大氣探測學(xué)多媒體第11章降水和蒸發(fā)的觀測課件

第十一章降水、蒸發(fā)的測量＆11.1概述＆11.2降水的觀測＆11.3蒸發(fā)的觀測＆11.4微氣象法計(jì)算蒸發(fā)散量的方法＆11.5復(fù)習(xí)思考題＆11.1概述降水、蒸發(fā)觀測的意義。＆11.2降水的觀測一、要素：降水量、降水時(shí)數(shù)、降水強(qiáng)度

1.降水量：降落在地面上未經(jīng)蒸發(fā)、滲透或流失的液態(tài)或固態(tài)降水的積水量。以積水的深度表示，單位為mm，取一位小數(shù)。2.降水強(qiáng)度：單位時(shí)間內(nèi)的降水量，以mm/h為單位。3.降水時(shí)數(shù)：降水持續(xù)的時(shí)間，以h,min為單位。蒸發(fā)的測量氣象測量的蒸發(fā)量指水面蒸發(fā)量蒸發(fā)量：在一定口徑的蒸發(fā)器中，在一定時(shí)間間隔內(nèi)因蒸發(fā)而失去的水層深度。以毫米為單位，取一位小數(shù)。小型蒸發(fā)器雨量計(jì)

（1）雨量筒：用于承接降水量；（2）雨量杯：用于測量降水量；

二、常用降水量測量儀器有：雨量器、虹吸式雨量計(jì)、翻斗式雨量計(jì)。

1.雨量器原理：包括：

若承接口的半徑為R，量杯的半徑為r，則降水量1mm時(shí)，在量杯中應(yīng)為hmm，即：（11.1)

我國現(xiàn)用的雨量器R=10cm,r=2cm。由此可知，桶內(nèi)積水深度為1mm時(shí)，量杯內(nèi)水深為25mm，因此，可將量杯上每2.5mm刻制一條線，代表降水量為0.1mm。（3）雨量器的安裝：雨量器應(yīng)安裝在觀測場內(nèi)固定的架子上，承接口保持水平。我國規(guī)定承接口距地面70cm，冬季積雪較深的地區(qū)，當(dāng)積雪深度超過30cm時(shí)，應(yīng)距地1.0-1.2m高。2.雨量計(jì)的測量原理：

能連續(xù)記錄降水量、降水時(shí)間，表示降水隨時(shí)間變化，并由此可計(jì)算降水強(qiáng)度。常用的有：虹吸式雨量計(jì)；翻斗式雨量計(jì)兩種。2.1虹吸式雨量計(jì)的測量原理虹吸原理圖：包括：承接口、漏斗、自記系統(tǒng)（自計(jì)鐘、自記紙、自記筆）、浮子、浮子室、虹吸管、盛水器等。當(dāng)有液體降水時(shí)，降水從承接口經(jīng)漏斗進(jìn)入浮子室。浮子室是一個(gè)圓桶容器，內(nèi)裝浮子，外接虹吸管，降水使浮子上升，帶動(dòng)自記筆在鐘筒自記紙上畫出記錄曲線。虹吸式雨量計(jì)2.2翻斗式雨量計(jì)的測量原理翻斗式雨量計(jì)由:感應(yīng)器、記錄器、電源組成;

感應(yīng)器安裝在室外由:承接器、上翻斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗、干簧管組成;

記錄器安裝在室內(nèi)由:計(jì)數(shù)器、記錄系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)組成;

感應(yīng)器的工作過程是,承接器中收集的降水通過漏斗進(jìn)入上翻斗,當(dāng)降水積到一定量時(shí),由于水的重力作用,使翻斗翻轉(zhuǎn),使降水進(jìn)入?yún)R集漏斗。由匯集漏斗進(jìn)入計(jì)量翻斗，當(dāng)計(jì)量翻斗中的降水量為0.1mm時(shí)，計(jì)量翻斗將降水倒入計(jì)數(shù)翻斗，使計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次。計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)，與它相聯(lián)的磁鋼對(duì)干簧管掃描一次。干簧管因磁化而瞬時(shí)閉合一次，這樣，降水量每達(dá)到0.1mm，就送出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，通過記錄器在記錄紙上記下0.1mm的降水量。降水→承接器→上翻斗→匯集漏斗→計(jì)量翻斗→計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次→送出一個(gè)信號(hào)→記錄一個(gè)0.1mm的降水量。翻斗式雨量計(jì)＆11.3蒸發(fā)的觀測

由于蒸發(fā)而消耗的水量稱蒸發(fā)量。氣象臺(tái)站測定的蒸發(fā)量是水面蒸發(fā)量，即一定面積的水面在一定時(shí)間間隔內(nèi)因蒸發(fā)損失的水層厚度，以mm為單位，取一位小數(shù)。一、測量蒸發(fā)量的臺(tái)站儀器1、小型蒸發(fā)器圖示

小型蒸發(fā)器為一口徑為20cm，高10cm的金屬筒。為防止鳥獸飲水，器口裝有輻射狀的鐵絲網(wǎng)罩。 蒸發(fā)器安裝在觀測場的雨量器旁邊，器口水平，離地面高70cm。觀測時(shí)，應(yīng)在前一天用雨量杯取請(qǐng)水20mm，倒入蒸發(fā)器內(nèi)，經(jīng)24小時(shí)后，再測蒸發(fā)器內(nèi)所剩的水量，減少的水量即為蒸發(fā)量，如24小時(shí)內(nèi)有降水，蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

蒸發(fā)量=原量+降水量-余量2、E601蒸發(fā)器

圖示

主要由：蒸發(fā)桶、水圈、溢流筒、測針組成；蒸發(fā)桶器口面積為3000cm2。在桶壁上開有溢流孔，用膠管與溢流孔相連，以承接因降水從蒸發(fā)桶內(nèi)溢出的水量。桶涂成白色，以減少太陽輻射。水圈是裝置在蒸發(fā)桶外圍的套，用以減少太陽輻射及濺水對(duì)蒸發(fā)的影響。測針用于測量蒸發(fā)器內(nèi)的水面高度。觀測時(shí)，調(diào)整測針與水面相切，從游標(biāo)尺上讀出水面高度，讀數(shù)可精確到0.1mm，則：

蒸發(fā)量=前一日水面高度+降水量-測量時(shí)水面高度其中降水量以雨量器的觀測值為準(zhǔn)。3、Lysimeter蒸散量測量儀（蒸滲儀）圖示 土壤表面與植被系統(tǒng)的蒸散量的測量是較復(fù)雜的。包括土壤表面的蒸發(fā)、植被的蒸騰等，它們與土壤含水量、水的徑流、滲漏及大氣的溫度、濕度和風(fēng)速有關(guān)。蒸散量=當(dāng)日土柱重量-前日土柱重量-降水量-澆灌量

若降水量=0；澆灌量=0蒸散量=當(dāng)日土柱重量-前日土柱重量蒸發(fā)、蒸騰與蒸散的關(guān)系

由湍流及熱力作用從地面損失的水分，稱之為蒸發(fā)；從植被冠層損失的水分稱之為蒸騰；蒸發(fā)與蒸騰之和之為蒸散。一般蒸發(fā)與土壤含水量、大氣熱力、動(dòng)力及大氣層的水汽壓、飽和水氣壓有關(guān)。另外，風(fēng)速的增大有助于水汽的擴(kuò)散輸送，故蒸發(fā)率隨風(fēng)速增大而增大，所以，蒸發(fā)率E可簡單地表示為式中f(u)通常采用以下形式：

式中A、B和n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。因此，在蒸發(fā)面適當(dāng)高度上測得風(fēng)速、大氣壓力、干、濕球溫度，即可計(jì)算蒸發(fā)率E。其中水體表面的蒸發(fā)如何計(jì)算？森林表面的蒸騰、地表蒸發(fā)如何計(jì)算？＆11.1概述降水蒸發(fā)觀測的意義。微氣象觀測系統(tǒng)

EBEX2000試驗(yàn)場地＆11.1概述降水蒸發(fā)觀測的意義。森林與大氣界面物質(zhì)、能量輸送研究RnTsGT,RH,U;CO2,H2ORpRp,PAR,Sn,Rn,Ta,Ts,RH,LW,SW,CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2ORp,PAR,Sn,Rn,Ta,Ts,RH,LW,SW,CO2,H2OPhotosynthesisMeasurementSystemChamberMeasurementWsRnco2微氣象觀測系統(tǒng)1、渦動(dòng)相關(guān)法 地球表面能量、物質(zhì)的輸送是由大大小小的極不規(guī)則的湍流渦旋完成的。通常把這種湍流運(yùn)動(dòng)分成兩部分：即平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)風(fēng)速來說，若平均運(yùn)動(dòng)用平均速度用表示，脈動(dòng)速度用表示。因此，對(duì)任意時(shí)刻水平和垂直運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)值可表示為

這種平均的示意圖見圖3.6。上述式中T為進(jìn)行平均的時(shí)間間隔，t0是時(shí)間間隔的中心，代表均值出現(xiàn)的時(shí)刻。脈動(dòng)風(fēng)速的平均值理論上應(yīng)都等于0，即

(11.1)(11.2)

但是不能肯定脈動(dòng)風(fēng)速的平方及乘積的平均值（如）必然為0。

風(fēng)速的上述特性，同樣適用于其它要素，如，溫度、濕度等,分別為位溫脈動(dòng)（或溫度脈動(dòng)）和比濕脈動(dòng)，則

對(duì)于近地氣層，考慮到本層的特點(diǎn)，各種物理量：動(dòng)量、熱量和水汽通量等的垂直輸送作用要比水平方向輸送的作用大得多，所以，我們著重考慮的將是這些物理量的垂直輸送。(11.3)(11.4)(11.5)

從以上分析中可以得到啟發(fā)，對(duì)于近地層動(dòng)量、熱量和水汽的輸送，顯然也是因?yàn)橥牧髅}動(dòng)的結(jié)果，于是，動(dòng)量、熱量、水汽的垂直輸送可寫成：

的測量一般是采用超聲風(fēng)速溫度儀（ultra-sonicanemometer/thermometer)測量，而則用LaymanArfa(L—）濕度儀測量。這樣，我們了解了動(dòng)量、熱量以及水汽在近地面層中交換的過程。但是，問題遠(yuǎn)沒有解決，、H、LE的進(jìn)一步確定，有沒有更方便的方法？下面我們就來討論由此而引起的一些問題。(11.6)(11.7)(11.8)(11.9)(11.10)(11.11)2、梯度法原理（湍流擴(kuò)散法）

因?yàn)榈臏y量和數(shù)據(jù)的處理相對(duì)比較復(fù)雜，那么，有沒有能用這些要素的平均值及其梯度值來計(jì)算的方法呢？于是人們首先就想到了湍流運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)的相似性，進(jìn)行模擬。即用虛擬的粘滯性系數(shù)、傳導(dǎo)系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)來表示動(dòng)量或任何其它的物理屬性的輸送，這些系數(shù)的定義，與分子方面的相應(yīng)各系數(shù)的定義極為相似，這些系數(shù)統(tǒng)稱為湍流交換系數(shù)。根據(jù)這種設(shè)想，可以寫出任一物理屬性的垂直擴(kuò)散方程

式中為任一要素值。對(duì)應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)量、熱量、水汽、二氧化碳等的垂直擴(kuò)散方程為：

(11.12)

式中分別為風(fēng)速、溫度、比濕和二氧化碳的垂直梯度。K為湍流交換系數(shù)，可以理解為：當(dāng)物理量的梯度為L時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)，單位質(zhì)量空氣中所含物理量S，因湍流作用而沿垂直方向輸送的數(shù)量。K的量綱是表示。 這樣，我們把計(jì)算各種物理量沿垂直方向輸送的任務(wù)歸結(jié)于計(jì)算K的大小，只要把K確定了，計(jì)算各種物理量的通量地問題就解決了。但是，K如何確定呢？(11.16)(11.15)(11.14)(11.13)

要確定K還需要更進(jìn)一步求助于分子交換理論，引進(jìn)所謂的混合長度的概念，這就是所謂的普蘭德混合長理論。根據(jù)這個(gè)理論，混合長可以比擬為“分子平均自由程”。假定：由于湍流運(yùn)動(dòng)，有一個(gè)湍渦，（在湍流運(yùn)動(dòng)中類似于分子的最小單體，是由一團(tuán)靠得很近的流體組成）從原來的高度z處脫離出來，帶了與該高度平均運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)量，沿垂直方向到達(dá)新的高度z+L處，在這里這個(gè)“湍渦”重新與主流相混合。(11.17)(11.18)(11.19)(11.20)

如果能在兩個(gè)高度上進(jìn)行風(fēng)速觀測,得:

式中上的平均風(fēng)速。從上式可以看出，交換系數(shù)K的大小與兩個(gè)高度的風(fēng)速差（實(shí)際上就是風(fēng)切變）成正比，同時(shí)還隨離地面高度z的增加而線性增大。這是不難理解的，因?yàn)樯舷聦又g風(fēng)速切越大，垂直方向的動(dòng)量交換就越多，湍流就越發(fā)展，K就越多。另外，離地面愈高，地面影響就愈小，因而也愈有利于湍流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

(11.21)(11.22)

此外，在近地氣層中的風(fēng)廓線應(yīng)是一對(duì)數(shù)曲線。由此，還可以引出地面粗糙度的概念來。如果我們以地面某一高度z0上風(fēng)速代替式中，于是就可得到

(11.23)

上式為大氣為中性時(shí)在近地面層中風(fēng)速隨高度的變化。

下近地面上風(fēng)速隨高度的變化.z0為粗糙度高度。它隨穩(wěn)定度而變化。在實(shí)際工作中可風(fēng)速廓線線性回歸，或?qū)L(fēng)速廓線圖上曲線外延，及至它與代表高度的坐標(biāo)軸相交，即平均風(fēng)速為0，這個(gè)高度就是粗糙度高度。(11.24)

(3.46)式為不同穩(wěn)定

穩(wěn)定度參數(shù)理查遜數(shù) 上面我們討論的湍流運(yùn)動(dòng)都是指的由于風(fēng)的垂直切變，也就是動(dòng)力因素引起的運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)力湍流（強(qiáng)迫對(duì)流）。還存在一種由熱力條件引起的對(duì)流，稱為熱力對(duì)流。在實(shí)際大氣中，湍流運(yùn)動(dòng)總是在動(dòng)力和熱力（浮力）的共同作用下發(fā)生、發(fā)展起來。里查遜（Richardson）數(shù)就是一個(gè)判別湍流運(yùn)動(dòng)消長的參數(shù)。里查遜數(shù)可以從兩個(gè)途徑獲得，一個(gè)是直接從平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為湍流，從貼地氣層的能量平衡方程中導(dǎo)出；另一種則從因次理論角度求得，為一無因次數(shù)，其大小決定于位溫、位溫梯度、重力加速度和風(fēng)速梯度。

現(xiàn)在我們來討論里查遜數(shù)的物理意義。由（6.47）看出，里查遜數(shù)表明了流體沿垂直方向運(yùn)動(dòng)抵抗重力的作功率與湍流能量的供給率的比值，亦即表明了熱力因素與動(dòng)力因素的比例關(guān)系，說明穩(wěn)定度條件對(duì)于交換的影響。(11.25)

根據(jù)里查遜數(shù)可以了解大氣中湍流發(fā)展的程度。我們可作如下三種情況討論：（1）此時(shí)大氣層結(jié)穩(wěn)定，熱力作用阻礙湍流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。（2）溫度層結(jié)是中性的.（3）層結(jié)不穩(wěn)定，湍流隨著不穩(wěn)定度的增加而加強(qiáng)。 由于湍流運(yùn)動(dòng)有明顯的日變化，所以里查遜數(shù)也具有明顯的日變化。早晨日出之后，地面急驟增溫，，大氣不穩(wěn)定，湍流運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng)（的負(fù)絕對(duì)值不斷增加）。午后，達(dá)到負(fù)的極大值，此時(shí)湍流最為強(qiáng)烈，近地面層風(fēng)速也達(dá)到最大。爾后，的絕對(duì)值慢慢減小，到傍晚就開始出現(xiàn)逆溫，由于穩(wěn)定層結(jié)對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)施加反向影響，阻礙它的發(fā)展，湍流減弱。

3、熱量平衡方法 這是一種以能量守衡定律為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。實(shí)際上是一種余項(xiàng)法。在環(huán)境生態(tài)研究中如有輻射平衡觀測資料時(shí)，使用此法較好。地表面熱量平衡方程為

或(11.26)其中Rn為輻射平衡，其余符號(hào)都是已知量。如果以差分代替微分，并從中解出K，可得

(11.27)(11.28)或直接求出湍流熱通量和蒸發(fā)耗熱項(xiàng)，則有

(11.29)(11.30)式中樣實(shí)用時(shí)可作一些具體規(guī)定；如以對(duì)于海拔高度較低的地方以毫巴為單位）；代入（11.27）、（11.29）和（11.30）后，可得實(shí)用的熱量平衡法的計(jì)算式，有

(11.32)(11.31)(11.33)

為了保證計(jì)算的精度，我們規(guī)定當(dāng)滿足時(shí)，才能使用上述公式。對(duì)于高山地區(qū)，上述計(jì)算式還需作氣壓和密度的高度訂正，訂正后的計(jì)算式分別為

(11.34)(11.35)(11.36)

4、空氣動(dòng)力學(xué)方法

空氣動(dòng)力學(xué)方法是根據(jù)近地面層空氣動(dòng)力學(xué)特征，計(jì)算能量和物質(zhì)通量的輸送過程。風(fēng)速、溫度、濕度、二氧化碳或氧化亞氮輸送的梯度表達(dá)式為：

(11.39)(11.40）(11.41)(11.42)

由（11.39）—（11.42）可得

式中k為Karman常數(shù)；為濕度表常數(shù)，;d為位移長度(d=0.63h,h為植被高度）；分別為風(fēng)速、溫度、濕度和二氧化碳及氧化亞氮的穩(wěn)定度通用函數(shù)，它們的表達(dá)式為

(11.43)(11.44)(11.45)(11.46)(11.47)(11.48)(11.49)(11.50)系數(shù)見下表.

表6.5風(fēng)、溫、濕穩(wěn)定度函數(shù)表達(dá)式系數(shù)

____________________________________________________________________________來源k_____________________________________________________________________________Businger(1971)4.715.06.49.00.35Panison(1970)