大气综合观测及实习 4.近地层通量观测系统概述.ppt

湍流充分性检验 充分性检验就是测量的垂直风速方差和摩擦速度的比值与根据莫宁-奥布霍夫相似理论模拟值的符合程度检验，可用总体湍流特征系数（ITC）表示： 式中， 是垂直速度的方差。 湍流资料质量分级 湍流平稳性 湍流充分性 总体质量级 30% 30% 0 100% 100% 1 100% 100% 2 Foken et al., 2004 不同传感器的源区面积 观测仪器 观测高度(m) 源区水平尺度(m) 辐射 1.5-2 10~15 土壤热通量 -0.02 ~ -0.1 0.1 EC 通量 2-10 100~1000 左图：z = 3.0 m, U =1.5 m/s, z0 = 0.03, std[v] = 0.3, z/L=[-1.0, 0, 1.0] . By Kormann Meixner (2001) method Red: unstable (z/L= -1.0); Yellow: neutral; Grey: stable (z/L=1.0) Contour lines: outer, 0.001; middle, 0.01, inner, 0.1 (of the max footprint value) For the flux contribution reduces to the 1% of the maximum point, the upper-wind distances for unstable, neutral, stable cases are about 100 m, 300 m, 1500 m, respectively. 通量观测的源区面积与观测高度、风速 风向、大气稳定度等参数有关 For a heterogeneous surface, you can not expect a good energy balance closure. 资料处理常见步骤 瞬时资料 （观测资料） 单位转换 ☆野点剔除 ☆坐标旋转 ☆去趋势 通量订正 频率响应订正 ☆超声虚温订正 ☆WPL订正 质量控制 QC/QA 输出结果 √ √ √ 湍流通量观测 第三讲 能量平衡闭合问题 什么是能量平衡闭合 能量平衡闭合：是指利用涡动相关仪器直接观测的潜热和感 热通量之和与净辐射能量、土壤热通量、热储存项之和之间 的平衡。用公式表达： 湍流热通量 有效能量或可利用能量（available energy） 湍流热通量与有效能量相等时，称为能量平衡闭合； 反之，则能量平衡不闭合。 能量平衡闭合评价方法 最小二乘法线性拟合 能量平衡闭合比率 能量平衡闭合残差频率分布 （1）最小二乘法线性回归 为数据点的横纵坐标值， 为回归直线上离数据点最近的横纵坐标值 拟合方程： 理想的能量平衡条件下，有效能量与湍流热通量的回归直线斜率为1，并且通过原点。 (b) (a) 湍流能量（H+LE）与有效能量（Rn-G-S）的关系（a）8.7 m；（b）2.7 m （2）能量平衡闭合比率 能量平衡比率是指在一定的观测期间内，由涡动相关系统 直接观测的湍流能量与有效能量的比值 8月5日到8月19日8.7 m和2.7 m能量平衡率日变化（9:00 am~17:00 pm） Diurnal variations of half hourly values of energy balance ratio at 8.7 m and 2.7 m from August 5 to August 19. （3）能量平衡相对残差频率分布 能量平衡相对残差是指一定的观测期间内有效能量和湍流 能量两者之差与有效能量的比值 若 ，表明涡动相关系统观测的湍流能量项小于有效能 量项；若 ，情况则相反。 能量平衡相对残差δ的频率分布 理想条件下，δ分布应该是以0纵轴为对称轴的正态分布。 图中显示两个高度上的残差频率分布形状都非常接近正态分布，可是都向右偏移了2.7个区间，说明涡动相关系统对多种不同尺度湍涡的观测能力不足，测定的湍流能量偏低。 能量平衡不闭合的主要原因 在通量观测网络的各观测站点的能量平衡研究中发现能量 平衡不闭合现象普遍存在。根据现有的研究，能量平衡不 闭合的主要原因归结为以下几点： （1）通量观测中的采样误差（footprint问题） 涡动相关系统测量的通量贡献区面积与净辐射、土壤热通量仪器的测量面积不相同会带来湍流能量与有效能量之间的不平衡。 净辐射表测量的面积是以净辐射表为中心，以一定半径 （与辐射表的安装高度有关）为圆的下表面面积。该测 量面积一般不随时间、风速、