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英文文献翻译

英文题目 a new method to determine the zero plane displace

中文题目 确定零平面位移的一种新方法

确定零平面位移的一种新方法

（研究报告）

A. R. DE BRUIN and A. VERHOEF

Wageningen Agricultural University, Department of Meteorology, Duivendaal 2, 6701 AP Wageningen, The Netherlands

摘要.提出了一种通过一个高度的垂直风速和运动学显热通量标准偏差的测量来确定高大植被零平面位移的新方法。对于萨赫勒地区老虎灌木植被类型的研究，获得了合理的结果。

关键词：零平面位移，HAPEX - 萨赫勒地区，垂直速度的标准偏差。

1. 简介

描述大气近地层（ASL）中湍流行为的大多数理论都是基于相似和维度理论。众所周知的一个例子是奥布霍夫相似理论(see e.g. Panofsky and Dutton, 1984）。该理论基于以下假设：在均匀的ASL中g/T，u_*，和z是相关的物理量（g是重力加速度，u_*是摩擦速度，是运动学显热通量,z是表面上方的高度）。

对于平均水平风（u）和位温（theta;）的梯度应用以下的公式：

(1)

其中Phi;_m与Phi;_h是通用稳定函数, 是奥布霍夫长度，k是vonKarman常数，d是零平面位移.

本文主要论述了高植被d的确定，特别是萨赫勒某些地区的重要植被类型老虎灌木丛。

现存的各种确定零平面位移的方法，这些方法通常是基于中性条件下的风廓线测量。 有关概述，请参阅Wieringa（1993）。

传统方法的应用需要在ASL内的风廓线测量。这意味着，一方面，z必须大于至少1.5倍于植被高度h（Wieringa，1993），另一方面，z必须小于行星边界层高度的0.1倍。此外，风浪区必须足够大。根据该要求，风浪区必须至少是z的50倍。在许多实际应用中，这些约束严重限制了传统方法的应用，并且在大多数情况下不能使用这些方法（De Bruin and Moore，1985; Verhoef，1995）。另一个问题是传统方法需要在近中性条件下使用，而在某些气候区域，这些条件非常罕见。 在这种情况下，稳定性的影响将变得重要。 由于这些原因，确定d的常规方法通常是不适用的。

而对于我们在这里研究的老虎灌木从来说，几乎所有上述问题都存在。 植被高而稀疏，气象条件很少中性，因为风速相对较低且显热通量很大。

本次研究的目的是提出一种确定d的替代方法。 它基于垂直风速的标准偏差（sigma;_w）与之间的自由对流相似关系。 它的优点是只需要在一个高度上进行测量。

2理论

使用推导公式（1）相同的相似性原理，可以得到

(2)

其中f_w是另一种通用稳定性函数。 与式（1）中Phi;函数相反，关于f_w的形式没有不一致的地方，普遍认为，在不稳定的条件下，f_w为：

(3)

其中a_w = 1.25，且b_w = 3是常数(see e.g.Panofsky and Dutton，1984）。

在局部自由对流条件下即：，方程（3）可推导

(4)

此处

可以看出（z-d）以及d，可以通过做sigma;_w³与的关系图获得，这意味着可以通过在一个高度上测量sigma;_w 和来确定d。

3.实验细节

在HAPEX-Sahel Central West超级站点（CWS）的一个子站点发现了老虎灌木丛植被。 HAPEX-Sahel试验（2至3°E，13至14°N）在1991 - 1992年期间在西非尼日尔进行，作为先前在半干旱地区进行的大规模国际试验的后续研究。该实验在1992年8月至10月有一个密集观测期（IOP）(see Goutorbe et al., 1994）。CWS位于首都尼亚美以东40公里处，位于中东超级站点以西15公里处，在Fandou Beri村的中心。 它包括四个子站点：粟农田，稀疏大草原，进一步退化的稀疏大草原和老虎灌木丛。老虎灌木丛测量区位于休耕大草原东南约10公里处。 植被由塞内加尔吉耶拉树和零散的树种（Combretum nigricans, Combretum micranthum）组成，这些树生长在长10至30米宽的条带上。 植被平均高度约为4米，树高在6到10米之间。植被覆盖率约为其表面的30％，其余70％为裸土。 叶面积指数尚未测量，但与大草原灌木从相比估计为1.0。 此前的IOP（6月）所形成的植被带很容易成活。降雨开始之后，绿叶面积迅速增加。直到IOP结束，老虎灌木叶面积一直保持高水平，不像谷底的草本植被，此时大部分已经衰亡。

该站点仪器的测量和维护由荷兰瓦格宁根的DLO Winand Staring Center（SC-DLO）进行。

他们在植被带附近搭建起了一座16米高的塔。 安装3D超声风速计（Solent A1012R2，Gill Instruments Ltd.，Lymington，Hampshire，UK），以及一个自动温度计交换系统（TIS），用于测量两个高度的温度和湿度梯度，以估算波文比和两个高度风速。分别测量土壤和植被带上的辐射分量和土壤热通量。与本文相关的数据全部采用超声风速计收集，安装高度为14.7米 该系统由专门编写的软件控制，该软件计算实时的表面通量。原始湍流记录存储在个人计算机上以进行后处理。 以20Hz的原始频率对通量进行采样。使用 Lloyd et al. (1996) and Moncrieff et al. (1996)等人描述的程序进行必要的校正（坐标旋转，频率响应损失校正和Webb校正）。的确定中使用超声温度。 由于蒸发和风速很低，我们忽略了这些因素对测定的影响，即在一般方程中（Schotanus et al，1983）：

(5)

我们忽略了最后两项（c是声速）。

图1.在d = 2.1 m时用（5）估算的与测量值。回归线强制通过原点（斜率= 1.007plusmn; 0.025）。

此外，我们假设如果显热通量超过120 W m^-2，则应用自由对流公式（4）。

1. 结果与讨论

在图1中，我们绘制了在d=2.1时用（4）所计算的，。该值是通过简单的线性回归（零截距）找到的。 显示回归线。 可以看出斜率非常接近1。为了说明差异，在图2中给出了d = 0的相同图。图中斜率看起来是0.86，尽管数据点很散，但是与d = 2.1 m的结果差异是显着的。

在最近的一项研究中，Verhoef（1995）使用Raupach（1992）的模型发现同一表面的d几乎相同。我们的结果也与Dolman等人（1992）在尼日尔的另一个老虎灌木丛点发现的d值相对应。，他们使用简单的经验法则，d约为植被高度的2/3。 所以我们认为我们的方法是可行的。

本文指出一种在传统方法不适用的条件下确定d的新思路。我们意识到，我们的做法会有一些问题。比方说：“在自由对流的情况下，零平面位移是什么？”或“如果可以在这些条件下计算零平面位移，那么该方法是否仍适用于老虎灌木丛场地，由于其结构，湍流运动将重新构建？”另一方面是我们假设动量的零平面位移与显热的零平面位移相同。由于我们应用式（4）来计算自由对流区，由此产生的d的问题需要我们处理。一方面可能会说，我们的方法产生了显热通量的d。 如果这是真的我们的结果可以解释为，在老虎灌木丛的情况下，动量和显热的d大致相同（也做了这样假设的Raupach模型给出正确的值）。 最后，由于对比的散点离散相对较大，我们的结果是否具有统计学意义值得怀疑。对于目前的数据集就是如此，但是用在相同的地形用其它的数据集，会得到不显着的结果。 此处所提及的内容是为了给出在他的方法不能应用的条件下，确定d一个新的想法。 我们希望其他人可以尝试我们的方法。

需注意的是，在我们提交了论文之后，发现在德国气象局（DWD）的内部报告中，Wichura和Foken（1995）提出了一种类似的方法来确定d。他们也使用了等式（4），但他们的数据适合整个不稳定的大气层结。

致谢

研究是在E.C.（合同EPOC-0024-C（CD））和NWO（项目编号750.650.37）的支持下进行的。 我们感谢Winand Staring Center（荷兰瓦格宁根）的HAPEX-萨赫勒地区科学团队的所有成员，特别是Jan Elbers，他们收集了数据并将这些数据提供给本研究。

参考文献

De Bruin, H. A. R. and Moore, C. J.: 1985, lsquo;Zero-Plane Displacement and Roughness Length for Tall Vegetation, Derived from a Simple Mass Conservation Hypothesisrsquo;, Boundary-Layer Meteorol. 31, 39–49.

De Bruin, H. A. R., Kohsiek, W., and van den Hurk, B. J. J. M.: 1993, lsquo;A Verification of Some Methods to Determine the Fluxes of Momentum, Sensible Heat and Water Vapour using Standard Deviation and Structure Parameter of Scalar Meteorological Quantitiesrsquo;, Boundary-Layer Meteorol. 63, 231–257.

Dolman, A. J., Lloyd, C. R., and Culf, A. D.: 1992, lsquo;Aerodynamic Roughness of an Area of Natural Open Forest in the Sahelrsquo;, Ann. Geophys. 10, 930–934.

Goutorbe, J-P., Lebel., T., Tinga, A., Bessemoulin, P., Brouwer, J., Dolman, A. J., Engman, E. T.,

Gash, J. H. C., Hoepffner, M., Kabat, P., Kerr, Y. H., Monteny, B., Prince, S., Said, F., Sellers, P., and Wallace, J. S.: 1994, lsquo;HAPEX-Sahel: A Large Scale Study of Land Atmosphere Interactions in the Semi-Arid Tropicsrsquo;, Ann. Geophys. 11, 53–64.

Kader and Yaglom: 1990, lsquo;Mean Fields and Fluctuation Moments in Unstable Stratified Turbulent Boundary Layersrsquo;, J. Fluid Mech. 212, 637–662.

Lloyd, C. R., Bessemoulin, P., de Bruin, H., Cropley, F., Culf, A. D., Dolman, A. J., Elbers, J., Mon- crieff, J., Monteny, B., and Verhoe

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