EBEX-2000湍流热通量订正和地表能量平衡闭合问题研究

运用EBEX-2000实验资料, 分析超声虚温订正和Webb订正对湍流热通量计算的影响及这两种订正的主要控制因子, 并在对湍流热通量进行修正的基础上简单讨论了能量平衡闭合率(EBR)的影响因子, 结合实际的天气、地形条件给出了比较合理的解释。研究结果表明: 超声虚温订正值为?40~2 W/m², 有明显日变化, 均值为?8 W/m², 主要受大气稳定度和水汽垂直梯度影响; Webb订正值范围为?5~14 W/m², 订正量均值较小, 约1.8 W/m², 白天为正值, 夜间为负值, 主要受波文比和空气比湿的影响, 出现较大修订值的几率很小; 30 min平均的能量平衡闭合比率(EBR)约为0.63, 其日变化幅度剧烈, 日变化幅度及夜间离散度很大, 并且随土壤含水量的突然上升而急剧下降。     

近地层能量闭合率异常的初步分析

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"和兰州大学半干旱气候与环境监测站的观测资料,对近地层能量闭合比率异常情况进行了初步分析.结果表明:实际观测的近地层能量近似平衡,EBR频数分布在1附近达到峰值.EBR异常负值是异常值的主要部分,异常负值和异常正值频次分布均在日出日落及大气弱稳定条件时达到峰值.EBR异常主要发生在净辐射0,湍流通量-40～40 W/m2,大气处于稳定的情况下.大气湍流结构和地表热通量数值大小不是造成EBR异常的主要原因.     

夏季太湖表面辐射和能量通量特征观测分析

利用太湖表面2012年6~8月的辐射和湍流通量观测资料,分析了太湖夏季晴天辐射平衡和能量平衡各组分的日变化特征。结果表明:12012年夏季晴天太湖表面向下、向上短波辐射和向下、向上长波辐射日平均值分别为282.6、19.5、425.8、478.6 W/m2,反照率日平均值为0.05;2夏季晴天净辐射、感热通量、潜热通量和热储项日平均值分别为210.3、3.8、121.8、5.7 W/m2;3夏季晴天感热通量白天为负最小值为-13.4 W/m2,夜间为正最大值为17.3 W/m2。潜热通量晴天白天最大值达到216.6 W/m2,是能量平衡分配的主导;与陆地下垫面不同的是,夜间潜热通量仍保持正值。热储项白天为正,夜间为负,约60%的能量以潜热的形式消耗。天气过程出现时,湖体稳定的正温层被打破,累积热储项急剧减少。     

城市水泥下垫面能量平衡特征的观测与分析

水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种,且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于自然下垫面,是局地天气、气候变化的主要因素之一.利用2005.7与2006.3夏、冬两季,在南京进行的城市边界层外场试验通量观测资料,初步分析了水泥下垫面能量平衡方程中各项特性.结果表明:(1)夏、冬两季水泥下垫面净辐射通量(Rn)白天差异较大,通常有100 W/m2左右,但峰值差异却仅有10 W/m2;虽然夏季夜间地、气温度高于冬季,但夏季夜间水泥下垫面向外释放的净辐射通量小于冬季.(2)由于水泥下垫面的不透水性,潜热通量(LE)通常很小,感热通量(H)则成为水泥下垫面加热大气的最主要方式.夏、冬两季H在白天表现为量值差异;夜间表现为符号差异,即夏季夜间H通常为正值,表明下垫面仍在加热大气,而冬季夜间H为负值,表明下垫面对大气起冷却作用.该特征也是夏季夜间热岛强度明显强于冬季的主要成因.(3)储热项(△Qs)成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项,无论是冬季还是夏季,水泥下垫面△Qs在能量收支过程中所占份额明显大于(H LE);而自然下垫面通常是(H LE)大于△Qs,这正是城、乡下垫面热力性质最主要的差异.     

城市不同下垫面湍流通量的观测和分析

利用榆中县2011年10月2-15日外场实验的湍流观测资料,结合天气背景,对比分析了城市同一区域内不同下垫面的动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的差异特征.结果表明:草地下垫面和混凝土下垫面之间动量通量的差异较小;混凝土下垫面的感热通量整体大于草地下垫面,且在日间差异较大,差异的最大值达109.29 W/m2;草地下垫面的潜热通量在日间明显大于混凝土下垫面,差异的最大值达153.8 W/m2,夜间两下垫面潜热通量差异较小;CO2通量在排放源附近较大.     

湍流动能闭合对区域气候模拟效果影响的机理研究

利用湍流动能(TKE)闭合改进了RegCM2中原高分辨的边界层参数化方案,并用1998年夏的NCEP/NCAR气候资料对TKE闭合方案影响区域气候模拟效果的机理作了探讨.研究表明,在区域气候模式中采用TKE闭合的边界层方案可以将垂直扩散直接与湍流变化联系起来,改善地表通量及各层垂直扩散项的计算,使地表通量和垂直扩散的日变化及各层分布更为合理,从而改进模式对各预报量及降水的模拟,提高模式的模拟能力     

北冰洋海域极昼期间海-冰-气间湍流通量交换特征

利用系留式气象塔探测系统观测到的北冰洋上空气温、湿度、气压、风向和风速等的廓线和梯度资料,使用平均廓线方法和经过大气层结订正交换系数的整体动力学输送公式,计算给出极昼期间该海域不同下垫面的粗糙度长度、动量通量M、曳力系数CDD、感热通量HSS、感热交换系数CHH、潜热通量HLL和潜热交换系数CEE等,其均值变化范围分别为(0.2～1.0)mm,(11.4～91.9)×10-3N/m2,(0.87～1.76)×10-3,-(4.2～12.5)W/m2,(0.84～1.37)×10-3,-6.6～23.6 W/m2和(0.85～1.40)×10-3.曳力系数大于潜热交换系数,而潜热交换系数又大于感热交换系数.此外,动量通量、感热通量和潜热通量与平均风速、平均位温差和平均比湿差有明显的相关关系.     

北京市海淀公园绿地CO2通量变化特征

为了定量评估城市绿地吸收CO2改善城市生态环境的效果,2006年4月—2007年3月在北京海淀公园绿地使用涡度相关系统连续观测CO2通量、总辐射、大气温度,并使用冠层分析仪测量叶面积指数,研究CO2通量的变化及其影响因素.结果表明,绿地CO2通量受植被生物活动的影响呈现明显的季节变化特征,晴天天气状况下CO2通量日均值FCO2在4—10月为负值,绿地是CO2汇,在6—9月是CO2强吸收汇,FCO2约-0.100—-0.120mg/m2.s,而在11—3月FCO2为正值,绿地为CO2源,12—2月是CO2强排放源,FCO2约0.100mg/m2.s.绿地CO2通量受总辐射、LAI、大气温度的显著影响,净辐射的影响明显大于大气温度,净辐射越大、LAI越大、大气温度越高,绿地光合作用吸收CO2的能力越强.观测期间一年海淀公园绿地CO2的净吸收量约为615gCO2/m2.     

林网地区动量、感热和潜热通量的观测研究

本文根据北京大学地球物理系和中国科学院沈阳生态研究所,1989年5月在吉林省乾安县防风林带区农田中进行的大气边界层及微气象观测得风、温、湿、气压及热量平衡等资料,利用近地面层相似理论的通量廓线关系和能量平衡方程,导出的波文比方法、空气动力学方法、能量平衡方法以及廓线梯度法,计算了林网内上下层的动量通量、感热通量和潜热通量。结果表明:(1)2—4m处动量通量一般小于0.5kgm~(-1)s~(-2),14—16m处一般小于3.0kgm~(-1)s~(-2),并且波动较大;(2)感热通量有较强的日变化规律,并且2—4m处的值大于14—16m处的值,(3)潜热通量在2—4m处小于1—16m的值,在中午前后2—4m并出现负的值;(4)空气动力学方法、能量平衡方法与波文比方法计算结果比较吻合,而梯度法应用于2—4m处的计算结果偏小,因此,梯度法不适用于防护林树冠下层通量的计算。     

ATMS卫星资料偏差订正方法研究

ATMS是继AMSUA/MHS之后新一代微波垂直探测仪,其空间分辨率和湿度探测通道数均有较大提升。对于新一代垂直探测仪资料同化应用,资料偏差订正尤为关键。研究了NPP卫星搭载的新一代微波探测仪(ATMS)资料偏差订正问题。根据ATMS资料特点,以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TIROS大气垂直探测仪(TOVS)资料离线偏差订正经验方法为基础,在WRFDA框架下,对数值预报起主要作用的10个ATMS通道亮温进行偏差订正。统计结果表明:1扫描偏差具有纬度依赖性,各通道不同纬度带和各扫描位置表现出不同特征;2通过对比偏差订正前后观测残差概率密度分布特征,获得订正结果是合理的。偏差订正后的ATMS观测残差概率分布更接近于均值为0的高斯分布;3经过偏差订正后,大多通道观测残差标准差有所降低,个别湿度通道减小幅度不大,特别是19通道还有增大的现象。     

土地利用变化对城市气象环境影响的数值研究

采用南京大学的三维非静力区域边界层模式,选取典型天气状况作为代表,对北京1980、1990、2000及2004年不同土地利用类型冬夏两季的城市边界层特征进行数值模拟,结果表明:城市土地利用状况的改变对边界层热力及动力结构产生显著的影响,这种影响在夏季个例的日间尤为明显.如,由于建筑储热能力变化,地表反照率变化,导致城市表能量平衡重新分配,1980年个例较之2004年个例,夏季城市区域平均净辐射通量增加160 W.m-2.城市植被覆盖率减小,地表湿度降低,使得潜热通量最大减小81 W.m-2,感热通量则最大增加146 W.m-2.热通量和动量通量增大,地气相互作用的加剧,夏季城市区域气温增幅最大达2.2℃.建筑物高度及密度增大,湍能增强,且影响高度增大,混合层高度增加,使水汽等物质输送加强,分布更加均匀.城市动力粗糙度增加引起的阻尼作用在风速大时较明显,北京冬季日间风速较大,风速减少最大可达2.02 m.s-1;然而冬季大气层结较为稳定,湍能发展受到抑制,湍能及通量输送的变化不如夏季个例明显;地表较为干燥、植被覆盖稀少,潜热减小及感热增加的变化幅度较小,增温变化也不如夏季个例明显.     

亚热带红壤丘陵区非均匀地表能量通量的初步研究

在千烟洲站亚热带红壤丘陵区人工林生态系统,利用涡度相关技术研究了非均匀下垫面能量通量各个组成部分的日变化进程。本站能量平衡在冬季以感热通量为主,从春季开始树木进入生长季,以潜热通量为主。测站净辐射最高值冬季可达474.8W·m-2,春季达723.1W·m-2。感热通量在冬季最大值达278.68W·m-2,春季达305.02W·m-2。潜热通量在冬季最大值123.84W·m-2,春季最高达402.04W·m-2。土壤热通量一般最高值出现在午后15∶30,最低值则出现在清晨7∶00～8∶00。本站的能量平衡率一般在60%～98%。能量不闭合的原因初步认为有两个方面:①测定源的面积可能有误差;②忽略了水平对流产生的影响。从而提出了今后的研究重点。     

大理涡动相关观测数据的处理及质量评价研究

依据大理国家气候观象台涡动相关仪2011年实测数据,采用目前主要的湍流通量数据处理和质量评价方法,对原始湍流数据进行一系列的预处理以及定量分析各处理步骤对湍流通量计算结果的影响,同时以湍流平稳性和通量方差相似性检验为指标对数据进行质量评价分析,并应用解析足迹模型对湍流通量观测的空间代表性进行初步分析.结果表明:对大理站来说,湍流通量计算的平均时间选取30 min为宜.剔除野点、二次坐标轴旋转、超声虚温修正、时间滞后校正、频率响应修正以及WPL修正处理会对湍流通量计算结果带来不同程度的影响,尤其是二次坐标轴旋转对动量通量以及WPL修正对CO2通量的影响较为显著.湍流平稳性和通量方差相似性检验结果显示,涡动相关通量观测数据总体质量较好,动量通量、感热通量、潜热通量以及CO2通量中高质量数据所占比例分别为59.4 %、64.2 %、63.8 %、63.2 %.湍流通量源区分析表明,源区整体呈西北东南向分布,位于测站东南方向的区域是湍流通量观测的主要贡献源区.     

乌鲁木齐市2009年大气离子湿沉降通量变化特征分析

通过对乌鲁木齐市2009年酸沉降监测资料的分析,研究了主要离子湿沉降通量的变化特征.结果表明,乌鲁木齐市的湿沉降污染严重.硫湿沉降量主要源于本地SO2的排放,极值出现在4月份为4.56g/m2,氮湿沉降通量的极值出现在6月为1.49g/m2,钙湿沉降通量的极值出现在7月为6.66g/m2,硫、钙湿沉降量均值分别为3.09,3.22g/m2,分别是全国平均值的2.6和3.4倍,均高于其他省市.氮湿沉降量均值为0.99g/m2,略低于全国平均值.     

东北半干旱地区辐射收支与地表能量分析——以锦州地区为例

本研究利用2015年锦州通量观测站实测资料,对东北半干旱地区的地表辐射收支、能量平衡、地表反照率和能量闭合度等方面进行分析,得出以下结论:锦州地区向下短波辐射、地面向上短波辐射和地面向上长波辐射有明显的日变化特征,而大气向下长波辐射没有.该地区8月午后易产生对流云,致使向下短波辐射日变化在午后有明显波动.净辐射平均积分值8月为12.7 MJ/m~2, 12月为-0.9 MJ/m~2,冬季全天均由土壤向地表传递能量,所以夏季盈余的能量可能储存到深层土壤,在冬季释放.感热和潜热随净辐射有相同的增减趋势,日变化并不平滑,有多个峰值.平均地表反照率12月(0.21)明显高于8月(0.18).受不同天气条件影响,在不同季节,各辐射分量的日变化特征不同.降水通过改变土壤湿度会对感热、潜热和地表反照率产生影响.采用过原点和有截距两种不同的拟合方法来评估锦州冬夏的能量闭合度,对比结果发现,冬季能量闭合度均远低于夏季.     

城市大气边界层的综合观测研究——实验介绍与近地层微气象特征分析

介绍了南京大学大气科学系依托国家自然科学基金重点项目<城市边界层三维结构研究>在南京进行的两次城市边界层综合观测实验(时间分别在2005年夏季与2006年冬季),对实验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些城市近地层微气象学的基本特征,并对结果进行了讨论.主要结果为:市区气温明显高于郊区,体现出城市热岛效应的存在,且市区与郊区的气温差异随高度的增加而减小;2006年冬季观测期间,市区的风速比郊区约小1 m/s,反映出城市建筑物对气流的摩擦、阻尼和拖曳等作用,这些作用使得平均风速在城市上空衰减,并使一部分气流平均动能转化为湍流动能;市区白天的感热通量与郊区相当,但潜热通量远小于郊区,因此市区的鲍恩比远大于郊区.市区下垫面储热项在地表能量分配中占有较大份额,成为城市热岛效应的主要成因;夏季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高34%;冬季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高23%.这种夏季大于冬季、市区大于郊区的现象表明,由于冬/夏热力学性质和城/郊下垫面动力学性质的不同而引起湍流活动的差异;为了定量地衡量气流平均场转化为湍流场的效率,表述动量输送的强弱,我们引入了一个新的变量:归一化摩擦速度.对冬/夏两季和城/郊两地的比较发现,归一化摩擦速度具有很好的相似性和一致性,它表现为一个不随季节和时间变化的常数;通过比较水平湍流方差σ2u+σ2v与垂直湍流方差σ2w的方法,来更直观地研究湍流能量在水平和垂直两个方向上的分配特征.在2006年冬季观测期间,市区的σ2w/(σ2u+σ2v)平均值为0.16,郊区为0.14,市区湍流能量在垂直方向所占份额略高于郊区.     

西北干旱区玉米农田光合作用对地表能量平衡的影响

基于"黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验"的涡动相关通量观测数据与气象资料,拟合了张掖地区玉米农田的土壤呼吸速率,估算玉米的植物光合作用,分析光合作用对地表能量闭合率的影响.结果显示:张掖地区玉米农田土壤呼吸速率与4 cm深度的土壤温度和土壤水分相关性最大,选取该深度处土壤温度和水分拟合土壤呼吸速率.土壤温度和土壤水分的单因子拟合模型均不适用于6月下旬玉米农田土壤呼吸速率拟合,确定了以土壤温度和土壤水分为双因子的非线性双幂模型及其参数.考虑植物光合作用时,地表能量闭合率的提升幅度为2.0%～3.5%,平均约2.7%.植物光合作用与土壤呼吸作用均表现出明显的单峰日变化趋势,前者峰值比后者提前近2 h;与土壤呼吸作用相比,植物光合作用日变化剧烈,变化幅度也较强.准确拟合土壤呼吸速率对植物光合作用估算有很大影响,对于地表能量闭合率研究,植物光合作用的贡献不容忽略.     

扰动近地层湍流互谱特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料,对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析,重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示,低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致,基本遵循外层标度律(OLS)模型;高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响,湍流互谱低频能量显著增强,且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值,峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系,主要的3个涡旋尺度分别为800,400和200m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响:上层大于下层,不稳定时大于稳定时。     

扰动近地层湍流互谱特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料, 对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析, 重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示, 低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致, 基本遵循外层标度律(OLS)模型; 高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响, 湍流互谱低频能量显著增强, 且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值, 峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系, 主要的3个涡旋尺度分别为800, 400和200 m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响: 上层大于下层, 不稳定时大于稳定时。     

利用MODIS数据估算晴空半干旱地表潜热通量

为研究我国半干旱区域地表潜热通量分布特征, 建立了一套不需要将地面气象观测数据作为输入而仅用卫星数据来估算晴空条件下半干旱地表潜热能量的方案。该方案设计了针对半干旱地表的净辐射通量参数化方法和土壤热通量估算模型, 利用S-SEBI模型计算蒸发比率, 根据能量平衡原理得到潜热通量。基于MODIS陆地和大气产品, 利用该方案进行潜热通量估算研究,并采用2003, 2004和2005年6?11月间退化草地和农田晴空数据进行验证。与地面站点观测数据对比结果表明该方案能有效计算地表潜热通量: 在退化草地和农田两个站点上, 该方案计算的地表潜热通量的均方根误差分别为60.4和64.6 W/m², 平均偏差分别为18.6和32.4 W/m²。