Page 231 - 《高原气象》2022年第1期

1 期 常 娜等：峨眉山地区近地层微气象特征研究 229
2. 2. 2 零平面位移d 2. 2. 4 动量通量输送系数C 和感热通量输送系数C H
D
零平面位移 d（单位：m）是描述下垫面空气动 本文主要用涡动相关法计算动量通量输送系
力学特征的重要物理量，它的意义是：气流与下垫 数 C 和感热通量输送系数 C 。在近地面层，动量
D
H
面的作用发生在这一高度上，粗糙度也成为这一高 通量输送系数 C 和感热通量输送系数 C 的计算公
D
H
度上的物理属性。获得零平面位移 d较为常用的方 式如下：
- ----- 2
法是应用牛顿迭代法，利用多层风廓线观测资料来 u'w' = -C D u （10）
- -----
计算，具体迭代公式如下： w'T' = -C H u(T 0 - T) （11）
)
ln(z 1 - d - ln ( z 2 - d ) 式中： τ 和 H 分别为近地层动量通量和感热通量，
f (d) = u 1 - u 2 - （5）
)
ln(z 1 - d - ln ( z 3 - d ) 由涡动相关法计算得到；u 和 T 分别为参考高度处
u 1 - u 3
的水平风速和温度；T 为地表温度（岳平等，2013）。
f (d ) 0
g (d) = d - （6） 2. 3 数据质量控制
f '(d )
本文在计算地表特征参数零平面位移 d、空气
式中：z ，z ，z 为 3 个观测的高度（单位：m）；u ，
1
3
2
1
0h
u ，u 为对应高度上的风速（单位：m·s ）。首先给 动力学粗糙度 Z 、热力学粗糙度 Z 、动量通量输
-1
0m
2
3
送系数 C 和感热通量输送系数 C 时，进行了以下
定零平面位移 d 的初值，求得 g（d），再令 d=g（d）， D H
处理：（1）剔除数据存在明显错误及超出合理值的
代入迭代函数求 g（d），如此反复迭代，直到相邻两
野点；（2）筛选摩擦速度 u 质量评价等级为 1 的数
*
次 g（d）之间的差值小于 0. 001（误差），则 g（d）为所
据；（3）剔除温度梯度小于0. 2 K的数据。
求的零平面位移d（冯健武等，2012）。
2. 2. 3 空气动力学粗糙度Z 和热力学粗糙度Z 0h 3 结果与分析
0m
空气动力学粗糙度 Z 是近地层中风速为零时 3. 1 平均气温、湿度和风速的变化特征
0m
的高度（单位：m），它与气流无关，只与地表粗糙
从峨眉山站近地层各层高度上温度、相对湿度
状况有关，风廓线法是确定地表粗糙度最常用的方 和风速的季节平均日变化（图 2）可以看出，该地近
法之一。己知在近中性层结条件下，风速随高度变 地面各层温度均有减-增-减的走势，呈单峰型，日
化满足对数规律： 变化显著。各个高度层温度在 07:00-09:00 有一极
z - d
u * ( ) 小值，日出后升温速度先增后减，在 14:00-16:00
U = ln （7）
k z 0m 达到气温峰值，下午降温幅度相对早上升温时较
式中：U 为 z 处的风速（单位：m·s ），u*为摩擦速 慢，傍晚日落后降温变缓。另外，从不同高度来
-1
-1
度（单位：m·s ），两者均可由涡动相关法计算得 说，冠层上 58 m 处的温度是各层中最低的，这在冬
到；k 为 Von Karman 常数（通常取 0. 4）；d 为零平面 季和秋季尤为明显，20 m 和 25 m 高度气温值很接
近；冠层内 2 m 和 10 m 处的温度在日出前低于冠层
位移。故利用 U 及 u*可求出近中性层结下空气动
上 20 m、25 m 处的温度，日出后随着森林冠层吸收
力学粗糙度Z 。
0m
太阳辐射，温度升高，逐渐高于冠层上20 m、25 m处
空气热力学粗糙度 Z （单位：m）是指近地层满
0h 的温度，在日落后又低于冠层上 20 m、25 m 处的温
足 MOST 时温度廓线外延到空气温度更与地表温
度［图2（a）~（d）］。
度的高度，它和季节变化有关，近中性层结下近地
该地区三面沿河，整体上相对湿度较大，全年
层温廓线为： 基本都在 60% 以上。该地近地面各层相对湿度也
Z
T 0 ( ) 有明显的日变化，均呈不对称的“V”型。相对湿度
T - T 0 = ln （8）
k
各个高度层相对湿度在 00:00-08:00 较大，变化较
Z 0
若将Z 用地表热力学粗糙度Z 代替，则有： 为平缓，期间出现相对湿度在该日的最大值，日出
0
0h
)
k( T - T 0 后相对湿度快速减小，在 17:00-19:00 减小到该日
-
z 0h = ze T 0 （9） 相对湿度的最小值。另外，冠层内的相对湿度较冠
式中：T为参考高度处的气温（单位：℃）；T 为地表 层上大，且离地面越近，相对湿度越大，这其中有
0
温度（单位：℃）；k 为 Von Karman 常数（通常取 一部分原因就是树冠削减了吹过地面的风速，空气
0. 4）；故利用 T 及 T 可求出空气热力学粗糙度 Z 0h 流动减少，起到了保湿的作用；冠层上 20 m、25 m
0
（岳平等，2015）。 处的相对湿度在大小和变化趋势上都极为相近，冠