中小尺度气候的物理基础

《中小尺度气候的物理基础》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第十一章中小尺度气候的物理基础相对于全球气候或区域气候而言，中小尺度气候无论在空间尺度还是时间尺度上都是很小的，其上界面距地表约几米到几百米，水平范围约几十米到几十千米。屮小尺度气候经常受到地表性质和生物活动的强烈影响和制约，其形成规律、形成过程和基本特征都与大气候不同，因而也就具有不同的物理基础。第一节下垫面能量平衡方程能量守恒和转挽定律是自然界屮最重要的定律之一，自然也是气象学和气候学屮最重要的规律之一。在气象过程中，辐射能的收与支表现为辐射平衡方程，热能的守恒与转换则表现为热量平衡方程，而水分的得与失可以川

2、水分平衡方程来表示。一.下垫而辐射平衡方程设B为下垫面辐射平衡，由于它是下垫面上短波辐射和长波辐射收支相抵的剩余量，通常也称为净辐射。Q为到达下垫面的短波入射辐射，称为总辐射。对任一T垫面來说，地面对短波入射辐射的反射量与入射的总辐射之比称为地表反射率A,以百分数或小数表示。辐射和大气逆辐射之差称为地面有效辐射F。下垫面辐射平衡方程可以写成较为简单的形式。对于白昼來说，有：B=Q(l-A)-F对于夜间来说，有：B=-F任一表面正的或负的净辐射通量等于被表面吸收的短波辐射通量和有效辐射的代数和。一般说來，在白昼和一

3、年巾的夏季，净辐射为正；夜间和冬季为负。净辐射为正时，地面获得热量，挣福射为负时，卜垫面失去热量。二.下垫面热量平衡方程根据能量守恒原理，到达下垫面的热能应该等于下垫面热能的总支山。研究下垫面与周围环境热能交换的收支状况，并川适当的数学形式表示出来，就是下垫面热量平衡方程。B+P+LE+H=QB为辐射平衡或净辐射，P为下垫而与大气间的感热交换，对于小气候研宂来说，主要是指近地层的湍流热交换，LE为下垫面与大气间的潜热交换(蒸发耗热或凝结释热)，其屮£为蒸发速度或凝结速度，L为汽化潜热，H为下垫面和土壤下层之间的热

4、交换。辐射平衡项是其余各项的能量來源，是收入项，而其余三个分量是支出项，因此它们在方程屮的符号同辐射平衡项不同。规定：凡是热量传输指向下垫而的，符号为正，反之为负。因此，对下垫面来说，式中的B项，白天为正，夜间为负；P,LE和H项白天为负，夜间为正。由于辐射平衡是其余三个分呈的能量来源，为了强调近地层热量交换所需要的热量是由辐射平衡供给这一事实，往往将上式改写成：B=P+LE+H式屮各项的符号与前面所规定的略有不同。对于B项来说，凡是到达下垫囬的热流入量规定为正，反之为负；对于其余三个分量来说，凡是表示热量支出的

5、规定为正，反之为负。对于上式来说，根裾具体情况和选择时段的不同，可以进行一些简化。例如，在计算年平均的热量平衡时，由于土壤中热量交换的影响可略去不计，上式可简化为：B=P+LE对于蒸发很小或者完全没有蒸发的下垫面（如沙漠、沥青路面等）來说，进一步简化为：B=P影响下垫面热量平衡各分量的符号发生改变的因子很多，但是基本的因子有：净辐射的大小，下垫妞性状和表谢温度，土壤表谢的湿润程度和天气状况等。尽管它们对热量平衡各个分量的影响程度各不相同，但是这种影响总是存在的。一.下垫而水分平衡方程如同热量平衡方程一样，下垫面水

6、分平衡方程是物质不灭定理的一种特定形式。它的意义在于，在某-•吋间间隔内，由周围空间流入水平地表ifif的气态、固态和液态水通量的代数和等于零，用数学符号表示出來就是下垫面的水分平衡方程。R：降水量；E:下垫而因蒸发而失去的水分；f:总径流U,为表而径流和地下径流之和；△代表土壤层中铅直柱体A水量的总变化。尺=£+/+0该式即为陆面下垫面的水分平衡方程。对于某个较大区域的年平均情况来说，降水量随时间单调地增加，铅直柱体内水量的总变化很小可略去不计，因此上式简化为：/?=£+/对于全球范闱来说，水分的水平调整为零，

7、因此全球水分平衡方程更可简化成：R=E上式表示，对于全球范围来说，年平均降水量应该等于年平均蒸发量。第二节近地层风速的垂直分布一.半经验理论近地层风速的垂直分布与温度层结有关，如果在整个气层中温度梯度很小，以致实际上空气的密度均等，则近地层风速分布规律可以借助于混合长假说加以推导。湍流理论中最早岀现的一种称为混合长理论的基本思想是把湍流运动与空气分子的运动相比拟，而由此推导出湍流动量输送的数学表达式与分子动呈输送的数学表达式在形式上取得—致。在近地层屮，湍流运动范围受到下垫面的限制。设有一湍涡，它在运动过程中不断

8、地与四周的介质进行混合，最后将完全失去其原有的同性。假设湍涡在运行某一距离后冰与叫周的介质发牛•混合而失去原有的属性，在此之前仍保持其原有的属性不变，这种保持其物理属性不变的距离称为混合长。显然，这个混合长与分子平均自巾路程相似，但不完全相同。混合长1和高度Z的量纲都是长度，因此可以写成：/=zrz/T为VonKarman常数。按照混合长假设，湍流系数和摩擦速度可以写成如