空气动力学粗糙度研究进展

空气动力学粗糙度是衡量地球表面与大气之间动量和能量交换的重要参数,对于研究各种地表过程和气候变化至关重要。遥感技术作为远距离监测手段,研究空气动力学粗糙度时其优势在于高时效、高经济效益,能实现区域或大空间尺度的动态监测,因此利用遥感技术估算空气动力学粗糙度成为热点问题。通过系统阐述近年来国内外空气动力粗糙度研究进展,重点介绍了利用遥感技术估算植被下垫面空气动力学粗糙度的方法,对各种估算方法的优势和不足进行了总结,分析了气象因素和地表粗糙元形态特征因素对空气动力学粗糙度的影响,进而对遥感技术在该领域的应用做出展望,旨在为空气动力学粗糙度遥感监测的研究提供思路。

固定沙质床面的空气动力学粗糙度

通过固定沙质床面的空气动力学粗糙度z0的风洞实验研究,结果表明,z0与沙粒粒径的关系为:z0=a1+b1D2ln(D),并非Bagnold的1/30定律,也不是其他研究者的z0与沙粒粒径D的固定关系。Bagnold的1/30定律仅对有限风速情况和非常狭窄的颗粒粒径范围有效。风也是影响空气动力学粗糙度的活跃因子。z0与沙粒粒径,z0与摩阻速度,z0与摩阻雷诺数之间的关系都与风速有关。类似于水利学粗糙度,将空气动力学粗糙度划分为空气动力学完全光滑区、过渡区和完全粗糙区三个区域。

基于MODIS资料的中国东部时间序列空气动力学粗糙度和零平面位移高度估算

空气动力学粗糙度和零平面位移高度是很多气候模型和陆面模式中的重要参数,采用气象学方法推导这两个参数对于大范围长时间序列的计算需要大量长期的野外观测,而遥感方法可以快速经济的提供大范围数据,在本研究中采用形态学模型,以MOD IS产品数据作为数据源,计算植被冠层面积指数,估算了中国东部2001—2003年归一化到植被高度的1 km空间分辨率时间序列空气动力学粗糙度和零平面位移高度,结果表明空气动力学粗糙度和零平面位移高度均存在季节变化特征,并对所采用的模型和参数估算的结果进行了讨论。

空气动力学粗糙度的物理与实践意义

空气动力学粗糙度是风沙边界层的一个重要参数。文章回顾了空气动力学粗糙度概念的由来;用流体力学的量纲分析法和数学方法,从两个不同的角度推导了空气动力学粗糙度;阐述了空气动力学粗糙度的物理与实践意义;简明介绍了空气动力学粗糙度的分类和各种不同下垫面空气动力学粗糙度的主要研究成果,就目前研究中存在的问题、研究趋势等方面做了探讨。

塔里木盆地西南缘不同下垫面的摩阻风速和空气动力学粗糙度

[目的]分析各下垫面摩阻风速和地表空气动力学粗糙度变化特征,揭示不同下垫面的风蚀潜力大小。[方法]通过2010—2012年野外气象观测,尝试计算由流动沙漠到绿洲4个连续下垫面的摩阻风速和空气动力学粗糙度的变化并分析其变化原因,评价摩阻风速和空气动力学粗糙度其对风蚀敏感性的影响。[结果]流动沙地和半流动沙地摩阻风速(u*)和空气动力学粗糙度(z0)的年内变化不明显,固定沙地和绿洲的摩阻风速和空气动力学粗糙度年内变化呈现单调递增变化规律。摩阻风速在流动沙地、半流动沙地、固定沙地和绿洲4个下垫面分别为0.33,0.44,0.61,和0.81m/s。空气动力学粗糙度在流动沙地、半流动沙地、固定沙地和绿洲4个下垫面分别为0.39,13.58,39.51和310.8mm。[结论]流动沙地风蚀发生的潜力最大而绿洲风蚀发生的潜力最小。

渤海南岸空气动力学粗糙度和动量通量特征

利用2005年7月～2006年12月渤海南岸气象塔风速、风向的观测资料,计算空气动力学粗糙度Z_0和动量通量τ,并对其特征及变化规律进行分析.结果表明:渤海南岸平均空气动力学粗糙度Z_0为0.0019;Z_0有明显的季节变化,表现为夏季高于冬季,春季Z_0平均值为0.0015,夏季为0.0049,秋季为0.0029,冬季为0.0009;不同方向上的Z_0值存在差异,海风方向上Z_0平均值为0.1420,陆风方向上的为0.0013.动量通量τ为0.00103,τ在春、秋季节的日变化规律相似,夏、冬季节的日变化规律相似.

植被条件对下垫面空气动力学粗糙度影响实验研究

通过风洞实验,对风速廓线测定结果应用最小二乘法进行相关性分析,由拟合方程系数得到了植被覆盖的下垫面空气动力学粗糙度,并重点讨论了粗糙度与输入风速、植被特征参数的关系.研究结果表明:(1)无植被覆盖和有植被覆盖的下垫面粗糙度均随输入风速的增大而减小;(2)有植被覆盖的下垫面空气动力粗糙度随植被侧影盖度的增大而增大,其变化规律符合指数函数形式,增加率随植被侧影盖度的增大而逐渐减小,并最终趋于零,表明下垫面空气动力学粗糙度有一个极值;(3)在植被侧影盖度相同的情况下,错落排列的植被模型其下垫面的空气动力学粗糙度要高于重合排列的植被模型.

残茬覆盖地表空气动力学粗糙度变化规律

利用移动式风蚀风洞对燕麦留茬覆盖农田空气动力学粗糙度进行了测试与分析。结果表明,空气动力学粗糙度在给定风速下随残茬覆盖宽度增大而增大,下风向地表风速较上风向风速有所降低;当残茬覆盖宽度达到5 m后,地表的空气动力学粗糙度出现一个极值,此后随覆盖宽度的继续增加,其空气动力学粗糙度增幅微弱;空气动力学粗糙度随着摩阻风速的增大而增大,其增幅大于摩阻风速的增幅,说明宽度适宜的残茬覆盖地表能消弱侵蚀力,在空气动力学粗糙度和摩阻风速两因素中,空气动力学粗糙度的变化对侵蚀力的影响更显著。

稀疏植被区空气动力学粗糙度特征及遥感反演

应用中国西北半干旱区定西试验站2005年观测资料,估算了典型的稀疏农作物区空气动力学粗糙度,结合空气动力学模型分析了稀疏植被区空气动力学粗糙度的时间变化及其与风速、植株密度的关系,并得出空气动力学粗糙度的参数化方案;结合卫星遥感得到的植被叶面积指数资料,模拟了区域空气动力学粗糙度,得出:(1)空气动力学粗糙度的时间变化与风速变化规律有相反的特点;在稀疏植被区,粗糙单元分布密度对流场有一定影响,随粗糙单元密度的增加,空气动力学粗糙度将逐渐增大。(2)植株高度超过0.2m时,植被高度和植株密度、叶面积指数对空气动力学粗糙度的影响较大,当植株高度低于0.2m时,风速的影响较大。(3)结合遥感反演的叶面积指数,采用空气动力学粗糙度和叶面积指数及风速的关系,反演了空气动力学粗糙度,反演结果空间分布和误差都反映了实际空气动力学粗糙度的特征,证明空气动力学粗糙度遥感参数化比较成功。

砾石床面的空气动力学粗糙度

通过砾石床面的空气动力学粗糙度(Z0)的风洞实验研究,结果表明,砾石床面的空气动力学粗糙度(Z0)与砾石粒径、砾石覆盖度和自由风速有关,Bagnold的1/30定律和其它有关空气动力学粗糙度与粗糙元高度的固定比例对砾石床面都不适用。在各种一定砾石覆盖度条件下,砾石床面的Z0随自由风速的增加而呈指数衰减。在各种一定自由风速条件下,Z0随砾石覆盖度C的变化遵循二次曲线:Z0=F1+F2C+F3C1.5+F4C2,砾石覆盖度为40%～75%时,Z0达到最大值。建立了包含自由风速和砾石覆盖度两个因子的Z0的双因子综合模型。

平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义

利用风温廓线法测定了不同大气稳定度下的空气动力学粗糙度,以跃移传感器(saltiphone)记录的瞬时最小跃移通量观测瞬时起动摩阻风速．观测数据表明:空气动力学粗糙度随着大气稳定度变化而呈现明显的变化,近中性层结下其平均值在(1．2-4．5)×10-5m之间,不稳定层结的平均值在 (0．5-1．1)×10-4m之间,稳定层结的平均值在3×10-5-2×10-5m之间,不稳定层结空气动力学粗糙度高,稳定层结的低,近中性层结介于两者之间;3种大气稳定度下跃移过程的平均空气动力学粗糙度高于无跃移过程,近中性层结无跃移过程的平均空气动力学粗糙度在1-3×10-5m之间;野外测定的每日平均起动摩阻风速在0．19-0．26 m·s-1之间变化．观测与模拟结果表明近中性层结-地表无跃移过程下测定的空气动力学粗糙度对起动摩阻风速是有效的,而非中性层结下测定的空气动力学粗糙度对起动摩阻风速对起动摩阻风速的作用不显著,这能够从物理机制上得到说明．大气稳定度虽然对起动摩阻风速影响不大,但是否影响到风蚀强度还需要进一步的研究．

植被覆盖地表的空气动力学粗糙度及对土壤风蚀的影响

空气动力学粗糙度是影响植被覆盖土壤抗风蚀能力的重要因素。利用移动式风蚀风洞对试验区田地表进行原位测试,由风速廓线得到的空气动力学粗糙度,可有效地反映地表的空气动力学性质。测试结果表明:植被盖度愈大,空气动力学粗糙度愈大;土壤风蚀量随空气动力学粗糙度增大呈指数规律下降。

草原灌木带空气动力学粗糙度研究

为了定量研究灌木带修复退化草原的机理,采用集沙仪和风速廓线仪野外采集了不同高度灌木带及退化草原的风蚀物及风速廓线,利用最小二乘法对风速廓线数据进行计算得到了相应的空气动力学粗糙度。结果表明:灌木带对草地的防护机理在于提升了地表的空气动力学粗糙度,降低了近地表的风速,从而导致灌木带相对退化草原的抗风蚀能力增强,大量风蚀物集中在近地表30 cm范围内;距灌木带的距离越远,空气动力学粗糙度呈现下降趋势;同时对不同高度灌木带的研究发现,0.3 m、0.7 m和1.5 m高的灌木带分别在距背风面3 m、5 m和6 m处的空气动力学粗糙度与退化草原的值趋于一致,此距离为该灌木带的有效防风蚀范围,空气动力学粗糙度及有效防护范围均随灌木高度的增加而增大。

科其喀尔冰川表碛区空气动力学粗糙度分析

基于冰川表碛上的空气动力学粗糙度z0是表征表碛上空气动力学性质和估算其上能量平衡中的重要参数,利用科其喀尔冰川3号观测站涡动相关系统的2009年观测数据,采用无因次化风速法,对其表碛上冰川消融前期和消融期的z0进行了分析。结果表明,在冰川消融前期z0为0.101 m,消融期z0值在0.093~0.098 m之间,表明积雪对z0的影响显著;大气处于不稳定层结时,z0值较大,处于稳定层结时,z0值较小;风速不变时,z0随摩擦速度的增大而增大;摩擦速度不变时,z0随风速的增大而减小。

农田与草地下垫面空气动力学粗糙度的研究

利用2010年馆陶站和阿柔站涡动相关仪和自动气象观测资料,运用Yang et al.方法估算空气动力学粗糙度,分析了空气动力学粗糙度的时空变化特征,并将估算值与Brutsaert、Monteith、Zeng andWang、Bastiaanssen and Bandara、Teixeira五种参数化方案进行比较。结果表明:(1)空气动力学粗糙度与风向的关系取决于下垫面的非均匀程度;农田下垫面的空气动力学粗糙度随风向变化明显,具有方向性。(2)空气动力学粗糙度的季节性变化取决于下垫面植被(农田和草地)的季节性变化,与植被高度呈显著线性关系,与叶面积指数呈抛物线关系。(3)对于农田、草地下垫面而言,计算结果与Yang et al.方法估算值较为接近的参数化方案分别为Bastiaanssen and Bandara、Brutsaert。

空气动力学粗糙度与植被特征关系的研究进展

由Bagnold提出的空气动力学粗糙度概念,是描述各种表面空气动力学特征的重要参数,已被广泛应用于沙面、植被覆盖表面、雪面、水面等.植被高度、密度、覆盖度、侧影盖度等特征,通过影响下垫面空气动力学粗糙度来达到抑制风蚀的效果.本文系统地总结了近年来空气动力学粗糙度与植被特征关系的研究成果,分析了各种植被特征因素与空气动力学粗糙度的关系,并对影响空气动力学粗糙度的植被因素的研究方向进行了预测.

渤海西岸空气动力学粗糙度特征分析

利用2009年12月至2010年11月渤海西岸大港风能塔观测的风速、风向和温度梯度资料,计算风能塔周围空气动力学粗糙度Z0。对比分析了风廓线法和风速标准差法的计算结果,讨论了风速标准差法的适用性以及下垫面空间非均一性对粗糙度的影响。结果表明:风能塔三个主风向上的平均粗糙长度为:0.1319 m(N),0.0386 m(SE)和0.0182 m(SW)。通过严格条件限制,利用风速标准差法可以得到与风廓线法相同的计算效果。同一方位上,利用10—30 m资料计算得到的粗糙度长度的季节差异相对较小,而50—70 m的计算结果差异相对较大。在相同高度上,粗糙度长度计算结果亦存在明显季节差异,反映了随季节变化的植被对地表粗糙度的影响。

一种新的海面空气动力学粗糙度方案

综合利用6个国际海洋观测试验资料,共同验证Charnock参数与无因次粗糙度长度(z0/Hs)对波龄的依赖性,建立粗糙度回归模型,并对其进行显著性和适用性检验,从而导出粗糙度无因子形式与有效波高有关.利用研制的粗糙度方案(SP07)研究充分发展风浪与风区、风时和水深的关系,及粗糙度长度对摩擦速度和波龄的敏感度.把SP07方案引入国际上最先进的计算海气通量的COARE(V3.0)算法中,选择1985年12月在北海的FPN平台上的试验资料,进一步检验SP07方案的适用性.得出目前国际上最先进的O02和TY01方案较高估计了摩擦速度,YT96方案略偏低估计了摩擦速度,文中研制的方案计算结果与实测结果最接近.

阴山北麓耕地地表空气动力学粗糙度的试验研究

空气动力学粗糙度是表征地表空气动力学特性的重要参数。本文首先从空气动力学Navier—Stokes方程的理论模型出发,从理论上证明了空气动力学粗糙度与风速的关系,并得出了计算空气动力学粗糙度的表达式。又根据流体力学和极限理论,推导出同一床面空气动力学粗糙度随风速的增加而减小,并且减小的速度随风速的增加而减小。最后根据2004年11月和2005年4月16日在内蒙古四子王旗裸露耕地采集的风速数据,计算该地区冬季和春季地表空气动力学粗糙度的值并利用标准差进行分析,得出以下结论:地表的空气动力学粗糙度并不是一个定值,即使在同一个风速范围内,空气动力学粗糙度也是在一定范围内分布的,但是从总体上空气动力学粗糙度随着风速的增加是呈下降趋势的,各风速范围的平均空气动力学粗糙度与风速呈较好的指数负相关;150 cm、200 cm高度组合的风速比标准差最小,最稳定,因此得出测定裸露耕地冬季地表粗糙度的最佳高度是150 cm与200 cm;阴山北麓春季耕地地表空气动力学粗糙度的平均值小于春季;当u=0时,仅取决于下垫面的性质而与风速无关的粗糙度为S0,冬春两季S0分别为33.269 cm、23.969 cm,可见裸露耕地表面在春季抗风蚀能力较弱。

复杂地形条件下零平面位移和空气动力学粗糙度的计算——以珠海南亚热带常绿阔叶林地区为例

空气动力学粗糙度和零平面位移是影响陆面过程的重要参数。以往对空气动力学粗糙度和零平面位移的计算往往针对均一程度较高的下垫面。以珠海南亚热带常绿阔叶林地区为例,探索了复杂地形下垫面空气动力学粗糙度和零平面位移的计算。用拟合法和粗糙元法计算了该地区下垫面的空气动力学粗糙度和零平面位移,并分析了两种方法的误差来源。计算结果表明,拟合法在这种复杂地形下的计算准确度并不理想,由于这种方法的代表范围较小,易受到周边地形影响而使测量结果不符合对数廓线的形式,从而得不到准确的结果。与拟合法相比,粗糙元法可以给出所计算下垫面的具体范围。粗糙元法计算结果的代表范围比拟合法大得多,因此,粗糙元法比拟合法更加能够反映的是该区域下垫面空气动力学粗糙度和零平面位移的总体情况。另外,粗糙元法可以计算那些因为风速资料不足无法用风速廓线直接加以计算的区域的空气动力学粗糙度和零平面位移。根据拟合法的计算结果,冬季315-45°范围内,z0=2.96m,d=22.48m;45-135°范围内,z0=1.26m,d=8.81m。春夏季315-45°范围内,z0=3.90m,d=27.00m;45-135°范围内,z0=1.51m,d=14.83m。根据粗糙元法的计算结果,东南西北四个方向1km×1km范围内z0分别为0.94m、1.28m、1.30m、2.08m;d分别为13.87m、18.79m、19.12m、30.61m。