微气象学期末复习.doc

第一章1)微气象学的概念：微气象学是研究发生在大气边界层下层及其下部土壤-植被-大气作用层中的微尺度、小尺度或局地尺度的大气现象、过程与变化规律的学科。2)微气象与微气候异同：它们处理的都是发生在近地气层的相似的大气过程，由短期平均的得到的微气象规律通过积分等数学或统计运算能得到长期的微气候变化规律。它们的主要不同在于对气象要素的进行平均的时间尺度不同。微气象是对不仅关心边界层或下垫面层气象变量的短时平均，还关心它们的脉动。而微气候是对气象变量的长期平均，关心的是日变化、季节变化。3)微气候的特点：范围小、差异大、很稳定三个特点。4）微气象的研究领域：包括各种类型下垫面上的辐射收支状况及其分布特征和变化规律，近地层中各种物理属性的输送和交换物理过程、控制机制，微气象的形成原因，各种影响因素，各气象要素的变化规律。如：辐射收支状况，动量、质量、热量交换，水、C、N等 物质循环。尤其关心的是测定和模拟上述湍流交换在植被和地表间的时空变异。目标：改良微气象条件。5） 微气象的研究方法微气象的研究方法通常是采用理论和实验相结合，并以实验为主。实验方法则是以野外试验观测及室内模型实验同时进行。（1）观测试验研究（2）数值模拟研究数值模拟研究就是用系统的观点，从近地层大气物理系统所遵循的基本物理定律（质量守恒律、大气运动规律、能量守恒律）出发，根据下垫面特征，给出适当的边值条件和模式参数值，来研究某个下垫面的温度、湿度、风速等的分布和变化规律。（3）观测试验与数值模拟相结合的研究上述二种研究方法各有长处，也各有局限性，二者结合是微气象研究更合理、更有效的方法，一般用试验观测资料验证数值模拟结果，或者通过观测试验确定数值模拟模式参数 。（4）模型试验研究通过人造模型进行风洞试验来探索某些微气象规律属于模型试验研究方法。第二章1) 两个方程平坦裸露下垫面的地表辐射收支方程Rn=S+D+G-R-U-RL辐射收入项包括：太阳直接辐射S、天空散射辐射D和大气逆辐射G；辐射支出项包括：短波反射辐射R、地面放射辐射U和长波反射辐射RL。地表能量平衡方程可表示为：Rn=H+LE+QsfH为感热通量，LE潜热通量，Qsf为土壤热通量。 2)影响下垫面反射率的因子影响下垫面反射率的因素有2个方面：内因：下垫面本身的物理特性，如的颜色、湿度、粗糙程度等（空间差异）；外因：天文因素，如太阳高度角、波长（时间差异）(1)物体颜色愈深，反射率愈小，颜色愈浅，反射率愈大。(2)地表反射率随土壤湿度的增加而减小，且大致符合负指数关系。(3)粗糙度增加使地表反射率减小。(4)地表反射率随太阳高度角的增大而减小的。(5)地表反射率随辐射波长的不同而不同，对红外区辐射的反射率大于可见光区。 3）有效辐射的影响因子下垫面有效辐射大小取决于地面长波辐射和大气逆辐射，地面长波辐射取决于地面温度；大气逆辐射又受大气温度、大气中的水汽含量以及云状云量等气象因素的影响。（a）地面温度（b）大气温度（c）大气湿度：随着水汽压的逐渐增大，有效辐射减小。（d）云的影响：有效辐射随云量的增加、云层变厚而减小。（e）其他自然和人为因素 ：近地层中的霾和雾减小地面有效辐射；人工措施改变下垫面有效辐射，如：熏烟、灌水、塑料大棚、地膜覆盖和草帘覆盖等等。4)晴天、平坦裸地上净辐射的日变化特征上午下垫面净辐射随时间推移而不断增大晴天地表净辐射的最大值出现时刻不在正午而在正午之前，下垫面净辐射日变化并不对称于正午。下午下垫面净辐射随时间推移下降 。夜间，净辐射的时间变化与有效辐射相同，但符号相反。夜间净辐射在降低到最低值后又有所回升，但一直是负值。净辐射为零的时刻。在地面净辐射日变化过程中，一天有两次的时刻，它们都发生在日间。5)坡地上的直接辐射任何一个坡地、任何时刻的太阳直接辐射计算公式为：(A)坡地坡向对直接辐射的影响坡向的影响以正午时刻，A=0，对|求偏导数有：这表明，当太阳高度角一定时，相同坡度的坡地上直接辐射量随坡向|的增大而减小；即南坡最大，偏南坡次之，东西坡、偏北坡依次再减小，而北坡最小 。掌握理解变化规律对于晴天相同坡度的坡地来说，不同坡向的太阳直接辐射量最大值出现时刻随坡向不同有差异。偏东坡（东南坡、东坡和东北坡）上的直接辐射量上午大于下午，最大值出现在上午；而偏西坡上正好相反；南坡和北坡上的直接辐射量上午和下午基本对称，最大值出现在正午（太阳高度角最大）。最大值的出现时间以东坡最早，然后是东南、东北坡，南、北坡，西南、西北坡，西坡最晚。就各坡地上直接辐射最大值来说，南坡最大，东南坡和西南坡、东坡和西坡以及东北坡和西北坡依次减小，北坡上最小；而且偏南坡上的直接辐射最大值都比水平面上的大，偏北坡上的最大值都比水平面上的小。 坡度的影响以正午（A=0）、南坡（ =0）为例，有：这表明，当h一定时，若h+90，则S ，0随增加而减小；若h+=90，则S ，0出现最大值；显然，正午南坡上出现直接 辐射最大值的坡度为 = 90- h。因为：南坡上正午时刻所获得的直接辐射量就相当于纬度比该地低度的地方水平面上所获得的直接辐射量。南坡坡度每增加1，正午时所获得的直接辐射就相当于地理纬度降低1的水平面上的直接辐射量，即相当于测点向南推移了110 km。问题：求纬度为北纬35度的南坡正午时刻，冬至、夏至、二分日太阳辐射最强的坡度？6）坡地上的净辐射任一坡地上的辐射收支方程：坡前平地反射到坡地上的大气长波辐射 ：林冠辐射平衡各分量第三章1）土壤温度波方程任一深度z处的温度变化方程：土壤温度日、年变化消失的深度例： 若以温度日较差0.1为日恒温层深度即假定某日地面温度振幅为20.0，对南京黄棕壤（代表土壤）K=0.00492cm2/s，试求该日的恒温层深度。取n=1，T=246060=86400秒，K=0.00492cm2/s，根据公式有：若以温度振幅减至地面振幅的1/10作为恒温层深度，即有：一般把日较差小于或高于某一规定值作为恒温层深度比校合理。若令年=日，则有可知，土壤年变化消失的深度是日变化消失深度的19.1倍。所以，就上面南京土壤而言。2）土壤热通量的变化特征基本规律通过土壤任一深度的土壤热通量的年、日变化也是一高阶的正弦周期函数，一天中有最高值和最低值。土壤热通量的绝对值随深度的增加而减小，其振幅随深度增加呈几何级数递减，即深度愈深，土壤热通量振幅愈小，其年、日变化愈不明显。土壤热通量的位相随深度增加也是线性递减。位相为但比同深度的温度波位相提前，即Qs的极值出现时间比同深度的温度波极值出现时间提前了。对日变化来讲，对一阶谐波提前了3小时，二阶谐波提前了1.5小时, n阶谐波提前了小时。就年变化而言, 对一阶谐波提前了1.5月, n阶谐波提前了小时。影响因素从热通量变化的表达式分析可知，影响因素为:通过深度z处的热通量大小与该层土壤容积热容量Cv、导温率K的平方根 以及该深度温度波的振幅成正比，即K，Cv，Azn越大的土壤，Qs也越大。由 可知，对一定土壤来讲，日变化小，对Qs日变化影响小，故Qs的日变化主要取决温度梯度的日变化。的年变化大，雨季土壤湿度大，大，故Qs也大，而在旱季，湿度小，小，故Qs也小。作用面特性对Qs的影响：作用面特性对土壤热交换影响很大，在其它条件相同的条件下，凡是导热率大、反射率小、蒸发弱的作用面，其土壤热交换量就大，反之，则小。有多种自然覆盖物存在时，也使土壤热交换明显减小。3）典型晴天下，日土壤温度铅直分布分为四种类型：a、日射型又称受热型：日间由于地表吸收太阳辐射而获得热量，地表迅速升温，热量由地表向下层输送，温度自地面向下随深度增加而递减，TZ0，典型出现时间为01时。c、早上过渡型：日出以后，地表得到热量，温度很快上升，这时土壤上层，热量由地表向下输送，温度自地表向下随温度增加而递减，TZ0，最低温度出现在某一深度，由此向上，温度均呈递增型，典型出现时间为07时。d、傍晚过渡型：日落后地表开始辐射降温，地表温度逐渐下降，在土壤上层温度随深度增加而递增，TZ0，而在下层，地表辐射冷却还未影响到，温度仍持续日射型分布，随深度增加而递减，TZ0，这时最高温度出现在另一深度，由此向上，向下温度都是递减的，典型出现时间为19时。 4）影响土壤温度状况的因素影响土壤温度状况的因素有以四个方面因素：地理条件、天气条件、土壤条件、地表覆盖情况，下面就这四方面因素作一些讨论。（1）地理条件：地理条件主要指海拔高度和地形条件对土壤温度状况的影响。A、海拔高度：随着海拔高度增加，大气中水汽和尘埃均减少，大气透明度增加，因而白天获得的辐射能和夜间放出的长温辐射都比海拔低的平原地区多，所以高山或高原地区，白天温度比平原高，晚上比平原低，日夜差大。随海拔增加，气温下降快且梯度大，而土壤温度随海拔高度增加，递减慢，梯度小。B、地形条件：地形条件主要指山坡的坡向、坡度、地形形态，如山顶和盆地，马鞍型地形等，地形条件不同，土壤温度差异很大 。（2）天气条件：一段讲，在晴天、静风、土壤干燥时，土壤温度高；而在阴天、大风、土壤潮温时，土壤温度低。云量的影响：在辐射收支为正的白天和暖季，云层增多，土壤温度偏低，而在辐射收支为负的夜间或冷季，云层增多，土壤温度偏高。风速的影响：风速影响湍流交换的热量输送。日间，云层和风速都有减低土壤温度的作用；夜间，云层和风速都有提高土壤温度的作用。故霜冻多发生在晴朗无风的夜间。降水的影响：降水增加，土壤湿度增大，导热率增大，从而增加土壤层之间热量的上下交换，故有白天降低温度，夜间提高温度，减小土壤温度日较差的作用。另外潮湿的土壤，蒸发耗热量也大，使土壤热通量减少，温度也偏低 。（3）土壤条件的影响：土壤条件主要指土壤湿度、土壤颜色、土壤质地等对土壤温度的影响a、土壤湿度的影响一般特点是潮湿的土壤对应的土温较低，干燥的土壤对应的土温较高。原因是潮湿的土壤，蒸发耗热量大（LE大），带走的热量多，故温度低，潮湿的土壤，导热率大，白天热量易向下输送，上层土壤温度不会很高；潮湿的土壤，容积热容量大，每升高1，所吸收的热量多，故温度不易升高。干燥土壤则相反。b、土壤颜色的影响颜色深的土壤，反射率小，吸收太阳辐射多，温度高。颜色浅的土壤，反辐射率大，吸收太阳的辐射少，温度偏低。颜色对土壤温度的影响温度一段夏大于冬季，晴天大于阴天。c、土壤质地的影响粗质地土壤（如砂土），温度年、日振幅小，温度波影响土层深细质地土壤（如壤土），温度年、日振幅大，温度波影响土层浅（4）地面覆盖物的影响：土壤条件主要指土壤湿度、土壤颜色、土壤质地等对土壤温度的影响。a、植被的影响：有植被的土壤温度日较差小于无植被的裸地。b、雪被的影响：雪被是不良的导热体，其导热率很小，只有0.0004Cal/cm/s/，而土壤平均导热率比雪被大一个量级，为0.003 Cal/cm/s/，雪被的导热率只有土壤导热率的1/10。因此，在冷却的冬季，有积雪覆盖的土壤，其温度下降缓慢，土壤不易冻结，即使冻结，冻结的深度也较浅 。（5）腐殖质和草根层的影响：植物的有机体和草根层是不良的导热体，白天能阻止热量进入土中，造成土壤表面温度高，夜间能阻止热量上传，造成表面温度低。故土壤中腐殖质和草根层多的土壤，土壤温度日较差大，早春易发生霜冻危害。改善的办法是进行深耕，使腐殖质和草根多的上层土壤和矿物质较多的下层土壤充分混和，增加土壤导热率，可减少早春霜冻危害 。 第四章1）例：假设我们设立一根装有风速表的支柱来测量风速U和W，每6秒测量一次 瞬时风速，最后得到下列10对测量结果：U(m/s):5 6 5 4 7 5 3 5 4 6W(m/s):0 -1 1 0 -2 1 2 -1 1 -1两个变量间的协方差为：2）物理量a全导的雷诺平均推导3)关于湍流的一些公式：（A）动量、热量和水汽的湍流垂直输送通量表达式：(B)摩擦速度u*、摩擦温度T*、摩擦湿度q*分别描述其对应脉动值的平均状况。因为在近地层中，、P、E不随高度而变化，所以在近地层中u*、T*、q* 也不随高度而变化。 (C)利用梯度观测资料计算通量的公式中性层结下定义粗糙高度Z0：下垫面上平均风速为零的高度。粗糙高度随近地层大气层结稳定度的变化而变化，稳定层结时的粗糙高度大于中性层结、更大于不稳定层结时的粗糙高度；粗糙高度还随近地层平均风速的增大而减小。对于一般的浅草地，粗糙高度大约24cm。这是一个对数风速廓线：风速随高度是对数变化的。湍能梯度里查逊数 0：稳定L可理解为单位里查逊数时的混合长；但是特征长度与混合长又有一定的区别，它只作为湍流铅直混合的特征尺度。 不稳定层结时：/Z0,L0,0,L0,0中性层结时：/Z=0,L趋于无穷大,=0公式之间的关系:如证明不稳定条件下： 考虑到观测和确立经验相似函数（常数）的不确定性，在大多数实际应用中，不要求非常高的精度时，可采用下面较简单的函数形式。中性条件下，不稳定条件下，另外有一个好处就是可简化与 Ri的关系，4）湍流动能的三个区域：含能区、惯性区、耗散区5）大气的湍谱的一般特征（1）在高频谱，即图中f1处，曲线趋于直线，即相当于惯性区的谱形，该处与稳定度关系不大，稳定度只反映在 中；而在低频部分则稳定度影响很大。（2）图中用表示稳定度，0表示稳定，=0为中性。（3）图中曲线表明低频部分谱曲线随不稳定度的增加更偏向低频部分，0时图中斜线部分表示值不能精确给定。而谱曲线的最大值所在的频率也随不稳定度的增加而减小，这说明越不稳定，低频部分占的比重越大，或大涡所占比重更大。（4）曲线下的面积代表湍能，因而随不稳定的增加，湍能也越大。即：（A）在惯性副区，所有的谱都符合Kolmogorov相似律。（B）在Z/L大于0的低频区，谱线按Z/L值分开，谱峰对应的频率随Z/L的增大而增大。（C）在Z/L小于0的区域，谱线不能按Z/L清楚的排列，而出现互相交织的状态，用阴影区表示，说明归一化的谱与Z/L无关。6）近地气层的温度铅直分布类型晴朗的天气条件下，分成四种类型（两个基本型、两个过渡型），其形式有：日射型、傍晚过渡型、辐射型、早上过渡型。 7）气温的铅直分布（廓线），大致上可有对数模式、指数模式和对数-线性模式等多种。对数模式如按指数模式对数-线性模式这些模式虽表示形式不同，但说明的问题是一样的，即日间总是描述日射型的分布，夜间描述辐射型的分布。特别是在接近中性和高度比较低的情况下，三种模式是十分接近的。所以，实际上在小气候工作中，通常都认为近地层中气温分布与对数律是大致符合的。8）贴地气层气温的铅直梯度的某些定性理论结果：无论在何种层结下，气温梯度随高度按双曲线降低。它表明随着高度的增加，地面的影响很快削弱，混合不断加强，温度梯度迅速递减并趋于平衡状态。当贴地层的层结为不稳定时，相同高度处的温度梯度将随不稳定度的增加而变大。因为，当时层结不稳定本身（即1的大小），与其余高度的温度梯度成正比。在稳定层结下为负，若z1高度处的1绝对值愈大，表示层结愈稳定。即当时所对应的各高度上的的绝对值也愈大。地面风速切变加大，表明动力湍流加强，无论在白天或夜间，其结果总要使梯度的绝对值减小。由于贴地层中温度梯度的变化是与地面影响直接相联系的，所以，在最紧贴地面的薄层中温度梯度的昼夜变化幅度最大。在平衡状态下，湍流热通量 H = 0，则有=0。当其余条件不变时，地面接受的辐射平衡愈多，蒸发耗热愈少(地面愈干燥)，温度梯度就愈大9）气温的脉动温度脉动也有日变化，其日变曲线大体上与交换系数K的日变化相似，也是中午前后最大，夜间最小。近地气层中强烈的温度脉动使得气温的小气候观测发生困难。惰性大的仪器，如水银温度表反而能给出较长时段的平均值，但不能测出瞬时变化。而惰性太小的仪器，除了作专门的温度脉动观测外，却不好测平均值。因此，为了避免脉动的影响，即使使用水银温度表，在进行梯度观测时也往往需要重复观测36次。10）关于绝对湿度在有蒸发的情况下，比湿（绝对湿度）随高度是递减的，而且其梯度随高度增加而减小，这种比湿向上递减的铅直分布型，是最为普遍的分布型，称为湿型分布。如果在夜间地面发生凝结时，E为负值，梯度为负，贴地层内绝对湿度随高度增加。这种铅直分布型称为干型分布。不过这种干型分布也可因地面吸湿的结果产生。但是，不论何种原因造成的绝对湿度向上递增的现象，都不如气温那样明显和典型。因此，总的来说，就是在夜间湿型分布也是主要的。当近地层中风速加强时，表示动力乱流加强，促使上下层之间的水汽交换，导致绝对湿度的梯度减小。 随着离地面高度的增加，湍流交换加强，绝对湿度的梯度很快减小，所以无论绝对湿度或它的梯度都是在下层的变幅最大。下垫面获得的辐射平衡愈大，意味着提供蒸发的能量愈多，一般说(对足够湿润地段)总是使蒸发加强，湿度梯度增加。地面越湿润 （尤其是干燥地段灌水之后）湍流热交换量愈少，蒸发就愈旺盛，湿度梯度也就越大。 11）相对湿度相对湿度是绝对湿度和气温的相对湿度在近地气层中的铅直分布可分为湿型和干型两种类型。湿型:相对湿度由地面向上递减称为湿型分布。这种分布型的产生主要是因为夜间在近地气层中出现逆温，此时地面因温度低，所以相对湿度要比上层高。干型:指相对湿度由下向上逆增。日间地面受热增温，下层相对湿度并没有因蒸发加强、绝对湿度增加而增大。相反，因为温度过高，相对湿度减小。于是就造成与温度铅直分布相反的干型分布。在湿润地区的暖季相对湿度的干湿交替在一昼夜间是十分明显的，很容易观测到。只有在比较特殊的条件下，如在低温或高湿的地区或季节，可以出现全天的湿型分布。1975年8月我们在青藏高原上(昆仑山口)就曾观测到这种现象。反之，在干热地区，也可能出现全天干型分布。此时，夜间干型主要是因为土壤吸湿的给果。相对湿度的日变化一般是比较简单的。它大致上与气温日变化曲线反向对应。亦即当日间温度升高时，相对湿度下降，温度升至最高，相对湿度降至最低，一日之间完成以早晨最大，午后最小的单峰型日变化。 12）近地层中的风状况 看PPT 第六章1）农田辐射在群体内分布模式太阳光能在群体中传输主要决定于群丛结构：叶片的聚集度、冠层间空隙、叶片倾角和方位角等。植物群体内相对日照面积随离植物上表面距离的增加而呈负指数递减。2）净辐射在农田中的铅直分布白天，农田中净辐射廓线的总趋势是由群体上层向下递减，为递减型。夜间，由群体上表面向下递增(有效辐射减小)，整个农田净辐射廓线呈递增型3）农田中气温的分布(一)直立作物冠层的气温分布当植株株高超过1m后，气温在植被中的铅直分布发生变化，最高温度的出现部位上升到某一高度上，但不发生在辐射最强的植被上表面，因为群体表面潜热耗热较多、湍流交换也较强。最高温度出现的高度，将是获得的辐射热量比较多、湍流弱、蒸腾也较小的部位，温度由此向上、向下均递减。在夜间，也出现最低温度的部位从地面上移现象，即随着植被高度和密度的增加，发生最低温度的高度也相应抬升。(二)叶片呈水平状的阔叶植物冠层内的温度分布对叶片大、倾斜角很小、水平着生为主的植物，如棉花、油菜、大豆以及多种蔬菜等，白天，叶片能阻挡太阳辐射向下层传播，最高温度出现在群体上表面，并由此向下递减。夜间，群体下部叶片较少，湍流交换强，群体上部冷却后的浓密冷空气容易下沉到地表，因此最低温度总是在地面出现。4）农田蒸散农田蒸散为植物蒸腾和土壤蒸发(在水田为水面蒸发)之和。在植物苗期，植物蒸腾较小，主要是土壤蒸发；在植物生长的盛期，由于植被覆盖度的增加，此时土壤蒸发变得很小，主要是植物的蒸腾。研究表明土壤蒸发随叶面积指数增加而减小，植株蒸腾量随叶面积指数逐渐增加而增大（见下图） 。5）植被冠层中的风速廓线，可用下式公式描述：在裸地或植被冠层上方 在裸地或植被冠层上方，动量通量是一个常数而在植被冠层内，动量通量不是常数城市能量平衡方程Q*+Qh=H+LE+Gs+St根据Oke对温哥华的研究，城市与近郊、远郊相比能量平衡各分量的日变化差异： 城市系统出现的净辐射正值时间比远、近郊都短，在夜间长波净辐射的失热比近郊少。 城市街道中白天正午获得的盈余净辐射约有64%通过湍流交换将显热QH输送出去，仅有10%的热量用于蒸发潜热的输送，其鲍文比高达6.4，这是近、远郊无法相比的。 城市夜间湍流微弱，QH、QE都很小，其长波辐射损失的热量几乎全靠（90%以上）白天贮存在墙内和地面的热量来补充。城市热岛成因：自然条件：市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对天空角系数和风场云量：市区内云量大于郊区太阳辐射：市内大气透明度低下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：地面材料、植被、水体的设置人为影响：“人为热”交通、家用电器、炊事产热空调采暖产热街区特征比：高宽比H/W是表征建筑形态度重要特征量，又称为街区特征比风速变化情况：建筑群的高度及密度将直接影响地表面粗糙度，使得城市下垫面粗糙度增大，同时建筑物对平均流场具有拖曳作用，从而导致了城市近地层平均风速相对于郊区逐渐减小。 城市中的高层建筑位于街道两侧，街道中的气流出现“峡谷效应”。当盛行风与街道平行时，气流回以相对快的速度流过街谷 。当盛行风与街道垂直时，气流受街道旁建筑的影响，根据城市建筑物特征H/W的不同，可将气流垂直流经成排的建筑物运行的空气流场分为三种情形：a)孤立绕流（当H/W0.30时，街道两边的建筑对气流的运行影响互相独立，各建筑对气流运行的影响可分离考虑b)尾迹干扰流（wake interference flow）。当0.30H/W0.70时，气流经过前一建筑物产生的尾流会干扰气流流经下方方向建筑物上方的气流运行。由于建筑物间距离变小，对污染物扩散不利。C)顶部掠流（Skimming flow）。当 H/W0.70时，在街区内的气流形成垂直环流，与建筑物顶部高度上方气流交换很少。气流从建筑物顶部高度掠过，不能清除街区内的污染物