（大气物理学与大气环境专业论文）南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 利用2 0 0 7 年1 1 月1 5 日一1 2 月2 9 日在南京信息工程大学中苑田径场对雾 进行综合观测获取的资料，分析了南京市郊秋冬季节近地层的湍流、辐射特征 及与雾宏、微观过程的联系；验证了m o n i n o b u k h o v 相似理论在郊区下垫面的 适用性；研究了不同天气条件下近地层的湍流通量特征。结果表明： 1 稳定、不稳定层结条件下，三个方向的无因次速度分量方差与z l 之 间的关系都符合“1 3 ”次律；近中性层结中无因次速度湍流方差近似为常数，其 变化规律表现为仃。u 。 叮，玑 仃。u ；根据无因次速度分量方差、温度通量、 无因次温度方差随稳定度的变化关系，将南京郊区大气边界层近地层分成三个 区，其阈值定为0 1 ，当z l o 1 时为稳定区，一o 1 1 w 规律， 但仅在垂直方向的湍流运动满足泰勒假说的条件。 2 三维风速的湍流能谱在惯性副区内基本符合2 3 次方定律；垂直方向 湍流能谱极大值所对应的频率比水平方向高一个量级。感热通量、潜热通量和 动量通量均存在明显的日变化规律，在近地层地气热量交换中，潜热输送的贡 献不可忽略。不同天气条件对短波辐射的影响较大，而对长波辐射的影响较小； 随着云量和水汽的增加，太阳短波辐射减小，而大气逆辐射增加。 3 利用2 0 0 7 年1 2 月1 4 日1 5 日一次辐射雾过程的综合分析，发现在辐 射雾的发展过程中，长波辐射是近地层大气冷却、凝结形成雾的主要因子，雾 滴凝结释放潜热造成的湍流运动增强是雾垂直向上发展的动力因素；而太阳短 波辐射增强导致的近地层升温和湍流运动增强则是促使雾消散的关键因素。 关键词：南京；湍流：辐射；雾 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 a b s t r a c t t u r b u l e n c ea n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nt h es u r f a c el a y e ri nt h en o r t h s u b u r bo fn a n ji n gc i t yi na u t u m n w i n t e rs e a s o na n dt h e i re f f e c to nr a d i a t i o nf o g w e r ea n a l y z e du s i n gt h eb o u n d a r yl a y e ro b s e r v a t i o n sa tas i t ei nn a n j i n gu n i v e r s i t y o fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( n u i s t ) f r o m 15n o v e m b e rt o2 9 d e c e m b e r2 0 0 7 t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o n i n - o b u k h o vs i m i l a r i t yt h e o r ya b o v e t h es u b i u r bi sv e r i f i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 。u n d e rb o t hs t a b l ea n du n s t a b l ec o n d i t i o n s ，0 0 u ，o vf u ，o u c o n f o r mt ot h e “1 3 ”p o w e rl a w , b u ta p p r o x i m a t ec o n s t a n tu n d e rn e a r l yn e u t r a ll a y e r ，a n dt h e g e n e r a lt r e n do ft h ed i m e n s i o n l e s ss t a n d a r dd e v i a t i o n si s 仃“u , 仃，u , 仃，u , t h eb o u n d a r yl a y e r si nt h en a n ji n g ss u b u r bm a yb ed i v i d e di n t ot h et h r e et y p e s a c c o r d i n gt ov a l u e so fs t r a t i f i c a t i o np a r a m e t e r ：s t a b l e ( z l o 1 ) ，u n s t a b l e ( z l - o 1 ) a n dn e a r l yn e u t r a lb o u n d a r yl a y e r s i ti ss e e nt h a tu n d e rd i f f e r e n ts t a b i l i t yc o n d i t i o n s ， t h eo r d e r i i 1 wi sa l w a y sv a l i di nn a n j i n g ! ss u b u r b ，b u to n l y t h ev e r t i c a l t u r b u l e n c em o t i o n si nt h en a n j i n g ss u b u r bs a t i s f y t h ec o n d i t i o n so ft a y l o r s h y p o t h e s i s 2 t h et u r b u l e n c es p e c t r u mo fw i n di ss a t i s f i e dw i t h “一2 3 ”p o w e rl a wi nt h e i n e r t i a ls u b r a n g e t h e 疳e q u e n c yc o r r e s p o n d i n gt ot h em a x i m u mo ft h ev e r t i c a l t u r b u l e n ts p e c t r u mi sh i g h e rt h a nh o r i z o n t a l t h ec h a n g eo fs e n s i b l eh e a tf l u x ，l a t e n t h e a tf l u xa n dm o m e n t u mf l u xs h o ws i g n i f i c a n td i u r n a lv a f i a t i o l l ，t h ec o n t r i b u t i o no f l a t e n th e a tf l u xt ov e r t i c a lh e a tt r a n s p o r ti nt h ee a r t h - a t m o s p h e r es y s t e mc a nn o tb e i g n o r e d t h ee f f e c to fw e a t h e rc o n d i t i o n so nt h es h o r t w a v er a d i a t i o ni sl a r g e rt h a n l o n g w a v er a d i a t i o n , t h es h o r t w a v er a d i a t i o nr e d u c e da n dt h ea t m o s p h e r i cc o u n t e r r a d i a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ec l o u dc o v e ra n dv a p o u ri n c r e a s i n g 3 at y p i c a lr a d i a t i o nf o go c c u r r e di nn a n j i n gd u r i n g1 4 - 15d e c e m b e r2 0 0 7i s a n a l y z e d ，i ts h o w st h a tl o n g w a v e r a d i a t i o ni st h em a i nf a c t o rf o rc o o l i n ga n d c o n d e n s a t i o nd u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fr a d i a t i o nf o g ，t h et u r b u l e n c ec a u s e db y d r o p l e t sc o n d e n s a t i o ni s t h ed y n a m i cf a c t o rt oi n c r e a s et h ev e r t i c a ld e v e l o p m e n to f h 南京信息工程大学硕士学位论文 f o g ，b u tt h en e a r l ys t r a t aw a n n i n ga n dt u r b u l e n tm o t i o nc a u s e db y s o l a rs h o r t w a v e r a d i a t i o ni n c r e a s i n gd i r e c t l yp r o m p tt h ef o gd i s p e r s a l 。 k e yw o r d s ：n a n j i n g ，t u r b u l e n c e ，r a d i a t i o n , f o g i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：盘两立蜀 日 期：趣：羔三： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 盔面蝎 日 期：碰，沙 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 地面是大气的底边界，这个边界上的输送过程，影响了底层1 0 0m 到3 0 0 0m 的大气。 大气边界层是地球大气之间物质和能量交换的桥梁，以地表热量、辐射平衡为主的能量 交换过程是地气之间相互作用的重要方式，全球变化的区域响应、各种自然或人为因素对 气候变化的影响主要是在大气边界层中通过地表热量和辐射平衡过程来实现的。所以城市 地表热量平衡和辐射收支及能量交换的研究也是全球气候异常和地气相互作用研究中极为 重要的方面。人类主要活动区域是在大气边界层，因此人体健康与大气环境密切相关。在 城市，尤其是大城市，人口、机动车、燃煤量的增加，以及城市工业化的发展，大量的废 气和尘埃被排放到大气中；加之城市建设改变了城市的小气候，使得在无强冷空气活动的 情况下，城市大气扩散能力极差，造成大气质量不断恶化，从而危害到人体健康，影响人 类的正常生活。由于各个城市不同的地理环境和下垫面特征都会影响下垫面辐射特征及热 力和动力过程，并受观测仪器、研究方法和城市观测环境复杂性的限制，仍有许多问题亟 待解决。 雾是发生在大气边界层中的一种常见的天气现象，其发生、发展、消散过程与大气边 界层的空气运动及大气污染状况密切相关。南京位于长江三角洲西部，所处区域濒临东海 和黄海，区域内水系密集，空气中水汽含量充足，是我国冬季雾的高发区之一【1 ，2 1 ，南京全 年的平均雾日为2 3 9 天，以1 1 月份雾日最多，平均有4 2 天，处于秋、冬之交的1 1 、1 2 月共7 5 天的平均雾日，占全年的3 1 4 ，是雾发生频率最高的季节1 3 】。同时，该区域机场、 港口和高速公路非常密集，运输量巨大，也是雾害评价中最脆弱区之一【4 l 。湍流和辐射是 影响雾发展过程的重要因素，对大雾高发期近地层大气湍流结构及其与雾宏、微观过程的 联系进行研究具有重要意义。 1 2 大气边界层湍流研究进展 湍流是边界层大气中主要的运动形态，湍流对地表面与大气间的动量输送、热量输送、 水汽交换以及物质的输送起着主要作用。早期，由于受测量仪器和观测技术的限制，湍流 通量大多根据慢响应仪器的测量结果，通过经验关系和相似理论求取垂直通量的近似值， 求取的近似值中包含了经验关系的不确定性以及仪器响应信号损失等误差。快速响应的三 1 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 维超声风速仪和c 0 2 h 2 0 红外气体分析仪的应用，实现了对湍流能量的直接测定，从而将 人们对地气相互作用的定量认识提高到一个新的水平，也使精确描述陆气之间物质和能量 交换成为可能。 1 2 1 大气边界层湍流理论研究进展 1 8 8 3 年r e y n o l d s 首先在试验室发现了湍流，开始了边界层的理论研究，随后1 9 0 4 年 p l a n d t l 提出了湍流混合长理论，从而形成了最基本的湍流理论基础【5 】。1 9 0 5 年e k m a n 从地 球流体力学角度提出了e k m a n 螺线，并在此基础上形成了行星边界层的概念。1 9 1 5 年t a y l o r 首先提出并研究了地球大气中的湍流现象，此后湍流理论的发展进入了相对较快的阶段。 1 9 3 5 年t a y l o r 提出了湍流均匀各向同性理论，得到了表征湍流细微结构的尺度，初步奠定 了湍流统计理论的基础。随后，1 9 3 8 年k a r m a n 等推导出了著名的k a r m a n h o w a r t h 方程， 1 9 4 1 年苏联科学家k o l m o g o r o v 把量纲分析原理用于湍流研究，推导出了著名的结构函数 “2 3 律”。1 9 5 4 年m o n i n 和o b u l d a o v 提出了m o n i n o b u k h o v 相似性理论，建立了近地层 湍流统计量和平均量之间的联系。1 9 5 9 年p r i e s l e 提出了自由对流大气湍流理论，至此，经 典湍流理论基本上已经形成。 1 9 6 1 年b l a c k a d a r 引入混合长假定，用数值模式得到了中性时大气边界层具体的风矢 端的螺旋图象，1 9 7 1 年w y n g a a r d 提出了局地自由对流近似嘲。1 9 8 4 年n i e u w s t a d t l 7 1 建立应 用于稳定大气边界层的局地相似理论，他提出的夜间稳定边界层的局地尺度分析理论是莫 宁一奥布霍夫近地面层湍流相似理论的推广。此后，又相继开展了云覆盖大气边界层降1 0 1 、 内边界层【1 1 1 2 j 以及非均一地貌和复杂地形大气边界层等方面的理论研究工作。近年来的研 究认为，地表的不均匀性不仅会导致地表的热力差异，影响感热和潜热通量的分布，而且 对积云和降水的形成【1 3 1 、边界层的温、湿场结构有显著影响，并且可能导致非典型中尺度 环流的形成【1 4 】。 我国的边界层理论研究开始于1 9 4 0 年周培源提出的湍流应力方程模式理论，苏从先等 给出了近地面层通量廓线，被国外学者称为“苏氏定律”。1 9 7 7 年周秀骥【1 6 1 提出了湍流 分子动力学理论，1 9 8 1 年周明煜【”1 提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认 识。姜金华运用r a m s 模式对地表非均匀条件下的大气边界层进行研究，得到中尺度感 热、潜热通量的大小与地表非均匀尺度和背景风一定的关系。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 2 大气边界层湍流观测研究进展 2 0 世纪5 0 年代以来国外开展了一系列野外试验，比较有名的包括1 9 5 3 年美国布拉斯 加州大平原野外湍流计划、1 9 6 7 年澳大利亚孟加拉试验( w a n g a r a ) 、1 9 7 9 年美国俄克拉荷 马州强风暴和中尺度试验( s e s a m e ) 、1 9 8 3 年美国俄克拉荷马州边界层试验( b l x 8 3 ) ，1 9 8 4 年美国科罗拉多凤凰二号计划( p h o n i x - - i i ) 【6 l 等。从2 0 世纪7 0 年代开始，随着大气探测 技术和研究方法的发展，特别是雷达技术、飞机机载观测、系留气球和小球探空观测以及 卫星遥感和数值模拟等手段的出现，大气边界层研究开始从近地层向整个边界层发展。 b o w n e 1 9 】、b r o o k 2 0 i 等分析了湍流强度随高度的变化，研究表明湍流强度随着高度是迅 速递减的，而且湍流强度的城郊差别也是十分明显的。b u s i n g e r 等1 2 l j 利用美国k a n s a s 试验 资料给出了近地层具体的通量一廓线关系，验证了莫宁一奥布霍夫相似理论，d y e r 等【2 列 利用1 9 7 6 年澳大利亚国际湍流对比试验( i t c e ) 资料对其进行了完善，使得该理论在边 界层领域中有了极大的实际应用价值。g a m e s i b e r i a 观测【2 驯结果表明，不同下垫面上不仅 感热、潜热通量不同，而且在潜热通量输送大的上空还可能伴有积云生成。b r o t z g e b 4 认为， 仪器的误差、地表非均匀性以及观测环境等都会影响能量闭合。 国内周秀骥主持的长江三角洲地区区域环境、生态及其气候综合研究科学试验，研究 了经济发达区域大气一生态系统与人类活动相互影响问题，揭示了大气一生态系统中物理、 化学过程相互作用机制，并评估了区域大气一生态系统未来变化趋判”l 。青藏高原大气科 学试验中心设立了四个大气边界层综合观测基地，使用了自动化程度和精度高的边界层探 测仪器，研究了高原陆气相互作用的物理过程对东亚及全球气候变化和中国区域天气发生、 发展作用机理【2 6 】。1 9 8 7 年苏从先等2 7 1 发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构，1 9 9 2 年赵鸣1 2 8 1 对边界层顶的抽吸作用进行了研究。1 9 9 3 年胡隐樵等【2 9 】以野外实验验证了局地相 似性理论，并建立了各种局地相似性理论之间的关系。1 9 9 4 年胡隐樵、张强等 3 0 , 3 1 在“黑 河实验”中发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿，并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内 边界层的特征，并对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了研究。王介民 【3 2 1 认为，地表能量不闭合，表明对准确测量公式中的各项或部分项的不足，或对系统在物 理上缺乏完全的了解。非均匀下垫面和地形起伏下的平流影响以及夜间等弱湍流条件下波 动和流动分裂的出现都会造成地表能量不闭合。并建议在对湍流资料的观测与计算时，应 尽量减少高频和低频损失，在取平均、坐标旋转以及有关修正方法的应用等方面要谨慎。 3 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 1 3 雾的生消机制研究进展 雾是大量微小水滴悬浮于空中，使近地面水平能见度降到1k m 以下的天气现象，根据 水平能见度的不同可分为：雾( 5 0 0m 能见度 1 0 0 0 m ) 、浓雾( 5 0 m 能见度 l ) ，则剔除该时次。去除降水时 次及降水前后一小时数据，因为这期间超声风速仪和氪湿度计的观测都会出错。由于湍流 具有随机性，湍流脉动量的分布一般符合正态规律。对湍流量正态性的检验，即偏度和峰 度检验，是一些作者采用的质量控制方法之一，可检查由仪器问题引起的异常记录。计算 每3 0 分钟数据的偏度( 船) 和峰度( 胁) ： ( 薯一i ) 3 s k = 生 ( 一1 ) o r 。 k u = ( 薯一i ) 4 s = l ( n 一1 ) t r 4 3 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 当某半小时数据偏度的绝对值超过3 6 ，或峰度超过1 0 时，剔除该3 0 分钟数据。利用观测 期间4 5 天的资料进行平面拟合，使z 轴垂直于平均流线，以改善传统方法可能造成的过 量旋转及信息丢失。并计算得到风的纵向、横向和垂直脉动以及温度、水汽和c ( h 含量的 脉动值。 由处理后的湍流脉动量，直接计算湍流特征量、感热通量( 绕) 、潜热通量( 幺) 、动 量通量( f ) 等。 q = p c , w 川0 ( 2 3 ) q = j d 厶w q ( 2 4 ) l o 南京信息工程大学硕士学位论文 - 1 - = 一p “，w 7( 2 5 ) 其中，f 表示动量通量，单位：n m 2 ；绕表示感热通量，单位：w m 2 ；g 表示潜热通量， 单位：w m 2 g 为空气等压比热，值为10 0 4j ( k g k ) ；厶为单位质量水汽的汽化热，值 为2 5 1 0 6j k g ：威示空气密度，单位：k g m 3 。“7 、w 、q 、0 分别水平风速、垂直 风速、比湿、位温脉动量。 理论【6 7 j _ k ，该方法其实是理想的微气象条件( 如平坦地形、均匀值被、平稳湍流等) 假设下质量守恒方程的简化结果，其实包含了如下的假设： ( 1 )准平稳( 定常) 湍流。 ( 2 )水平均匀( 平流可以忽略) 。 ( 3 )近地面存在常通量层。 ( 4 )影响通量的各种尺度的涡旋都已被测量到。 ( 5 ) 测量到的通量代表仪器所在的下垫面。 所以，涡动相关系统的质量控制，不仅要考虑仪器( 传感器) 的测量误差，还有考虑 涡动相关方法建立的理论假设的满足程度。后者与观测的环境及气象条件有关，这些都涉 及大气湍流的本质。 2 3 2数据处理步骤及通量订正 数据处理步骤见图2 3 ： 由超声虚温乃( 观测值) 求算实际气温兀从而修正感热通量方法： 涡动热通量应该用湿空气的热容量和温度与垂直速度的方差来计算，在计算水汽通量 时需要对扰动浓度进行修正。感热通量引起的空气浓度变化对潜热通量会产生影响，因此 我们对潜熟通量进行修正。同样，潜热通量对感热通量也会产生误差，因此也需要对感热 通量进行修i - - e 6 9 1 。超声风速仪所测温度与空气温度及湿度有如下关系： 乃= t ( 1 + 0 3 1 9 2 e p ) = t ( 1 + 0 5 1 4 g ) 故t 兰i ( 1 0 5 1 4 q ) t 兰i 一0 5 1 4 t , q 1 1 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 一 。一_ 一 l oh z 资料u 、v 、w 、t 、c 、q 去野点( 原始资料质量控制) 平均量计算一坐标旋转( 含平面拟合) 一 c 、q 单位转换一强城修曩= 一趋秀发衾一 “，v ，w ，r ，c ，g7 一统计量计算 3 0 分钟统计量( 方差、协方差) 一 湿度修正( 平均温度，感热) 一 高频衰减修正一 w p l 修正( 潜热，c 0 2 通量) 通量( 地，幺，q ，f ) ，z l 等 图2 3 湍流资料处理和质量控制步骤流程图 感热通量修正： 而= w c 一0 5 1 4 i 砑 q = q , - 0 5 1 4 i 鲁伽 这里已经考虑到c s a t 3 内部已有横风订正。 密度脉动( w p l ) 订正： 对某气体成分c ( 单位：密度) ，通量输送： c = f c = w c + w c 通常假设石：0 ，即不考虑由垂直平均流动引起的输送，但w e b b 指出删，如果空气密度 有脉动，情况不同。在干空气质量守恒时， 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 一w p a = 一w p a + w tp ：= 0 ，i = 一w p ：一p a w 均值很小难以实测，结合混合气体状态等，由上式可得： w ：竺面+ ( 1 + p 仃华) p。l 由此，水汽通量： c 0 2 通量： e = ( 1 + u c r ) ( 巧+ 瓦丁w t t ) e ：面堆丝石+ ( 1 呐) 瓦警 p 。 i 其中，成、p 。和p a 分别为水汽、c 0 2 和空气的密度，p = m a m v 为空气和水汽分子摩尔 质量比，仃= p 。p o ，即直接算得的水汽量需加上一个感热通量修正，直接算得的c 0 2 通 量需加上一个水汽通量修正和一个感热通量修正。 本次实验在郊区利用涡动协方差开路系统，通过直接观测的方法得到湍流通量，从理 论上讲，基于快速响应的湍流通量的直接观测方法要求下垫面平坦均一。虽然超声仪器受 到测点周围稀疏建筑物和下垫面局地条件的影响，会产生一定的观测误差，资料的代表性 有一定局限，但是在目前条件下，郊区接近平坦、均一的下垫面的观测结果，对于了解城 市郊区湍流交换特征及湍流、辐射与雾宏、微观过程的联系也具有一定的参考价值。 2 3 3 湍流通量观测研究存在的问题 通量的观测和计算精度误差成为边界层气象学家关注的问题，产生通量误差的原因很 多，以涡动相关仪器和计算方法为例，主要有以下方面： ( 1 ) 非平坦地形 由于地形产生的局地重力波、排泄流，地形导致的环境流场的改变以及地形障碍的水 平空间尺度和三维性质的延伸的影响，非平坦地形对二维和三维流体影响的处理是极端困 难的。 1 3 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 ( 2 )测量仪器引起的通量误差 涡动相关系统都会减弱有效的高频和低频湍流，信号观测精度受到仪器大小、路径、 内在响应时间、去倾向以及平滑有关的信号处理过程的制约。 ( 3 )资料处理问题 坐标系统应根据研究目标的需求来确定，如用“自然”或“流线”联合坐标系处理通 量资料就会引起通量的垂直夹角分量损失( 因为在自然坐标系中，w = 0 ) 。利用w p l 方 法6 9 1 进行潜热通量修正，是在干空气质量守恒前提下热传导w ，如果忽略空气中原有的水 汽，必然会高估水汽变化的作用。 ( 4 )夜间通量测量问题 夜间大气变成稳定层结时，几乎所有的涡动相关测量的限制都会出现。部分原因与仪 器有关，其次与气象条件有关。仪器限制来自涡动相关仪器最适合白天湍流运动以低频率 运动为主的对流条件。在夜间或稳定大气条件下，湍流运动主要转向高频运动，由于传感 器，平均路径和进气管长短引起仪器响应的不足成为严重的制约。气象条件限制包括大的 源区、重力波、平流和空气动力学或弱湍流等问题。 ( 5 )能量平衡的不闭合问题 理论上，能量收入和支出应当是平衡的，但在实际观测中，由于观测仪器和计算方法 以及资料处理的差异，往往遇到能量不平衡现象，于是，探讨能量不平衡的原因寻找丢失 的能量成为近年来的研究热点之一，很多学者都以能量平衡闭合度作为衡量仪器观测和计 算方法优劣的依据。产生能量闭合差的原因不是随机因素决定的，而是涡度相关技术测量 的湍流通量( q + q ) 与由常规气象观测系统测定的有效能量( r q ) 之间存在着系 统性偏差所致。通量的试验与计算过程中对通量进行误差修正，使能量尽可能闭合。高志 球等【7 0 】认为能量不闭合与土壤热通量没有被精确估计有关，他从土壤热通量方程出发，提 出估计土壤热通量时应考虑水分在土壤热传导和热对流过程中的作用，并在方程中增加了 相应的项，对那曲地区的能量平衡进行了重新估计，发现能量闭合率从原来的7 0 上升到 9 0 ，此外，能量不平衡还被认为与能量各分量测量源区的差异【7 1 1 、低频或高频的损失【7 2 】、 忽略了标量平流f 7 3 j 等有关。 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章近地层湍流特征 3 1 引言 湍流是大气边界层的主要特征，地气之间主要以湍流形式进行物质输送和能量交换， 湍流对物质和能量的宏观输送是气候系统物质和能量平衡，并造成气候变化的重要物理过 程之一。由下垫面的性质和大气状态的易变性造成边界层湍流特征相当复杂。近年来，随 着经济的迅速发展，城市密集化和乡镇城市化的程度越来越高，城市群的兴起和人类活动 对城市大气边界层的动力和热力过程具有显著影响。城市化环境问题越来越多地受到社会 关注，研究人员对城市下垫面和大气之间的相互作用进行了野外实验研究f 7 4 川j 和数值模拟 研究【7 8 , 7 9 1 ，并对城市大气边界层中涡度动能特征和能量收支问题进行了讨论，得到了一些 有意义的结果。张霭琛【8 0 1 等指出城市边缘地区近地层大气受到较强的动力影响；徐玉貌【8 l 】 等研究表明，沿海城市近地层大气湍流能量( 特别是铅直方向) 比平坦、均匀下垫面上的 大，城市近地层大气湍流能量( 水平方向和铅直方向) 比乡村下垫面上的大。但是，由于 大气边界层湍流问题的复杂性和城市之间的差异性，城市下垫面与边界层大气之间相互作 用仍有不少问题有待研究。 由于各个城市所处的地理环境不同，因此不同城市的下垫面辐射特征与热力和动力过 程也存在差异。本章利用2 0 0 7 年1 1 月1 5 日1 2 月2 9 日在南京城郊的湍流观测资料，分析 了南京郊区无量纲化脉动风速分量、温度等湍流参数的变化特征，以便了解城市郊区低层 大气湍流运动规律及湍流标准差与稳定度的关系，验证m - o 相似理论在郊区下垫面的适用 性，旨在为南京郊区地气系统物质输送和能量交换的物理过程研究提供观测事实，为研究 大气污染物的输送、扩散提供科学依据。 3 2 资料处理及计算方法 湍流数据的处理采用涡旋相关法，以3 0 分钟为间隔，按照下述方法计算水平风速分量 ( 甜、v 7 ) 和垂直风速脉动量( w ) 及各湍流特征统计量： 三维风速脉动量： 摩擦速度： u 7 = ”- - u ，v 7 = 1 _ ，- - y ，w = w - - w ； 甜；： 丽2 + 而2 】l 2 ； 1 5 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 莫宁一奥布克霍夫长度： 三= 一u 3 ( k o w - - 于) ； 风脉动标准差： o u ：圻历，q ：万，吼： 了万； 温度脉动标准差： o t = 4 r r ； 无因次风速分量方差： 屯u - 仃。u 。，屯= 仃，u , ，丸= 仃。地； 湍流强度： l = 仃。u ，i v = 仃，u ，1 w = 仃。u ； 特征温度：z = 一w t u ； 无因次温度方差： 办= 口r 正 湍流动能： p = ：1 ( 甜2 + y 2 + 2 ) ； 空气动力学稳定度参数： 0 h u = 1 6 2 ( 1 + 0 - 2 5 z z ) “3 ( 3 2 ) ，z l 0 ( 3 3 ) 当i z l i 1 时， 符合1 3 次幂律。层结趋于稳定时大气湍流将受到抑制，风速方差按理论应随稳定度增大 而减小，但是由于稳定度增大到某种程度，波动、蜿蜒运动和间歇湍流等运动有可能发生， 从而促进湍流运动增科弘8 6 1 。另外，无因次水平速度分量方差与稳定度的关系虽然按“1 3 ” 幂律变化，但是比较离散，可能是由于水平方向的风速扰动受到局地地形( 包括建筑物等) 及低频扰动的影响所致【8 7 1 。大量观测表明，垂直方向的湍流运动以小尺度高频湍涡为主， 在近地层中服从m o 相似理论【黯】。由图3 6 可以看出，在两种层结条件下，1 3 。u 。随z l 2 0 倍 乃 n j u， 三三 ， ， ， ， z z z 8 2 5 ，1 1 3 3 o 一 一 一1，ll ，l，ll 3 9 2 7 4 6 ，j 3 l = = = 玑 圾 敞 v w 仃 仃 仃 ，j、l 南京信息工程大学硕士学位论文 的变化均符合“l 3 ”次幂律，但变化较小，可近似看作常数。 图3 7 为温度通量w 7 t 随稳定度变化图。可以看到，在稳定层结中温度通量均为负值， 且w t 与z 三关系呈“倒三角”分布，w t 7 值随z l 有一明显的变化趋势，当稳定度 ( z i l ) 从近中性层结逐渐增加时w t 值有所减小，但当z l 大于o 1 时w t 随稳定度 增大而增大( 图3 7 a ) 。而在不稳定层结中温度通量均为正值，且w t 与稳定度( z l ) 的关系基本呈“正三角”分布，当稳定度从近中性层结减小时w t 随稳定度( z t l ) 减 小逐渐增大，但z ll 小于o 1 时w t 随稳定度减小而减小( 图3 7 b ) 。 图3 7 温度通量w ，t 随稳定度的变化 对比图3 6 和图3 7 ，我们可以把大气边界层的湍流运动分为三个区，当i z l l o 1 时为稳定区，这 时间歇湍流、蜿蜒运动或波动等现象的发生，使“非湍流”运动发展，热通量随稳定度增 大而增大，无因次风速方差也随稳定度增大而增大，这种非湍流运动的发展也将有利于污 染物的湍流输送【s 4 1 。当z l 毛 规律。u 方向的湍流强度在不稳定层结中最大，稳定层结次之，中性层结最小；v 方向的湍 流强度表现为随不稳定度增大而增大；w 方向的湍流强度表现为中性层结最大，不稳定层 结次之，稳定层结最小。对比不同下垫面、不同层结的观测结果，发现各方向的湍流强度 随测点高度增大而减小，戈壁地区的强度值小于城市，而在不同测点不同方向的湍流强度 随稳定度的变化规律也不尽相同。在u 、v 方向上，南京郊区近地层湍流强度均比其它地区 大得多，这可能是由于本次观测仪器高度较低，受下垫面粗糙度影响较大；在w 方向上， 近地层湍流强度与广州、北京城市下垫面的近地层观测结果相当，但比地形比较平坦的黑 河戈壁地区大得多。这反映出，由于建筑物的存在，使得下垫面粗糙度增大，机械湍流增 强，湍流强度增大。 表3 2 不同下垫面不同层结条件下湍流强度的比较 湍流运动不仅受到周围环境和下垫面粗糙度的影响，风速对湍流发展也有较大的影响。 图3 8 给出了测点3 个方向湍流强度随风速的变化情况。图中显示出湍流在小于i m s 的风 速环境中发展最旺盛，厶和厶能够达到5 0 左右，厶可达2 0 。随着风速增大湍流强度迅速 减小，当u 1r n s 后水平方向的湍流强度基本限定在1 0 以内，垂直方向的湍流强度基本 小于o 5 。并随着风速的增大继续减小，当风速达到一定值后湍流强度基本不随风速变化。 湍流强度平均值分别为：五f o 6 7 4 4 ，l = o 6 4 21 ，厶产0 2 8 61 。 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 3 4 3 温度湍流方差 u ( m ，s ) 图3 8 湍流强度与风速的关系 图3 9 无因次温度方差与稳定度的关系 图3 9 给出了无因次温度方差随稳定度参数7 l 的变化，拟合得到不稳定层结下垫面 无因次温度方差的最佳相似函数为： 一他= 5 9 8 ( - z l ) _ 7 l 刘 ( 3 4 ) 仃r t = 0 8 2 ( z l ) 一2 乃，z 三 0 从图可以看出，在不稳定条件下，随着大气层结不稳定度的增加，一仃r t , 呈减小趋势， 近似按“一1 3 ”次幂律变化；层结稳定时，热力湍流受到抑制，地气之间热量交换缓慢，仃r 正 随着z7 l 的增加而减小，近似按“2 3 ”次幂律变化，而当z7 l 增大到一定值后，仃r z 南京信息工程大学硕士学位论文 基本上不随z l 而变化，这一转折z l 值为0 1 左右，与前面讨论的w t 出现最低值的 z - 值大致相当。 3 4 4 摩擦速度 图3 1 0 给出了摩擦速度随稳定度的变化关系，从图可以看出：在稳定层结中摩擦速度 玑随稳定度增大而减小，当稳定度大于1 时，摩擦速度的数值基本在o 1 以下；在不稳定 层结中，摩擦速度随不稳定度增大而减小，当稳定度小于0 1 时，摩擦速度的数值也基本 小于o 1 。湍流主要由动力生成；伽是最重要的湍流特征参数。甜太小，则湍流混合太弱， 通量的测量可能失去意义。有些实验工作者，对夜间观测，用给定的一个临界( 阈值) 摩 擦速度u ( 0 1 - , o 2m s ) 进行检验，当甜 i 0 的时段湍流发 展的充分性检验是重要的。对稳定、近中性和不稳定层结中摩擦速度随稳定度的变化进行 拟合，发现在不同层结条件下，其变化关系可用一个统一的公式来表示，最佳拟合函数如 下： 玑= o 0 7 三r ( 3 5 ) 3 4 5 无因次扰动动能 图3 1 0 摩擦速度与稳定度的关系 图3 1 1 为无因次扰动动能e u 2 随稳定度参数z l 的变化情况。由图可见，无因次扰 动动能随稳定度表现出与无因次速度方差相类似的特征，在稳定和不稳定层结下e u 2 随 2 5 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 z l 的变化规律均遵循“1 3 ”次幂律，其最佳相似函数分别为： p甜?：1285(1+5149zl)1：3，zl o ( 3 一6 )p 甜f = ( ) l1 2 8 5 ( 1 4 6 8 5 z7 酬门，z l o 1 为稳定层结， 五户厶，在其余情况下湍流强度均显示出i , l 1 w 规律。 在不同天气条件下各个方向的湍流强度随稳定度的变化特征差异很大，无规律可遁。根据 w i l l i s 和d e a r d o r f f 提出的满足泰勒假说的条件f 1 0 0 】，对照表3 7 可以看出南京郊区在各种天 气状况下垂直方向的湍流强度均满足l 仃，u , 仃。u 。，且各方向速度分量 方差在不同天气条件下的变化规律表现为，水平方向雾天 晴天 阴天 多云，而垂直方向 的变化相反雾天 晴天 仃。u ，这说明南京 城郊下垫面特征变化主要影响风速的水平分量方差，对垂直分量方差影响较小。 ( 3 ) 在稳定、不稳定、近中性层结条件下，南京郊区的湍流强度均显示出分厶。，规律； 但水平方向的湍流强度均大于0 5 ，不满足泰勒假说的条件；只有在垂直方向上湍 流强度小于0 5 。 3 7 南京近地层湍流和辐射特征及与雾过程的联系 ( 4 ) 根据无因次速度分量方差、温度通量、无因次温度方差随稳定度的变化关系，将 南京郊区大气边界层近地层分成三个区，其阈值定为 4 - o 1 ，当z l o 1 时为稳定区，一0 1 阴天 多云，而垂直方 向变化规律相反。 ( 1 0 ) 不同天气条件下感热和潜热通量的日变化特征与总体平均的结果一致，感热通量 和潜热通量的数值及二者之间的差异在晴天最大，雾天次之，阴天最小；在各种 天气条件下c 仍通量均无明显的日变化，其值在晴天最大，雾天次之，阴天最小； 动量通量在阴天最大，晴天次之，雾天最小，晴天和多云条件下动量通量有明显 的日变化，雾天动量通量无明显的日变化特征。 3 8 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章地表辐射特征及能量平衡 地气之间的能量是局地到全球尺度气候的驱动力，同时气候变化也能影响地气间的能 量、物质交换。城市是人类居住最密集的地方，城市下垫面也是最复杂的下垫面，人类的 生产和生活会增加城市额外的热量，机动车辆和工业排放大量烟尘、气溶胶，这些都会对 城市的气温、湿度、风、降水、能见度等气象要素都产生显著的影响，从而改变地表的通 量和辐射特征。对近地层感热、潜热和辐射等通量特征的分析，是了解大气边界层中地气 相互作用机制的关键。以地表热量、辐射平衡为主的能量交换过程是地气之间相互作用的 重要方式，各种自然或人为因素对气候变化的响应也是通过地表热量和辐射平衡过程来传 递的。所以地表热量平衡和辐射收支及能量交换的研究也是全球气候异常和地气相互作用 研究中极为重要的方面。目前在郊区利用辐射和感热、潜热等湍流通量观测资料，进行辐 射和热量平衡的研究工作还不多。本章利用在南京秋冬过渡季节( 2 0 0 7 年1 1 月1 5 日1 2 月2 9 日) 开展的“长江三角洲雾害监测预警及灾情评估研究”试验期间获得的3 0 分钟间 隔的近地层通量资料及辐射和常规气象资料，由涡动协方差开路系统在郊区下垫面直接观 测的温度、湿度、各湍流通量、脉动风速资料及地表辐射和热量平衡各