近地面层湍流通量观测方法简介

( 2.14)
其中
x 1 16 4 ;
1
y 1 16 2 ;
1
z
L
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*：
U* T* q* U 3 lnz 3 z 0 ( 2.16) (2.17) (2.18)
4.2 空气动力学法的误差分析
在用迭代法求解U*、T*和q*时，虽然H和LE没有关于U3、T和q的显
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：
H a C p U *T* a C p 2 U 3 T z3 d z2 d ln z d z ln 0 1 a L v 2 U 3 q LE a L v U *q * z3 d z2 d ln z d z ln 0 1 ( 4.5)
1 2 2 uw u w cos 2 sin2u m m m wm 2 w w m m u m m tan (4.3) (4.4)
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%。
( 2.22)
q*
( 2.23)
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
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0.01°C）。测量系统见Pic2.1至2.9。
R n G H LE (3.2)
Bowen比的定义为：
B
H LE
(3.3)
将(3.3)式代入(3.2)式得：
B R n G 1 B 1 R n G LE 1 B H (3.4) (3.5)
其中：
R n S I SO L I L O G G5 CW TS z t
近地面层湍流通量 观测方法简介
康 凌
1. 涡旋相关法 2. 空气动力学方法（梯度法） 3. 能量平衡法（Bowen比法） 4. 误差分析
1. 涡旋相关法
1.1 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：
wc 0 z

(1.1)
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：
1.2 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。
T2 T1 lnz 2 z1
q 2 q1 lnz 2 z1
然后计算Monin-Obukhov 长度L：
2 T U* L g T*
(2.20)
代入(2.21)至(2.23)式的右边，就得到了新的U*、T*和q*：
U* U 3 z3 z3 z0 ln M M z L L 0 (2.21)
(2.4) ( 2.5) ( 2.6)
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：
1 1 16 4 M 1 5 1 1 16 2 H 1 5 1 1 16 2 q 1 5
4.1.2 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：
H H LE LE 2 9 (4.1) (4.2)
其中为探头的倾斜角（弧度），也就是说如果=1，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 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 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 x2 1 x 2 arctg x 0 ln 2 ln 2 M 2 2 5 0 1 y 2 ln H 2 5 1 y 2 ln q 2 5 0 0 0 0 ( 2.15) ( 2.13)
( 4.6)
从上两式得：
U 3 T z H d C 0 D H U3 T z0 d z LE U 3 q d C 0 D LE U3 q z0 d ( 4.7) ( 4.8)
其中C、D称为转换因子，表达式如下：
C 1 z3 d ln z 0 ( 4.9)
T*
T2 T1 z2 z0 z2 ln H H z L L 1 q 2 q1 z2 z0 z2 ln q q z L L 1
H a Cp w LE a L v wq a Cp wu (1.2) (1.3) (1.4)
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 。
B H a C p w C p w LE a L v wq L v wq
z q z
(3.8)
根据湍流输送的K理论：
w K h wq K q (3.9)
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：
B
C p z L v q z
(3.10)
将上式差分后得：
B C p C p 2 1 L v q L v q 2 q1


(3.11)
1、2、q1和q2分别为两个高度的温度和比湿。
3.2 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。
D
z 2 z1 d d z3 d z 2 d z 3 d ln z d z d ln 2 1 z d z 1 0
0 0 0 0 0 0
( 2.7) ( 2.8) ( 2.9)
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；
对三上式积分得如下廓线公式：
z U z0 z ln M M z U* L L 0 z T T0 z0 z ln H H z T* L L 0 z q q 0 z0 z ln q q z q* L L 0 ( 2.10) ( 2.11) ( 2.12)
(3.6) (3.7)
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(1.2)及(1.3)式有：
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。
2. 空气动力学方法（梯度法）
2.1 原理 根据Monin-Obukhov相似理论，在粗糙表面上有：
M z d U zd M U* z L H z d T zd H T* z L q z d U q* zd q z L z h ( 2.1) z h ( 2 .2 ) z h ( 2.3)
3. 能量平衡法（Bowen比法）
3.1 原理
根据地表能量平衡方程：
R n G QS H LE (3.1)

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：