(dòng)力學(xué)方法（梯度法）空氣動(dòng)力學(xué)方法（梯度法）3. 能量平衡法（能量平衡法（Bowen比法）比法）4. 誤差分析誤差分析1. 渦旋相關(guān)法渦旋相關(guān)法1.1 原理原理 在近地面層大氣湍流場中任何一種被動(dòng)標(biāo)量屬性均滿足：該式是常通量層的條件，是近地面層湍流通量觀測的基礎(chǔ)。在常通量層內(nèi)積分(1.1)式可得：其中，H為感熱通量；LE為潛熱通量；為動(dòng)量通量；a為空氣密度；Cp為空氣的定壓比熱；Lv為單位質(zhì)量水汽的汽化熱；u和w分別為風(fēng)速在水平與垂直方向上的脈動(dòng)；為溫度脈動(dòng)；q為濕度脈動(dòng) 。) 1 . 1 (0c

2、wz)4 . 1 (uwC) 3 . 1 (qwLLE)2 . 1 (wCHpavapa1.2 測量方法測量方法 用超聲風(fēng)溫儀可直接測得風(fēng)速脈動(dòng)u、w與溫度脈動(dòng)，用L濕度計(jì)或紅外濕度計(jì)直接測得濕度脈動(dòng)q，我們就可以利用(1.2)(1.4)式得到H、LE與。另外，由于超聲風(fēng)溫儀在測量 時(shí)的局限（ 的絕對值不準(zhǔn)，但不影響相對值 ），我們通常在超聲風(fēng)溫儀探頭下再安裝鎢錸絲探頭來精確測量 ，鎢錸絲的特點(diǎn)是的精度高（1/1000C），響應(yīng)快（200Hz)。測量儀器見Pic1.1 至1.7。2. 空氣動(dòng)力學(xué)方法（梯度法）空氣動(dòng)力學(xué)方法（梯度法） 2.1 原理原理 根據(jù)Monin-Obukhov相似理論，在

3、粗糙表面上有：其中，M=H=q=為Von-Karman常數(shù)，其取值范圍在0.35 0.40，一般為0.39；h為粗糙表面的平均高度；d為零值位移高度； U、T與q分別為平均風(fēng)速、溫度和比濕；U*、T*與q*分別為特征風(fēng)速、溫度和比濕； L為Monin-Obukhov長度；M、H與q方便為風(fēng)速、溫度和濕度的無因次梯度（通量廓線關(guān)系函數(shù)），且是通用函數(shù)。) 3 . 2(hzLdzzUqdz)2 . 2(hzLdzzTTdz) 1 . 2(hzLdzzUUdzq*qH*HM*M 因?yàn)镸、H與q是穩(wěn)定度參數(shù)z/L或Richardson數(shù)Ri的函數(shù)，通過對U、T和q的梯度測量，利用(2.1)至(2.3)

4、式就可得到特征速度U*、特征溫度T*與特征比濕q* ，然后由下式求得H、LE和：由于只有三個(gè)方程，但有四個(gè)未知數(shù)U*、T*、q*和L。所以最常用的解決辦法是用觀測資料來迭代求解，方法如下： 根據(jù)比較常用的Dyer(1974)提出的通量廓線形式：其中=z/L， 當(dāng)穩(wěn)定條件下時(shí)0；不穩(wěn)定條件下時(shí)0；中性條件下時(shí)=0；)6 . 2(U)5 . 2(qULLE)4 . 2(TUCH2*a*Va*Pa )9 . 2(0510161)8 . 2(0510161)7 . 2(051016121q21H41M對三上式積分得如下廓線公式：其中T0與q0為地表的溫度和比濕，z0為粗糙度，M、H和q的形式如下：)1

5、2. 2(LzLzzzlnqqq)11. 2(LzLzzzlnTTT)10. 2(LzLzzzlnUU0qq0*00HH0*00MM0* )15. 2(0502y1ln2)14. 2(0502y1ln2)13. 2(0502xarctg22x1ln2x1ln2qH2M 先不考慮穩(wěn)定度修正，將測量的z3高度的風(fēng)速U3和z1、z2高度的溫度T1 、 T2與比濕q1、q2代入下式計(jì)算，就可得到初始的U*、T*、q*：然后計(jì)算Monin-Obukhov 長度L：代入(2.21)至(2.23)式的右邊，就得到了新的U*、T*和q*：Lz;161y;161x2141其中)18. 2(zzlnqqq)17.

6、 2(zzlnTTT)16. 2(zzlnUU1212*1212*033*)20. 2(TUgTL*2*)21. 2(LzLzzzlnUU0M3M033*再利用(2.20)式計(jì)算出新的M-O長度L后，再代入(2.21)至(2.23)式的右邊，更新U*、T*和q*，如此迭代，直到精度滿意為止。最后由(2.4)至(2.6)式，就得到了H、LE和。2.2 測量方法測量方法 風(fēng)速梯度是利用微氣象專用的風(fēng)速表測量，這種風(fēng)速表異于氣象站使用的普通風(fēng)速表，其特點(diǎn)是精度高（誤差0.1m/s）、啟動(dòng)風(fēng)速?。?.3m/s）。 溫度梯度和濕度梯度的測量則是利用Bowen比系統(tǒng)，其特點(diǎn)是利用它自身的翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在測量過

7、程中每10分種翻轉(zhuǎn)一次來消除溫度探頭的誤差，從從而得到高精度的干、濕球溫度（誤差0.01C）。測量系統(tǒng)見Pic2.1至2.9。)23. 2(LzLzzzlnqqq)22. 2(LzLzzzlnTTT0q2q1212*0H2H1212*3. 能量平衡法（能量平衡法（Bowen比法）比法）) 1 . 3(LEHQGRSn3.1 原理原理 根據(jù)地表能量平衡方程：其中Rn為凈輻射通量，G為地表土壤熱通量，規(guī)定Rn與G向下為正，向上為負(fù)；Qs為能量儲(chǔ)存項(xiàng)（植物光合作用的化學(xué)儲(chǔ)存，總為正）；H與LE則分別為感熱通量和潛熱通量（向上為正，向下為負(fù)）。 由于Qs Rn和G，故可忽略不計(jì)，(3.1)式則可寫成：

8、Bowen比的定義為：將(3.3)式代入(3.2)式得：)2 . 3(LEHGRn) 3 . 3(LEHB )5 . 3(GRB11LE)4 . 3(GRB1BHnn)7 . 3(ztTCGG)6 . 3(LLSSRSW5OIOIn其中：SI為總輻射；SO為地表反射輻射； LI為大氣逆輻射；LO為地表長波輻射；G5為5cm處的土壤熱通量。Ts則為不同深度的土壤溫度（通常為0、5、10、15、20和40cm，有時(shí)達(dá)80cm），CW為土壤容積熱容量（可推算出來）。 因?yàn)镾I、SO、 LI、LO、G5和Ts都可實(shí)測，所以只要知道了B值，用(3.4)和(3.5)式就可得到H與LE。根據(jù)(3.3)與(1

9、.2)及(1.3)式有：根據(jù)湍流輸送的K理論：其中Kh和Kq分別為熱量與水汽的湍流交換系數(shù)，通常設(shè)Kh=Kq，將(3.9)式代入(3.8)式得：)8 . 3(qwLwCqwLwCLEHBvpvapa)9 . 3(zqKqwzKwqh)10. 3(zqzLCBvp將上式差分后得：1、2、q1和q2分別為兩個(gè)高度的溫度和比濕。3.2 測量方法測量方法 SI與SO由兩個(gè)分別向上與向下的短波輻射表測量， LI與LO則由兩個(gè)分別向上與向下的長波輻射表測量，G5用熱通量板測量，Ts則用熱敏電阻測量。 1、2、q1和q2仍由Bowen系統(tǒng)測量。具體安裝見Pic3.1至3.6。)11. 3(qqLCqLCB1

10、2v12pvp4. 誤差分析誤差分析4.1 渦旋相關(guān)法的誤差分析渦旋相關(guān)法的誤差分析 用渦旋相關(guān)法測量湍流通量誤差的主要來源為：4.1.1 測量誤差測量誤差 理論上，只要各脈動(dòng)量測得準(zhǔn)，計(jì)算得到的通量也是準(zhǔn)確的。但由于實(shí)測現(xiàn)場的環(huán)境遠(yuǎn)不如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工作環(huán)境，必然導(dǎo)致測量誤差的存在甚至加大。也正是這些偏差導(dǎo)致了各實(shí)驗(yàn)確定的Von-Karman常數(shù)的不一樣，以及通量廓線關(guān)系的離散。4.1.2 傾斜誤差傾斜誤差 這是由（超聲）探頭安裝傾斜而產(chǎn)生的誤差，其對感熱通量H、潛熱通量LE和動(dòng)量通量所造成的相對誤差為： )2 . 4(9) 1 . 4(2LELEHH其中為探頭的傾斜角（弧度），也就是說如果=1

11、，感熱、潛熱通量的相對誤差達(dá)2%，而動(dòng)量通量的則達(dá)到8%。4.1.3 帶通誤差帶通誤差 這是由采樣系統(tǒng)的濾波效應(yīng)所引起的誤差。以超聲風(fēng)溫儀為例，低頻損失在4m/s時(shí)為1.4%，1m/s時(shí)為3%；而在各種風(fēng)速下的高頻損失約為4%。4.1.4 氣流擾動(dòng)誤差氣流擾動(dòng)誤差 這是由超聲探頭支架對氣流的擾動(dòng)所引起的誤差。這種擾動(dòng)會(huì)在探頭附近產(chǎn)生一個(gè)上升氣流，其效果相當(dāng)于傾斜誤差。如果等效傾角為，則湍流通量的修正公式為：其中下標(biāo)m表示觀測值。根據(jù)估算，如果=1，則感熱通量的相對誤差達(dá)3%，而動(dòng)量通量的則達(dá)到20%。4.2 空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)法的誤差分析法的誤差分析 在用迭代法求解U*、T*和q*時(shí)，雖然H

12、和LE沒有關(guān)于U3、T和q的顯 )4 . 4(tanuww) 3 . 4(wu2sin212coswuwummmm2m2mmm示表達(dá)式，但仍可以以中性為例推測一般情況下的定性特征。設(shè)z0與d不相關(guān)，根據(jù)(2.5)、(2.21)和(2.23)式，則有：從上兩式得：其中C、D稱為轉(zhuǎn)換因子，表達(dá)式如下：)6 . 4(dzdzlnzdzlnqULqULLE)5 . 4(dzdzlnzdzlnTUCTUCH120332va*va120332pa*pa)8 . 4(ddDzzCqqUULELE)7 . 4(ddDzzCTTUUHH00330033)9 . 4(zdzln1C034.3 能量平衡法的誤差分析

13、能量平衡法的誤差分析 Bowen比的B值的最大誤差為：它表明：白天Td、Tw大，B的相對誤差?。灰归gTd、Tw小，B的相對誤差大；B值越大，B的相對誤差也越大。H、LE的最大相對誤差為：以上兩式說明：H與LE白天時(shí)誤差小，夜間誤差大。)10. 4(dzdzlndzdzdzzzdzlndzdD121212033)11. 4(TTTTB1BBddww)13. 4(TTTTBGRGRB1BGRGRLELE)12. 4(TTTTBGRGRB1BGRGRHHddwwnnnnddwwnnnn4.4 三種觀測方法的比較三種觀測方法的比較1. 渦旋相關(guān)法：渦旋相關(guān)法： 因?yàn)槟苤苯哟_定湍流通量，故可作為確定湍流

14、通量與通量廓線關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)方法。如果探頭安裝的水平精度高，其測量結(jié)果可達(dá)到較高的精度。2. 空氣動(dòng)力學(xué)法：空氣動(dòng)力學(xué)法： 如果在不粗糙的表面上且采用適當(dāng)?shù)耐坷€關(guān)系，測量湍流通量可得到較高的精度。但通量廓線關(guān)系只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，而且有時(shí)其關(guān)系會(huì)因粗糙度或零值位移的改變而改變。3. 能量平衡法：能量平衡法： 儀器安裝容易、數(shù)據(jù)處理方便，但代表性差，如果溫度、比濕梯度很小 時(shí)（如日出，特別是日落），會(huì)造成通量值的偏大。4.5 觀測資料的質(zhì)量控制觀測資料的質(zhì)量控制 為了得到高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，通常的作法是在觀測前與觀測結(jié)束時(shí)對儀器進(jìn)行水平比較，以期得到儀器的誤差范圍。具體操作如下： 對于風(fēng)速探頭，選擇空曠、地表平坦場地，將同一類的探頭一字排開，架設(shè)在同