地面热源的计算方法

1、LOGOLOGO地面热源的计算方法指导老师：Your site hereCompany Logo内容概括v一、地面热源的定义和构成v二、地面感热和地面蒸发潜热的计算v三、总体输送系数的计算（廓线通量法）Your site hereCompany Logo一、地面热源的定义和构成v1、地面冷热源的定义 如果某地区下垫面有热量从地面输送给大气，则此地成为地面热源；反之，成为地面冷源（或热汇）。但这种热量不一定都用于加热本地区的大气，可能有部分输送给本地以外的大气，如地面蒸发潜热是以潜热形式进入大气，但并不一定在当地凝结释放。Your site hereCompany Logov2、地面热源的构成

2、关于地面（冷）热源的构成有两种观点： （1）地面湍流感热、地面蒸发潜热和地面有效辐射之和； （2）地面湍流感热和地面蒸发潜热之和。Your site hereCompany Logo二、地面感热和地面蒸发潜热的计算v地面感热：近地层中由于湍流输送造成的地面和近地层空气之间的热量交换通量。 根据湍流交换理论，地面感热通量为： （1） 湍流交换系数 （2） （3）s0=-aHpTzTFc Kz000TzKdudz200sDC uYour site hereCompany Logo 地面应力也就是地面动量通量； 空气定压比热容； 动量总体输送系数（也称拖曳系数）； 是地面风速（一般取为常规地面测风高

3、度，10m，以后记为 ）。200sDC u000TzKdudz0pcDC0uUYour site hereCompany Logo 若取 和 则（1）式变为 （4） 地面空气密度， ， 定压比热容， ， 10m的实测风； 地面土壤温度； 地面气温 热量总体输送系数 00zududzz0aaszTT Tzzspc(1 0.608 )dpRTRq T11287dRJ Kk m ol (10.86 )ppdCCq11004()pdCJkgKUsTaT()HspHsaFC C U TTHCYour site hereCompany Logov地面蒸发潜热指土壤水分蒸发时与大气发生的水汽交换，它以潜热的

4、方式影响大气运动，而不像感热那样以传导的方式直接加热大气。 根据湍流交换理论，地面潜热通量为： 与地面感热计算公式的导出类似，并考虑陆面实际蒸发与可能蒸发的差异，上式为： （5）0()LEsqzqFLKz ()LsEEgsaFL C U qqYour site hereCompany Logo （5） 蒸发系数， 两层土壤实测湿度值的算术平均 饱和时相对土壤湿度 蒸发时所需临界土壤湿度（ 时，湿 度的观测值）； 地表饱和比湿； 10m处空气的比湿；()LsEEgsaFL C U qqe cs a te cWWWWWecWsatW0sTgsqaqYour site hereCompany Log

5、o （5） 10m处实测风 潜热系数 水汽的总体输送系数()LsEEgsaFL C U qqUELECYour site hereCompany Logo三、总体输送系数的计算v对地面总体输送系数的计算方法通常分为两种：一类是倒算法，即根据地面热量平衡方程先将感热作为余项算出，再根据感热通量公式倒算出总体输送系数；另一类是直接法，即利用地面梯度观测资料直接计算总体输送系数。Your site hereCompany Logov直接法大致分为3类：v 湍流脉动相关法，精度最好，但对观测仪器的精度和性能要求较高，从而失去应用的普遍性和连续性；v 廓线通量法（近地层相似理论法或总体输送法），是一种半

6、经验方法，简单实用，对观测资料要求不高，故应用广泛。 Your site hereCompany Logov 常规资料参数化法（经验函数公式），将由上述3种方法计算的结果拟合成地面风速、地面气压或地形高度的某类（分段）函数，应用常规观测资料非常方便，但精度不高。Your site hereCompany Logo廓线通量法计算总体输送系数 （6） （7） （8） （6）、（7）、（8）为动量、热量、水汽的总体输送系数计算式。2200200000200000ln()(,)ln()(,)ln()(,)ln()(,)ln()(,)DMHHrMHEErMEkCZZZZLLkCZZZZZZPZLLZLL

7、kCZZZZZZPZLLZLLYour site hereCompany Logo Karman常数，0.35-0.41，一般取0.4； 中性层结时湍流Prandtl数，0.74； 地面风速、气温、水汽的粗糙度； Monin-Obukhov稳定度参数； 动量、热量、水汽廓线函数。k0Pr000,HEZ ZZ,MHE LYour site hereCompany Logo1、计算v可假定三者相等v根据近地层相似理论的使用条件，一般选取风速较大时多层风速资料配以中性层结条件（ ）来确定，具体用最小二乘法。v如 4m风速大于5m/s，10m风速大于5m/s; 3层或4层；000,HEZZZ0.000

8、20.0002ibRYour site hereCompany Logov总体理查逊数 采用下式计算： 式中， ， 是最低观测层的高度， 是最高观测层的高度。ibR22()dibTgZZRTUdpgC12ZZZ1Z2ZYour site hereCompany Logo2、计算v其常用表达式为v其也可用如下近似式计算vByun等得出一组解析解，比上式的精度更高。LZL000()lnibrRZZPZZZYour site hereCompany LogovByun等得到的解析解： 对于稳定层结（ ）0ibR12000()ln()(21)14()ibhibhmrZZRRPZZZ12(1)hmibR

9、Your site hereCompany Logo 对于不稳定层结（ ） 当 ，即 当 ，即0ibR32()0bbQP0ibibRR001()ln() 2cos()33bbmZZQZZZ 32()0bbQP00ibibRR001() ln()()3bbbmQZZTZZZT Your site hereCompany Logo式中 ， ， ， ， ， 是层结不稳定时总体理查逊数的某一临界值。 47m0P0.74r06.35Pmhr15m9h0ibR0222331233P11(3)9129(3 )5 4a rc c o s ()()ibbrhbbmmhbbmmmbbbbbbbRSQSPSPQTPQP Your site hereCompany Logov3、计算v 为相似性普适函数v一般可假设,MHE000111ZMMZZHHZZEEZZZZ,MHEEHYour site hereCompany Logo对于稳定层结 （Businger等） 则有 其中 ， ， 。 0ZL01P(1)MmHrhZLZL00()()MmHhZZLLZZLL 47m0P0.74r06.35PmhrYour site hereCompany Logo对于不稳定层结 （Businger等） 则有（Paulson等）0ZL14120(1)P(1)MmHr