北京城郊近地层湍流实验观测

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1、第卷第期大气科学,年月北京城郊近地层湍流实验观测苏红兵洪钟样中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京提要本文利用两台一超声风速温度仪于年月到月间在北京气象观测塔和两个高度观测到的风速三个正交分量,以及声虚温的湍流脉动资料计算和分析了北京城郊粗糙下垫面近地层湍流特征量及其,日变化无量纲垂直速度和声虚温的方差随稳定度的变化,风速分量和温度的归一化湍流能谱以及动量和热通量的互谱及其随稳定度的变化。并且与平坦均一下垫面近地层湍流观测的结果进行了对比关锐词城市近地层超声风速温度仪大气湍流

2、北京一、引言城市及其近郊是人类集居的地方,也常常是工业污染物排放源所在的地区。在这类,,。,,区域内下垫面比较复杂粗糙度较大因此了解这类地区大气边界层特别是近地层的湍流结构特征,对于研究城市气候、环境以及污染物的输送、扩散等,都有很重要的实际意义。,近地层湍流结构的综合性实验观测在平坦均一下垫面上已经取得十分丰富的结。,果特别是年的综合实验观测证明了莫宁一奥布霍夫相似理论是近地层中湍流特征参数、尺度分析的重要理论基础之一。这一理论是否适用于分析复杂下垫面,。,的城市近地层湍流还需要得到实验观测的证实目前城

3、市及其近郊地区的近地层湍流实验观测还比较少,更缺乏综合性观测。。,北京气象观测塔位于北京市北部近郊〔’】近年来随着北京建设的迅速发,。,展它已处于城市的边缘与近郊的交界处因而为我们实验观测北京城郊大气边界层特别是近地层的湍流结构特征,提供了一个理想的观测平台。由于城市地区高层建筑的存在,下垫面粗糙度较大。对于近地层的观测应避开近地面粗糙层,参考张霭深等的观测,我们选择作为第一层观测高度。另外,注意,。,到在气象塔日常观测中经常观测到高层逆温的存在大约在左右因此作为对比,我们选择作为第二层观测高度。在大气湍

4、流的观测实验中,超声风速温度仪是目前最理想的测量速度脉动的仪器。年月日收到,月日收到修改稿。现在通讯地址,,抚,,,,大气科学卷但是在实际观测中却很少利用其测得的温度脉动值。叨等在荷兰卡包气象塔做,,了一次对比实验证实了在可测得动量通量和水汽通量的情况下关于超声测温中存在的横向风和湿度订正两个问题可,以得到较好的解决而且由超声测得的温度脉动计算。,,出的统计参数也比较合理等’认为用超声测温值得考虑其潜在的优点十,如,不受老化和大气污染影响,分明显和垂直风速分量有相同的空间分辨率探头不易损坏等。我们在观测中

5、所使用的是两台由中国科学院大气物理研究所自行研制的新一代,。一超声风速温度仪用来测量风速的个正交分量及大气的声虚温的脉动值二、数据的采集及预处理关。数据的采样速率为次。在我于仪器的安装及数据的记录的详情见文献,主要用到年月日午夜到月日午夜们的分析中以及月日到月日这两天连续观测近小时的资料。“”,,数据的预处理主要包括野点的修正声程的订正以及声虚温的横向风的订正详见文献。另外,一超声风速温度仪用声学原理测量大气的声虚温,二粤,夕其中,为绝对温度,为,。,。比湿为水汽压为大气压。,闭声虚温与绝热声速的关系为,

6、下。。,,’、了,,。,。。其中下为干空气的等压比热与等容比热之比为干空气的比气体常数,,而通常在气象学中定义大气的虚温为,一。竺,,。可见两者是有差别的但是非常接近三、湍流宏观统计参数的计算及分析平均时间的选取平均时间长短的选取在大气湍流实验观测及统计分析中是一个基本的问题。综合,,【以及等”,和尹的分析同时考虑到资料拼,五,即相。接和处理的方便我们取平均时间为当于两张软盘的时间序列的长度平均水平风速和风向的计算、,,标量平均水平风速“风向中和矢量平均水平风速风向中可分别表示为期苏红兵等北京城郊近地层湍

7、流实验观测。不,,圣弓一二一一二,、中中,、一,肠。,,‘石丁一万一‘弓、丫,,’’一二’、,,、·中,了、,、、、,‘给出在均匀湍流中,有、,「叮〕,澎兰。,母一‘况其中,,为侧向风的标准差。,,、。,,。图分别给出了和的与与以及中与沪的关系可见。,,,式和实际资料符合得很好但是在相当一部分情况下中与中相差仍较大偏差大于“。在这些情况下,如何合理地确定主导风向及进行坐标变换值得考虑。坐标变换和趋势项的去除,,歹传统上通常以平均水平风向或主导风向为轴使得坐标变换辰平均横向风速,。二,横向风速脉动值等于其瞬

8、时值’,,,,从我们对雷诺应力的计算可以发现有时记与丫’达同一个量级甚至比,’,。,、大即平均水平风向与雷诺应力不在同一方向这可能是由局地复杂地形日出日落和局地环流引起的风向偏转和振荡等非常定过程造成的。因此,有的研究者建议先分别,求出标量水平风速和风向的趋势项以对应时刻水平风向角的趋势项的值作为该时刻的主导风向进行坐标变换,并适当调整水平风向角趋势项的零阶系数,使得最后同时满足。,。歹二和旧而习《厕矛这种方法有一定的经验性值