Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
So sánh các phương pháp ước lượng đồng thời độ dịch chuyển mặt không và độ dài nhám khí động từ dữ liệu đồng phân tử cấp đơn
Tóm tắt
Chúng tôi đã áp dụng ba phương pháp để ước lượng độ dịch chuyển mặt không $$d$$ thông qua chiều cao đo lường khí động $$z$$ (với $$z = z_{m} - d$$ và $$z_{m}$$ là chiều cao đo lường trên bề mặt), và độ dài nhám khí động $$z_{0}$$, từ dữ liệu đồng phân tử cấp đơn. Hai phương pháp (một phương pháp lặp và một phương pháp dựa trên hồi quy) dựa trên hàm vạn năng trong profile gió logarithm và cho ra ước lượng đồng thời cho cả $$d$$ và $$z_{0}$$. Phương pháp thứ ba dựa trên sự tương đồng giữa flux và phương sai, nơi việc ước lượng $$d$$ và ước lượng tiếp theo $$z_{0}$$ là các bước độc lập. Mỗi phương pháp sau đó được chia thành hai kỹ thuật khác nhau liên quan đến kỹ thuật giải (các phương pháp profile) hoặc liên quan đến biến (phương sai của gió thẳng đứng và nhiệt độ, tương ứng). Tất cả các phương pháp đã được áp dụng cho các phép đo trên một cánh đồng lúa mì lớn đang phát triển, nơi có chiều cao tán lá đồng nhất và việc theo dõi thường xuyên cung cấp giới hạn tính hợp lý cho những ước lượng thời gian thay đổi của $$d$$ và $$z_{0}$$. Sau khi áp dụng, cho mỗi phương pháp, một bộ lọc dữ liệu cụ thể tính đến phạm vi điều kiện (ví dụ như tính ổn định) mà nó có hiệu lực, năm trong số sáu phương pháp đã có thể mô tả những thay đổi theo thời gian của các tham số nhám liên quan đến sự phát triển và thu hoạch cây trồng, và bốn trong số đó đồng ý về $$d$$ với sai số chỉ 0,3 m trong hầu hết thời gian. Việc áp dụng những phương pháp tương tự cho các phép đo với dấu chân không đồng nhất hơn, bao gồm củ cải đường đã trưởng thành hoàn toàn và sự đóng góp thay đổi của các cánh đồng đã thu hoạch lân cận, cho thấy sự phụ thuộc hợp lý của các tham số nhám vào tỷ lệ phần trăm củ cải đường. Nó cũng chỉ ra rằng các phương pháp tạo ra các điểm ngoại lai lớn nhất có thể khác nhau giữa các điều kiện địa điểm và tính ổn định. Do đó, chúng tôi kết luận rằng khi xác định $$d$$ cho các tán cây với các thuộc tính không xác định từ các phép đo cấp đơn, như ngày càng nhiều người thực hiện, điều quan trọng là so sánh kết quả từ nhiều phương pháp thay vì chỉ dựa vào một phương pháp đơn lẻ. Một trung bình nhóm hoặc trung vị của các kết quả, có thể sau khi loại bỏ các phương pháp tạo ra điểm ngoại lai, có thể giúp cung cấp những ước lượng đáng tin cậy hơn. Các ước lượng về $$z_{0}$$ hầu như hoàn toàn hợp lý về mặt vật lý, mặc dù $$d$$ được coi là không xác định và được ước lượng đồng thời với các phương pháp và kết quả đã mô tả ở trên.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Blyth EM, Dolman AJ, Wood N (1993) Effective resistance to sensible- and latent-heat flux in heterogeneous terrain. Q J R Meteorol Soc 119:423–442
de Bruin HAR, Moore CJ (1985) Zero-plane displacement and aerodynamic roughness length for tall vegetation, derived from a simple mass conservation hypothesis. Boundary-Layer Meteorol 31:39–49
de Bruin HAR, Verhoef A (1997) A new method to determine the zero-plane displacement. Boundary-Layer Meteorol 82:159–164
de Franceschi M, Zardi D, Tagliazucca M, Tampieri F (2009) Analysis of second-order moments in surface layer turbulence in an Alpine valley. Q J R Meteorol Soc 135:1750–1765
Foken T (2008) Micrometeorology. Springer, Heidelberg, 308 pp
Garratt JR (1978) Flux profile relations above tall vegetation. Q J R Meteorol Soc 104:199–211
Garratt JR (1993) Sensitivity of climate simulations to land-surface and atmospheric boundary-layer treatments—a review. J Clim 6:419–449
Gao Z, Bian L (2004) Estimation of aerodynamic aerodynamic roughness length and zero-plane displacement of an urban surface from single-level sonic anemometer data. Aust Meteorol Mag 53:21–28
Graf A, Schüttemeyer D, Geiß H, Knaps A, Möllmann-Coers M, Schween JH, Kollet S, Neininger B, Herbst M, Vereecken H (2010) Boundedness of turbulent temperature probability distributions, and their relation to the vertical profile in the convective boundary layer. Boundary-Layer Meteorol 134:459–486
Högström U (1988) Non-dimensional wind and temperature profiles in the atmospheric surface layer: a re-evaluation. Boundary-Layer Meteorol 42:55–78
Holtslag AAM, de Bruin HAR (1988) Applied modelling of the nighttime surface energy balance over land. J Appl Meteorol 27:689–704
Harman IN, Finnigan JJ (2007) A simple unified theory for flow in the canopy and roughness sublayer. Boundary-Layer Meteorol 123:339–363
Hsieh C, Katul G, Chi T (2000) An approximate analytical model for footprint estimation of scalar fluxes in thermally stratified atmospheric flows. Adv Water Resour 23:765–772
Handorf D, Foken T, Kottmeier C (1999) The stable atmospheric boundary layer over an Antarctic ice sheet. Boundary-Layer Meteorol 91:165–186
Jacobs AFG, van Boxel JH (1988) Changes of the zero-plane displacement and aerodynamic roughness length of maize during the growing season. Agric For Meteorol 42:53–62
Kormann R, Meixner FX (2001) An analytical footprint model for non-neutral stratification. Boundary-Layer Meteorol 99:207–224
Kessomkiat W, Hendricks Franssen HJ, Graf A, Vereecken H (2013) Estimating random errors of eddy covariance data: an extended two-tower approach. Agric For Meteorol 171–172:203–219
Kendall MG, Stuart A (1958) The advanced theory of statistics: distribution theory, vol 1. Griffin, London, 431 pp
Kustas WP, Choudhury BJ, Kunkel K, Gay LW (1989) Estimate of the aerodynamic roughness parameters over an incomplete canopy cover of cotton. Agric For Meteorol 46:91–105
Korres W, Reichenau TG, Schneider K (2013) Patterns and scaling properties of surface soil moisture in an agricultural landscape: an ecohydrological modelling study. J Hydrol 498:89–102
Lo AK (1976) An analytical-empirical method for determining the aerodynamic roughness length and zero-plane displacement. Boundary-Layer Meteorol 12:141–151
Lloyd CR, Gash JHC, Sivakumar MVK (1992) Derivation of the aerodynamic roughness parameters for a Sahelian savannah site using the eddy correlation technique. Boundary-Layer Meteorol 58:261–271
Massman WJ (1997) An analytical one-dimensional model of momentum transfer by vegetation of arbitrary structure. Boundary-Layer Meteorol 83:407–421
Moore CJ (1986) Frequency response corrections for eddy correlation systems. Boundary-Layer Meteorol 37:17–35
Martano P (2000) Estimation of surface aerodynamic roughness length and zero-plane displacement from single-level sonic anemometer data. J Appl Meteorol 39:708–715
Massman WJ (2000) A simple method for estimating frequency response corrections for eddy covariance systems. Agric For Meteorol 104:185–198
Mauder M, Foken T (2004) Documentation and instruction manual of the eddy covariance software package TK2. Arbeitsrgebnisse Univ, Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie, Nr. 26
Moene AF, Michels BI (2002) Estimation of the statistical error in large eddy simulation results, 15–19 July 2002, Wageningen. American Meteorological Society, Boston, p 3.12
Monin AS, Oukhov AM (1954) Osnovnye zakonomernosti turbulentnogo peremesivanija v prizemnom sloe atmosfery (Basic laws of turbulent mixing in the atmosphere near the ground). Trudy Geofiz Inst AN SSSR 24(151):163–187
Neftel A, Spirig C, Ammann C (2008) Application and test of a simple tool for operational footprint evaluations. Environ Pollut 152:644–652
Paulson CA (1970) The mathematical representation of wind speed and temperature profiles in the unstable atmospheric surface layer. J Appl Meteorol 9:857–861
Panofsky HA (1984) Vertical variation of roughness length at the Boulder atmospheric observatory. Boundary-Layer Meteorol 28:305–308
Panofsky HA, Tennekes H, Lenschow DH, Wyngaard JC (1977) The characteristics of turbulent velocity components in the surface layer under convective conditions. Boundary-Layer Meteorol 11:355–361
Prueger JH, Kustas WP, Hipps LE, Hatfield JL (2004) Aerodynamic parameters and sensible heat flux estimates for a semi-arid ecosystem. J Arid Environ 57:87–100
Raupach MR (1994) Simplified expressions for vegetation aerodynamic roughness length and zero-plane displacement as functions of canopy height and area index. Boundary-Layer Meteorol 71:211–216
Rotach MW (1994) Determination of the zero plane displacement in an urban environment. Boundary-Layer Meteorol 67:187–193
Schmid HP (1994) Source areas for scalars and fluxes. Boundary-Layer Meteorol 67:293–318
Schotanus P, Nieuwstadt FTM, de Bruin HAR (1983) Temperature-measurement with a sonic anemometer and its application to heat and moisture fluxes. Boundary-Layer Meteorol 26:81–93
Takagi K, Miyata A, Harazono Y, Ota N, Komine M, Yoshimoto M (2003) An alternative approach to determining zero-plane displacement, and its application to a lotus paddy field. Agric For Meteorol 115:173–181
Toda M, Sugita M (2003) Single level turbulence measurements to determine roughness parameters of complex terrain. J Geophys Res 108(D12):4363
Tsai JL, Tsuang BJ, Lu PS (2010) Measurements of aerodynamic roughness, Bowen ratio, and atmospheric surface layer height by eddy covariance and tethersonde systems simultaneously over a heterogeneous rice paddy. J Hydrometeorol 11:452–466
van Dijk A, Moene AF, de Bruin HAR (2004) The principle of surface flux physics: theory, practice and description of the ECPACK library. Internal report 2004/1. Meteorology and Air Quality Group, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands, 99 pp
van de Boer A, Moene AF, Schüttemeyer D, Graf A (2013) Sensitivity and uncertainty of analytical footprint models according to a combined natural tracer and ensemble approach. Agric For Meteorol 169:1–11
Weaver HL (1990) Temperature and humidity flux–variance relations determined by one-dimensional eddy correlation. Boundary-Layer Meteorol 53:77–91
Wieringa J (1993) Representative roughness parameters for homogeneous terrain. Boundary-Layer Meteorol 63:323–363
Wilczak JM, Oncley SP, Stage SA (2001) Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorol 99:127–150
Zhang HS, Park SU (1999) Comments on ‘A new method to determine the zero-plane displacement’. Boundary-Layer Meteorol 91:135–139