山区林地粗糙度的推求

数, 如果 dOM 为已知, 方程( 11) 有一个最小值, 可写 为
5P 5a
=
0,
5P 5b
=
0
( 12)
式中: a= lnZOM , b= k / L* i 。对参数 a 和 b 而言, 条 件( 12) 为线性, 可用代数方法求解。当最小值 P 在 一个合理的 d OM 范围内时, 可得到 ZOM , dO M 和 L* i 的解。将此法用于每次观测的方程( 11) 中 i = 1 时, 即为最小二乘法。
实地使用系留气球观测来测定林区风速、温度
相对湿度梯度。 为进行数值分析, 将实验区( 20 km @ 20 km ) 以
250 m @ 250 m 面积为一单元区划分成相同的网格。 经测定研究区( 10 km @ 10 km ) 网格中格的平均高 度最 高、最 底 和平 均 分 别 为 1311 8 m、61 7 m 和 441 1m( 如图 1) , 区域地表面的起伏波动的标准差 ² 为 151 9。
图 1 研究区 20 km@ 20 km 的三维地形图 ( 实验区位于研究区的中部)
Fig. 1 20 km@ 20 km three-dimensional geometric map
尽管方程( 8) 经常用来进 行数值模 拟, 其中 A 的物理意义也很明确, 但是山地林面 A的计算工作 很困难。
3 观测
表 1 系留气球的观测参数
Tab. 1 Specifications of the captive balloon observation
气球尺寸 风速表的距离
16 m3 4m
上升速度 间隔时间
0点静止 120 s
测定内容
使用仪器
精度
高度 两套三角水准仪, 放置距离为 50 m
在林区, 空气动力学地表粗糙度 Z 0M 和零通量 高度 d 0M 与森林冠层的结构紧密相关, 一般依赖于
冠层温度 T S 的定义, 有关 Z 0H 和 d 0H 的计算资料也 较少[ 8] 。
由于森林冠层面的水汽一般为非饱和状态, 非 饱和表层湿度的计算较复杂, 而采用冠层湿度推导 森林冠层水汽传输的有关参数工作也就非常困难。 为了克服以上的计算问题, 本研究排除用假定方法进 行 Z 0 和 d 0 的实际计算, 而采用系留气球在实地测定 来推导森林冠层的参数, 然后采用最大相关方法计算 Z 0M 、Z 0H、d 0M 、d 0H, 最后推求潜热和湿度参数 A。
果较满意。在假设 HS =
HRAD 的情况下计算水汽粗糙度
Z 0H , 表明 斯坦顿系数
S
t
1
=
ln( Z 0M/
Z 0H )/
K
比过 去的调 查
结果 大。温度 的零通量计算结果为 d 0H = ( 111 9), 该值与 d 0M 值( = 121 8) 相近。 通过修 改后方程 计算表 面湿度 参
A= q0E / qSAT ( H0H )
( 9)
方程(6)~ (9) 中 L E 为水的潜热; Q 为干空气 的密 度; B 为实际空气的湿度; U 为水平风速; q SAT 为饱 和湿度; H0 H 代表温度的梯 度函数; q 为 实际湿度; q0E 位于高度在 Z = Z 0E 时的实际湿度。
6期
冯 起等: 山区林地粗糙度的推求
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Da - 1 为道顿系数。它们的推求方程式分别为:
S-t 1 = ln( Z0M / Z0H ) K H
( 4)
Da- 1 = ln( Z0M / Z0E ) K E
( 5)
斯坦顿系数
(
S
t
1
)
和道顿系数(
Da
-
1
)
一般比
C
- 1/ M
2
大的很多,
所以这些参数不能省略。
和湿度垂直廓线。系留气球在 8 个不同高度( 1 m、 10 m、15 m、20 m、30 m、50 m、100 m 和 200 m) 观 测, 每次观测时间为 2 min, 数据间隔为 4 s。收集不 同高度的风速、温度和湿度数据。2001 年 10 月 21 日 13: 30~ 16: 00 时进行了 3 次观测, 获得 5 组垂直 分布数据; 2001 年 10 月 24 日 10: 25~ 16: 00 时进 行了 6 次观测, 获得 11 组垂直分布数据。将以上每
图 2 风速、实际潜热和湿度的实测廓线 F ig. 2 V ert ical pro files o f wind speed, virtual pot ential temperature and specific humidity
分布。
在研究粗糙度 Z0H 和 d0H 前, 首先确定冠层温度 HS。本地的叶面指数为 51 4, 而 85% 的叶分 布在林 带的顶部, 林带的热流相对集中, 可以把林带冠层看 作为一个平 面( 即单 一的平 面层) , 所以可 以假 定 HRAD = HS [ 9] 。该研究中冠层温度 HS 由冠层的散射温 度 HRAD 确定。采用方程( 10) 和最小二乘法计算粗糙 度 Z0M 和与零通量高度, 方程( 10) 的剩余项 ln( Zij -
( 1. 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃 兰州 730000; 2. 日本运输省气象研究所大气与环境研究室, 052-1556 日本)
摘 要: 应用实测资料计算复杂地面森林冠层的 动量、潜 热和粗 糙参数 以及动量 总体输 送系数 (CM) 、热 量总体 输
送系数(C H) 和水汽总体输送系数( CE )的参数。使用最大相关法计算本地风 的粗糙度 Z 0M与零通 量面 d 0M , 同样 结
数 A, 表面湿度参数 A的值为 01 61, 该值与冠层的相对湿度相近。因此 A 的值可以用冠层顶部的相对湿度来计算。
计算森林区粗糙度的方法和模型可推广应用到黑河流域。
关键词: 山区林地; 粗糙度; 模型
中图分类号: P426. 14
文献标识码: A
1 介绍
沙漠与绿洲是西北干旱地区典型的生态景观, 也是农业和草业生产基地。西北干旱地区山地森林 具有水源涵养的功能, 是内陆河流域最重要的水源 地。虽然有许多学者对干旱地区的绿洲水热传输动 态进行了研究[ 1~ 3] , 但这些研究都只是处于/ 点0 或 局地的水平上, 所以要进一步研究其面上的水热传 输, 以期对干旱地区的陆面过程研究有所贡献[ 4] 。
风速( u)
3 杯风速仪
? 0. 2 m # s- 1
风向( W d) 空气温度( T d)
湿球温度
磁形 热敏电阻温度计 热敏电阻温度计
? 5b ? 0. 1 e ? 0. 4 e
3. 1 地理位置
在系留的气球的观测的同时, 采用相关仪器测 定森林面上散射表层温度和在森林内部空气温度和
观测区位于日本加藤平原的西北丘陵区, 东西 长 15 km, 南北宽 50 km。西部为低山, 平均海拔高 为 300 m。观测区( 20 km @ 20 km) 地貌特 征如图 1。研究区内约 70% 的植被为森林, 20% 为稻田, 另 10% 的区域为其他人工建筑和短草植被。林地的平 均高度为 12 m。
3. 2 分析方法
相对平坦的下垫面, 由于地面高度的变化较小, 一般取地平面作为区域高度的坐标点。但对复杂下 垫面很难确定原始地面, 因此在本研究中, Z 轴的高 度起点选取研究区 10 m @ 10 m 区域的平均高度。 该高度的选取在实践中易于测定。本研究选取 16
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中国沙漠
26 卷
组野外测定的原始数据来研究风、温度和湿度的垂 直 分 布。图2给出了本研 究风、温度和湿度 的垂直
dOM ) - k Lij L* i - lnZOM - WM ( N, NOM ) 不会为零值, 所 以均方差 P 由下列式确定:
E E P
S
1 N w ind i= 1
{ ln( Zij
j= 1
-
dOM )
-
k L*
i
Lij
-
lnZOM -
WM ( N, NOM ) 2 }
( 11)
式中: Zij 和 Lij 为观测值; ZOM , dOM 和 L* i 为 未知参
第 26 卷 第 6 期 2006 年 11 月
文章编号: 1000-694X( 2006)06-01046-05
中国沙漠
JO U RN A L O F DESERT R ESEA RCH
V ol . 26 N o. 6 N ov. 2006
山区林地粗糙度的推求
冯 起1 , 张艳武1, 苏永红1, 司建华1 , 常宗强1 , 席海洋1 , Mikami Masao2
地表动量和热量总体输送系数对区域和全球天 气气候变化有着显著贡献, 也是各类数值模式物理 框架中极为重要的环节。用总体输送法推求垂向通 量的变化时, 首先要计算不同下垫面条件下的动量 总体输送系数 (C M ) 、热量总体输送系数( C H ) 和水 汽总体输送系数(C E )。总体输送系数 C M 、C H 和 C E 是空气动力学地表粗糙度 Z 0M 、温度粗糙度 Z 0H 和 水汽粗糙度 Z 0E 及零通量高度 d 0M , d 0H, d 0E 的函数。 这些参数因计算方法不同结果差异较大。对于平坦 地面和 农田 地 面的 参 数的 推求 已 做 了大 量 的 工 作[ 5] 。由于在野外观测森林面的垂直梯度较困难和 不易分析, 森林面的 Z 0M 和 d 0M 参数的计算 工作显 得很繁琐, 所以森林的 C M 、C H和 C E 参数的计算工 作过去做的 较少。 一般林区 的粗糙参 数值 Z 0M 和 d 0M 采用假定方法[ 6, 7] 。
2 理论基础
动量、热量和水汽的总体输送系数可定义为: C-M1 = { 1/ K ln[ ( Z - d0 ) / Z0M ] + WM ( N, N0M ) } 2