ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 6, с. 755-772
УДК 551.551
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ НАД НЕОДНОРОДНЫМИ ЛАНДШАФТАМИ
© 2008 г. Г. Н. Панин*, X. Бернхофер**
*Институт водных проблем РАН 117299 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: panin@aqua.laser.ru **Институт гидрологии и метеорологии технического университета Дрездена, Германия Поступила в редакцию 18.10.2007 г., после доработки 28.03.2008 г.
Анализируются причины незамыкания баланса тепла в пограничных слоях атмосферы над естественными поверхностями суши. Для этого используются результаты измерения составляющих теплового баланса над разными поверхностями суши. Анализируются данные Cabauw (Нидерланды), полученные в течение всего 1996 г. над травянистой поверхностью, перемежающейся кустарниками и отдельными деревьями, и данные станции Anchor (Германия), полученные в период 2000-2001 гг. над хвойным лесом. В целом анализируются около пятидесяти тысяч независимых значений составляющих теплового баланса, измеренных в указанных экспериментах, что должно свидетельствовать о надежности полученных здесь результатов. Эти данные показали, что баланс тепла не замыкается и этот дисбаланс составляет 50-250 Вт/м2. Сумма потоков явного и скрытого тепла XE + H = STF оказывается систематически меньше разности радиационного баланса и потока тепла в почву Rn - G. Показано, что основная причина систематического дисбаланса тепла в пограничных слоях атмосферы над неоднородными поверхностями суши связана с применением методов измерения или оценки поверхностных потоков, основанных на теории, использующей гипотезу стационарности и горизонтальной однородности. Непосредственный анализ данных показал, что дисбаланс тепла увеличивается с ростом неоднородности ландшафта. В статье осуществлена параметризация указанного дисбаланса и введен коэффициент k( Zq /Lef), интерпретируемый как мера неоднородности. Для этого используются также данные экспериментов FIFE, KUREX, TARTEX, и SADE и др. Приведены эмпирические формулы, позволяющие корректировать результаты прямых измерений и расчетов поверхностных потоков над естественными (неоднородными) поверхностями суши, по профильным и стандартным (с использованием балк-параметризаций) данным. Эти формулы могут использоваться также для определения поверхностных потоков над неоднородными подстилающими поверхностями суши с целью учета так называемых подсеточных эффектов при построении прогностических моделей.
ВВЕДЕНИЕ
В последние 10-15 лет исследование процессов тепло- и массообмена между различными типами естественных поверхностей суши и атмосферой получило значительное развитие. Это вызвано тем, что появились результаты новых экспериментов по взаимодействию неоднородной поверхности суши с атмосферой, которые существенно отличались от уже известных. Оказалось, что широко используемые параметризации (например, Монина-Обухова) в этих случаях не дают удовлетворительного согласия с данными эксперимента. Известно, что в условиях стационарности и горизонтальной однородности (СГО) теория Монина-Обухова дает хорошие результаты. В этом случае баланс тепла на поверхности и в пограничном слое можно представить в виде:
Яп - в, - ХБ - Н = ±5, (1)
где Яп - радиационный баланс тепла, в, - поток тепла в землю, Н - явный поток тепла, ХБ - скрытый поток тепла, 5 - статистическая ошибка измерения.
Часто ошибкой 5 пренебрегают (5 = 0) и уравнение (1) используют в виде [1, 2]:
Еп - в, - Хб - Н = 0. (1')
Экспериментальные данные, полученные в ходе экспериментов на специально отобранных участках (визуально удовлетворяющих условиям СГО) над сушей и особенно над морскими поверхностями, позволили развивать эту концепцию [3-9]. Заметный вклад внесли Кадер и Яглом [6], обобщившие теоретические и экспериментальные исследования тепло- и массообмена в разных условиях. Следует, однако, упомянуть, что и над специально выбранными однородными участками суши (см., например, результаты комплексного энергетического эксперимента КЭНЕКС [10]) баланс тепла не замыкается. Эти исследования и многие другие или подтверждали, или опирались на предположение о существовании атмосферного слоя выше горизонтально однородной поверхности, в пределах которого вертикальные потоки импульса, тепла и влаги не зави-
755
3*
сят от высоты. Вообще, изменение вертикального потока с высотой может быть вызвано неоднородностью подстилающей поверхности или нестационарностью метеорологических условий [11, 12]. В таких условиях предположение о существовании слоя, в котором потоки не меняются с высотой, может быть ошибочным.
Однако даже над однородными участками поверхности вертикальные турбулентные потоки меняются с высотой. По-видимому, первыми обратили внимание на это сотрудники Института физики атмосферы им. A.M. Обухова в экспериментах в Цимлянске (над ровной поверхностью суши) [13, 14], показавших, что турбулентный поток тепла, измеренный пульсационным методом в слое 1-4 м, увеличивается с высотой. Объяснение этому феномену дать не удалось, но авторы планировали в последующих экспериментах расширить частотный диапазон измерений как в сторону низких, так и в сторону высоких частот, а также рекомендовали проводить соответствующие измерения турбулентных потоков на высотах не ниже 4 м. Кроме того, было показано [15], что в нестационарных условиях необходимо учитывать изменение теплосодержания и нижней части приземного слоя атмосферы и тонком (3-5 см) слое поверхности почвы.
Новые исследования баланса тепла поверхности в экспериментах TARTEX [16], HARTX [17], KUREX [18, 19], FIFE [12], SADE [20], в которых измерения турбулентных потоков проводились на высотах от 3 до 10 м, показали, что баланс тепла не замыкается. Вертикальные потоки тепла и влаги оказались заниженными относительно требований поверхностного баланса энергии. Это свидетельствует о существовании некоторой систематической ошибки А помимо статистической ошибки 5 в уравнении баланса тепла. В этом случае одномерный баланс тепла на поверхности и в пограничном слое может быть представлен в виде [12]:
Rn - Gs - XEHH - Hhh = Rn - Gs - STFHH = = А± 5.
(2)
В (2) используется соотношение (кЕнн + Ннн = = БТЕНН), характерное для условий СГО.
Рассмотрим основные причины незамыкания баланса тепла, оценим возможную величину (А) систематической недооценки потоков. Отметим, что пока относительно причин дисбаланса тепла в пограничном слое атмосферы нет единого мнения. Существуют разные гипотезы, сводящиеся в основном к инструментальным или методическим ошибкам. Так, например, считается, что поток тепла в почву измерен с недостаточной точностью [16]. Однако если бы дисбаланс был вызван систематической ошибкой измерения потока тепла в почву (величина его мала, не превышает, как правило, 100 Вт/м2), то двукратное или даже трехкрат-
ное увеличение потока тепла в почву привело бы к разогреву (на 6-8°C) поверхностного слоя почвы, которое находится в противоречии с фактическим наблюдением.
Специальное внимание к этому дисбалансу и причинам его появления было уделено в рамках проекта GAME [21-25]. Подобные проблемы были исследованы в других работах [26-28]. В частности, в [26] показано, что самое большое искажение спектров потоков тепла, измеренных с самолета, найдено в данных полета над неоднородными поверхностями суши. В [27] представлено, что в спектрах энергии обнаруживаются дополнительные приращения, которые часто имеют когерентную природу и связаны с обтеканием топографических неодно-родностей. Энергия, получаемая от такого взаимодействия воздушного потока с неоднородностями поверхности, часто проявляется на частотах более низких, чем те, которые могли быть вызваны соответствующими неоднородностями. В [28] по данным экспериментов, приведенных в лиственных и хвойных лесах Северной Америки, также проиллюстрирована важность вклада низких частот в кова-риации потоков. В [29, 30] показано, что часто коспектры поверхностных потоков над сложными ландшафтами имеют максимумы приблизительно на частотах 0.00015-0.0003 Гц (приблизительно 1-2 часа), в то время как над однородными поверхностями подобных пиков не наблюдается.
Резюмируя, отметим тот факт, что за последние десять-пятнадцать лет (см. табл. 1) поверхностный баланс энергии в экспериментах не выполнялся, и, как правило, наблюдалось неравенство (Rn - Gs) > STFHH.
Как видно из табл. 1, отношение STFHH/(Rn - Gs) варьирует от 0.5 до 1.0 так, что, действительно, в указанных экспериментах не выполняется баланс тепла.
В связи с этим основной целью этой статьи является исследование причин дисбаланса тепла, количественная его оценка для разных ландшафтов. Для этого используются данные измерения составляющих теплового баланса тепла на станции Gabauw (Голландия) в течение всего 1996 г. над травянистой поверхностью, перемежающейся кустарниками и отдельными деревьями [22], а также на станции Anchor (Германия) в период 2000-2001 гг. над хвойным лесом [31, 32]. Всего используется около пятидесяти тысяч независимых значений составляющих теплового баланса. Эта база данных использовалась также для развития параметризации поверхностных потоков над неоднородными подстилающими поверхностями суши с целью дальнейшего учета так называемых подсеточных эффектов при построении климатических моделей. Проведем в начале предварительный анализ экспериментальных данных и рассмотрим условия проведения эксперимента.
Таблица 1. Бюджет энергии для различных экспериментов
Авторы STFHH/(Rn - G,) Название эксперимента или условия измерения
Bernhofer, 1992 0.5-1.0 Лесистая поверхность
Foken et al., 1993 0.71 TARTEX
Lee and Black, 1993 0.82 Еловый лес
Fitzjarrald, Moore, 1994 0.90 Лесистая местность лишайника
Barr et al., 1994 0.91 Лиственный лес
Панин и Насонов, 1995 0.79 KUREX
Baldocchi et al., 1997 0.94 Сосновый лес
Blanken et al., 1997 0.87 Осиновый лес
Goulden et al., 1997 0.81 Еловый лес
Lafleur et al., 1997 0.75-0.81 Болотистая территория
McCaughey et al., 1997 0.85-0.95 BOREAS
Pattey et al., 1997 0.91 BOREAS-94
Panin et al., 1998 0.87 FIFE (точка 926)
Laubach, Teichmann, 1998 0.81 SADE
Polonio
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.