近地面层湍流通量观测方法简介

1、近地面层湍流通量近地面层湍流通量观测方法简介观测方法简介康 凌1. 涡旋相关法涡旋相关法2. 空气动力学方法（梯度法）空气动力学方法（梯度法）3. 能量平衡法（能量平衡法（Bowen比法）比法）4. 误差分析误差分析1. 涡旋相关法涡旋相关法1.1 原理原理 在近地面层大气湍流场中任何一种被动标量属性均满足：该式是常通量层的条件，是近地面层湍流通量观测的基础。在常通量层内积分(1.1)式可得：其中，H为感热通量；LE为潜热通量；为动量通量；a为空气密度；Cp为空气的定压比热；Lv为单位质量水汽的汽化热；u和w分别为风速在水平与垂直方向上的脉动；为温度脉动；q为湿度脉动 。) 1 . 1 (0c

2、wz)4 . 1 (uwC) 3 . 1 (qwLLE)2 . 1 (wCHpavapa1.2 测量方法测量方法 用超声风温仪可直接测得风速脉动u、w与温度脉动，用L湿度计或红外湿度计直接测得湿度脉动q，我们就可以利用(1.2)(1.4)式得到H、LE与。另外，由于超声风温仪在测量 时的局限（ 的绝对值不准，但不影响相对值 ），我们通常在超声风温仪探头下再安装钨铼丝探头来精确测量 ，钨铼丝的特点是的精度高（1/1000C），响应快（200Hz)。测量仪器见Pic1.1 至1.7。2. 空气动力学方法（梯度法）空气动力学方法（梯度法） 2.1 原理原理 根据Monin-Obukhov相似理论，在

3、粗糙表面上有：其中，M=H=q=为Von-Karman常数，其取值范围在0.35 0.40，一般为0.39；h为粗糙表面的平均高度；d为零值位移高度； U、T与q分别为平均风速、温度和比湿；U*、T*与q*分别为特征风速、温度和比湿； L为Monin-Obukhov长度；M、H与q方便为风速、温度和湿度的无因次梯度（通量廓线关系函数），且是通用函数。) 3 . 2(hzLdzzUqdz)2 . 2(hzLdzzTTdz) 1 . 2(hzLdzzUUdzq*qH*HM*M 因为M、H与q是稳定度参数z/L或Richardson数Ri的函数，通过对U、T和q的梯度测量，利用(2.1)至(2.3)

4、式就可得到特征速度U*、特征温度T*与特征比湿q* ，然后由下式求得H、LE和：由于只有三个方程，但有四个未知数U*、T*、q*和L。所以最常用的解决办法是用观测资料来迭代求解，方法如下： 根据比较常用的Dyer(1974)提出的通量廓线形式：其中=z/L， 当稳定条件下时0；不稳定条件下时0；中性条件下时=0；)6 . 2(U)5 . 2(qULLE)4 . 2(TUCH2*a*Va*Pa )9 . 2(0510161)8 . 2(0510161)7 . 2(051016121q21H41M对三上式积分得如下廓线公式：其中T0与q0为地表的温度和比湿，z0为粗糙度，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 先不考虑稳定度修正，将测量的z3高度的风速U3和z1、z2高度的温度T1 、 T2与比湿q1、q2代入下式计算，就可得到初始的U*、T*、q*：然后计算Monin-Obukhov 长度L：代入(2.21)至(2.23)式的右边，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)式计算出新的M-O长度L后，再代入(2.21)至(2.23)式的右边，更新U*、T*和q*，如此迭代，直到精度满意为止。最后由(2.4)至(2.6)式，就得到了H、LE和。2.2 测量方法测量方法 风速梯度是利用微气象专用的风速表测量，这种风速表异于气象站使用的普通风速表，其特点是精度高（误差0.1m/s）、启动风速小（0.3m/s）。 温度梯度和湿度梯度的测量则是利用Bowen比系统，其特点是利用它自身的翻转系统，在测量过

7、程中每10分种翻转一次来消除温度探头的误差，从从而得到高精度的干、湿球温度（误差0.01C）。测量系统见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 根据地表能量平衡方程：其中Rn为净辐射通量，G为地表土壤热通量，规定Rn与G向下为正，向上为负；Qs为能量储存项（植物光合作用的化学储存，总为正）；H与LE则分别为感热通量和潜热通量（向上为正，向下为负）。 由于Qs Rn和G，故可忽略不计，(3.1)式则可写成：

8、Bowen比的定义为：将(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为总辐射；SO为地表反射辐射； LI为大气逆辐射；LO为地表长波辐射；G5为5cm处的土壤热通量。Ts则为不同深度的土壤温度（通常为0、5、10、15、20和40cm，有时达80cm），CW为土壤容积热容量（可推算出来）。 因为SI、SO、 LI、LO、G5和Ts都可实测，所以只要知道了B值，用(3.4)和(3.5)式就可得到H与LE。根据(3.3)与(1

9、.2)及(1.3)式有：根据湍流输送的K理论：其中Kh和Kq分别为热量与水汽的湍流交换系数，通常设Kh=Kq，将(3.9)式代入(3.8)式得：)8 . 3(qwLwCqwLwCLEHBvpvapa)9 . 3(zqKqwzKwqh)10. 3(zqzLCBvp将上式差分后得：1、2、q1和q2分别为两个高度的温度和比湿。3.2 测量方法测量方法 SI与SO由两个分别向上与向下的短波辐射表测量， LI与LO则由两个分别向上与向下的长波辐射表测量，G5用热通量板测量，Ts则用热敏电阻测量。 1、2、q1和q2仍由Bowen系统测量。具体安装见Pic3.1至3.6。)11. 3(qqLCqLCB1

10、2v12pvp4. 误差分析误差分析4.1 涡旋相关法的误差分析涡旋相关法的误差分析 用涡旋相关法测量湍流通量误差的主要来源为：4.1.1 测量误差测量误差 理论上，只要各脉动量测得准，计算得到的通量也是准确的。但由于实测现场的环境远不如实验室内的工作环境，必然导致测量误差的存在甚至加大。也正是这些偏差导致了各实验确定的Von-Karman常数的不一样，以及通量廓线关系的离散。4.1.2 倾斜误差倾斜误差 这是由（超声）探头安装倾斜而产生的误差，其对感热通量H、潜热通量LE和动量通量所造成的相对误差为： )2 . 4(9) 1 . 4(2LELEHH其中为探头的倾斜角（弧度），也就是说如果=1

11、，感热、潜热通量的相对误差达2%，而动量通量的则达到8%。4.1.3 带通误差带通误差 这是由采样系统的滤波效应所引起的误差。以超声风温仪为例，低频损失在4m/s时为1.4%，1m/s时为3%；而在各种风速下的高频损失约为4%。4.1.4 气流扰动误差气流扰动误差 这是由超声探头支架对气流的扰动所引起的误差。这种扰动会在探头附近产生一个上升气流，其效果相当于倾斜误差。如果等效倾角为，则湍流通量的修正公式为：其中下标m表示观测值。根据估算，如果=1，则感热通量的相对误差达3%，而动量通量的则达到20%。4.2 空气动力学空气动力学法的误差分析法的误差分析 在用迭代法求解U*、T*和q*时，虽然H

12、和LE没有关于U3、T和q的显 )4 . 4(tanuww) 3 . 4(wu2sin212coswuwummmm2m2mmm示表达式，但仍可以以中性为例推测一般情况下的定性特征。设z0与d不相关，根据(2.5)、(2.21)和(2.23)式，则有：从上两式得：其中C、D称为转换因子，表达式如下：)6 . 4(dzdzlnzdzlnqULqULLE)5 . 4(dzdzlnzdzlnTUCTUCH120332va*va120332pa*pa)8 . 4(ddDzzCqqUULELE)7 . 4(ddDzzCTTUUHH00330033)9 . 4(zdzln1C034.3 能量平衡法的误差分析

13、能量平衡法的误差分析 Bowen比的B值的最大误差为：它表明：白天Td、Tw大，B的相对误差小；夜间Td、Tw小，B的相对误差大；B值越大，B的相对误差也越大。H、LE的最大相对误差为：以上两式说明：H与LE白天时误差小，夜间误差大。)10. 4(dzdzlndzdzdzzzdzlndzdD121212033)11. 4(TTTTB1BBddww)13. 4(TTTTBGRGRB1BGRGRLELE)12. 4(TTTTBGRGRB1BGRGRHHddwwnnnnddwwnnnn4.4 三种观测方法的比较三种观测方法的比较1. 涡旋相关法：涡旋相关法： 因为能直接确定湍流通量，故可作为确定湍流

14、通量与通量廓线关系的标准方法。如果探头安装的水平精度高，其测量结果可达到较高的精度。2. 空气动力学法：空气动力学法： 如果在不粗糙的表面上且采用适当的通量廓线关系，测量湍流通量可得到较高的精度。但通量廓线关系只是一个经验关系，而且有时其关系会因粗糙度或零值位移的改变而改变。3. 能量平衡法：能量平衡法： 仪器安装容易、数据处理方便，但代表性差，如果温度、比湿梯度很小 时（如日出，特别是日落），会造成通量值的偏大。4.5 观测资料的质量控制观测资料的质量控制 为了得到高质量的观测数据，通常的作法是在观测前与观测结束时对仪器进行水平比较，以期得到仪器的误差范围。具体操作如下： 对于风速探头，选择空旷、地表平坦场地，将同一类的探头一字排开，架设在同