姚 彤張 強尹 晗

1）（蘭州大學大氣科學學院，蘭州730000）

2）（中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，蘭州730020）

3）（甘肅省氣象局，蘭州730020）4）（中國人民解放軍93801部隊，武功712200）

半干旱區(qū)榆中地表粗糙度年變化及影響機理

姚 彤1）2）*張 強2）3）尹 晗4）

1）（蘭州大學大氣科學學院，蘭州730000）

2）（中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，蘭州730020）

3）（甘肅省氣象局，蘭州730020）4）（中國人民解放軍93801部隊，武功712200）

利用2006年6月—2010年12月蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站（SACOL）觀測資料，分析了黃土高原自然植被下墊面榆中地表粗糙度時間變化特征，考慮到地形、植被物理特征以及降水和熱力條件的影響，分析了東南風向和西北風向粗糙度年變化規(guī)律及其影響機理，并分別給出這兩個風向歸一化粗糙度與時間的擬合關系式。研究發(fā)現(xiàn)：對于非均一下墊面，由于地形起伏和下墊面植被差別造成的不同風向粗糙度差異顯著。選取東南風向和西北風向，這兩個風向的地表粗糙度無論是量級還是年變化特征都有很大差別，且由于地形和植被的差別，東南風向粗糙度年變化趨勢與穩(wěn)定度年變化趨勢一致，粗糙度與穩(wěn)定度存在一定相關關系，而西北風向粗糙度年變化趨勢與降水量年變化趨勢一致，粗糙度與降水量相關性較好。

半干旱區(qū)；粗糙度；年變化規(guī)律；參數(shù)化關系

引 言

地表粗糙度是陸面過程中的一個重要參數(shù)［1］。從空氣動力學角度出發(fā)，風速廓線上風速為零的位置被定義為地表粗糙度，也稱為空氣動力學粗糙度。地氣相互作用通過改變輻射、地表通量以及土壤熱交換等一系列反饋過程影響大氣環(huán)流，而空氣動力學粗糙度反映了地表特征對大氣湍流的阻抗作用，是描述陸地表面動量、能量和物質(zhì)交換與輸送重要參數(shù)之一，準確估算不同下墊面狀況下的空氣動力學粗糙度對邊界層模式、地氣相互作用以及沙塵暴和土壤風蝕有著十分重要的意義［2-5］。

粗糙度長期以來被作為僅與下墊面幾何粗糙度有關的空氣動力學常數(shù)［6］，但在應用中人們發(fā)現(xiàn)自然界地表多具有非均勻復雜性。對于均勻平坦下墊面，空氣動力學粗糙度除了與植被特征有關外，還與風速、摩擦速度以及大氣穩(wěn)定度等因子關系密切。對于非均勻地表，空氣動力學粗糙度還與風向有關。另外，地形起伏也會使粗糙度增大［7］。因此，空氣動力學粗糙度是粗糙元幾何粗糙度以及氣流狀況相互作用的綜合結(jié)果［8-12］。有研究對不同下墊面粗糙度和動力因子和熱力因子的關系進行了分析，并且給出了擬合關系式［13-14］。粗糙度還有一定的氣候效應，對撒哈拉沙漠的降水研究發(fā)現(xiàn)，撒哈拉沙漠粗糙度減小時，降水也會明顯減?。?5］。有研究表明，地表粗糙度的改變總體上受降水影響［16］。降水和氣溫會直接影響生長季植被的覆蓋和高度，從而影響粗糙度的分布［17-18］。

黃土高原地處我國西北地區(qū)東部，幅員遼闊，屬于半干旱區(qū)，由黃土塬、川、溝壑、山、梁、峁、坪等地貌組成，下墊面情況十分復雜。黃土高原海拔為1000～1500 m，年降水量為164～800 mm，氣候干躁，降水量少且集中為暴雨，屬于溫和半濕潤氣候區(qū)向溫和半干旱、干旱氣候區(qū)的過渡帶，也是氣候變化的敏感地區(qū)。黃土高原下墊面表面特征復雜多樣，地形起伏變化，這為確定該地區(qū)的各陸面參數(shù)以及分析陸面參數(shù)特征增加了難度。黃土高原降水和氣溫會直接影響生長季植被的覆蓋和高度，因此降水的作用在干旱、半干旱區(qū)更突出［19］。

以往研究常忽略地表粗糙度的時間變化特征，即使為均勻地表，由于植被類型不同以及季節(jié)變換導致的植物生長狀況發(fā)生變化等原因，空氣動力學粗糙度表現(xiàn)出隨植被葉面積指數(shù)等因子變化明顯。而對于非均勻地表，空氣動力學粗糙度不僅隨植被狀況發(fā)生變化，還隨風向、風速及摩擦速度等因子變化［7］。對于非均一性下墊面，風速廓線不僅包含了局地下墊面的信息，還包含了氣流上游下墊面的信息，所以粗糙度的變化比較復雜［20］。新的觀測手段促進了陸面參數(shù)新計算方法的發(fā)展，同時也拓展了復雜下墊面和非理想觀測場地獲取具有準確下墊面代表性陸面參數(shù)的思路［21］。高志球等［22］利用單層超聲風速、溫度資料估算非均勻下墊面空氣動力學參數(shù)的方法，計算了中國科學院大氣物理研究所氣象塔附近的下墊面空氣動力學粗糙度和零平面位移。

氣候和中尺度數(shù)值模擬結(jié)果對近地層動量和熱量通量極為敏感［23］，下墊面的粗糙度對大氣邊界層湍流特征影響大［24］，在近地層湍流動量輸送系數(shù)計算方案中具有重要作用［25］。目前，雖然有學者對空氣動力學粗糙度的時間變化做過一些研究［17-18］，但很少有研究提供可用于大氣數(shù)值模式的、能客觀反映空氣動力學粗糙度動態(tài)變化的參數(shù)化關系式。許多野外科學試驗確定的表面空氣動力學粗糙度也許只能代表典型下墊面空氣動力學粗糙度的平均狀態(tài)，而并不能描述空氣動力學粗糙度的動態(tài)變化特征，這意味著目前大氣數(shù)值模式中植被下墊面空氣動力學粗糙度的參數(shù)化存在明顯局限性。

本文利用黃土高原陸面過程觀測與試驗研究項目（LOPEX）參與方蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站（SACOL）的資料，計算自然植被下墊面下的空氣動力學粗糙度，系統(tǒng)分析了其年變化特征，考慮到地形、植被物理特征以及降水和熱力條件，探討了其影響機制，為建立更合理的植被下墊面空氣動力學粗糙度參數(shù)化關系提供參考。

1 觀測場地和觀測數(shù)據(jù)

蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University，SACOL）位于蘭州大學榆中校區(qū)海拔1965.8 m的萃英山頂上（35.946°N，104.137°E），屬溫帶半干旱氣候，年平均氣溫為6.7℃，平均年降水量為381.8 mm，相對濕度為63%。山頂全年盛行西北和東南風，年平均風速約為1.6 m／s。觀測場占地約8 hm2，下墊面屬于典型的黃土高原地貌，塬面梁峁基本為原生植被，植被主要為低矮草地植被，生長圓蕨葉草、艾蒿、堿蓬等植被群落。地形開闊平坦，山頂環(huán)境基本屬于自然狀態(tài)，受人類活動的影響較小，觀測的氣候狀況可以代表方圓幾百公里半干旱地區(qū)氣候狀況。SACOL站觀測環(huán)境見圖1a。有關SACOL站的數(shù)據(jù)應用已有很多，且取得了很好的結(jié)果。李宏宇等［18］等分析了隴中黃土高原自然下墊面陸面過程參數(shù)，張文煜等［20］利用SACOL站資料對黃土高原半干旱區(qū)非均一下墊面粗糙度特征進行了分析，Huang等［26］對黃土高原半干旱區(qū)氣候與環(huán)境進行了研究，張強等［27］探討了隴中黃土高原自然植被下墊面陸面過程及其參數(shù)對降水的響應，孫照萱等［28］對榆中地區(qū)陸面過程氣候特征進行了研究。

圖1 SACOL站觀測環(huán)境（a）及地形高度（b）Fig.1 Observation environment（a）and topography（b）of SACOL Site

觀測塔附近下墊面為半干旱草墊，生長季為4—9月。秋季植被覆蓋較密，平均植株高度可達0.3 m；夏季其次，植株平均高0.24 m；春季約為0.15 m；冬季最小，約為0.1 m。圖1b為觀測場周圍地形圖，由圖1b可以看出，觀測場所處的翠英山脈大致呈西北—東南走向。觀測場附近為黃土高原半干旱區(qū)非均一下墊面，以黃土塬嶺為主，以觀測塔為中心，在180°～230°方向為平坦的山脊。90°～160°方向為一狹長的山谷，谷底海拔約為1945 m，山谷邊緣順主導風向離塔約65 m，越過山谷為一山脊（海拔約為1955 m），該山脊離塔約為300 m，寬約為50 m，其上有小片樹林，平均株高不超過2 m，越過山脊為一寬大的山谷，谷底海拔約為1750 m。210°～330°方向有一寬闊山谷，谷底海拔約為1750 m，山谷邊緣離塔約為60 m，底部離塔約為1 km，越過山谷為一山脊，海拔高約為1800 m，距塔約為2 km，該方向上山谷與山脊的植被類型同觀測塔附近基本相同，谷底有小片農(nóng)田［20］。

SACOL站主要觀測項目包括脈動風速、溫度、水汽濃度、二氧化碳濃度、感熱、潛熱通量和二氧化碳通量（采樣頻率為10 Hz），土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、降水和地表紅外溫度，氣溫、濕度、風向和風速、大氣壓。梯度資料包括塔層氣溫和塔層濕度，觀測高度為1，2，4，8，12，16 m 和32 m，通量觀測主要包括近地層風溫脈動、二氧化碳和水汽脈動，觀測高度為3 m。

原始脈動數(shù)據(jù)分別經(jīng)過去野點、二維坐標旋轉(zhuǎn)、去趨勢、超聲虛溫濕度訂正以及WPL修正等步驟，得到湍流通量。文中所用資料為2006年6月—2010年12月的通量和梯度觀測資料（資料為30 min 1次平均）。

2 數(shù)據(jù)處理和計算方法

含層結(jié)訂正函數(shù)的近地面層風速廓線［29］為

式（1）中，z0和d分別為空氣動力學粗糙度和零平面位移高度（單位：m），z為湍流儀器的架設高度（單位：m），u（z）為高度z處風速（單位：m／s），k為卡曼常數(shù)（取為0.4），u*為摩擦速度（單位：m／s），L是Monin-Obukhov長度（單位：m），ψm為近地面層風速的穩(wěn)定度修正函數(shù)（量綱為1）。其中，風速可直接觀測得到，d可以由植被特征估算，對于高度為h的植被，d＝2／3×h［30］，因此根據(jù)觀測場植被生長情況，分別取春、夏、秋、冬的d值為0.10，0.17，0.20 m 和0.07 m；摩擦速度u*和 Monin-Obukhov長度L可用通量資料簡單計算；ψm可由下列公式計算：

可根據(jù)式（1）推導出計算空氣動力學粗糙度z0的公式：

為了避免降水對通量資料的影響，從中選取非降水天氣條件下的數(shù)據(jù)進行整理分析，非降水天氣是在與降水天相隔2 d以上的基礎上定義的。在資料選取方面，為了有效訂正風廓線，僅選用｜z／L｜＜2的數(shù)據(jù)進行分析［31］；同時，考慮到靜風或風小時資料誤差大，在計算和分析梯度和渦動觀測系統(tǒng)的風速觀測資料時剔除水平風速小于1 m／s的資料［31］。下文中空氣動力學粗糙度簡稱為粗糙度。

3 不同風向粗糙度動態(tài)變化

SACOL站觀測場周圍地形地勢較為復雜，包括山谷和山脊，屬于非均一下墊面，不同風向的地形有所差別。因此首先將風向分為8個區(qū)間來研究不同風向的粗糙度的動態(tài)變化。圖2a給出了2006年6月—2010年12月8個風向區(qū)間的粗糙度月平均值變化圖。從整體來看，粗糙度隨著時間變化明顯，這表明粗糙度的時間變化不能忽略。粗糙度呈一定的周期變化（周期大致為1年），且不同年份粗糙度的峰值和谷值也有一定差別，表明粗糙度也有一定的年際變化。風向不同，粗糙度有很大差別。其中90°～135°和135°～180°風向粗糙度比較小，270°～315°和315°～360°風向的粗糙度大，變化趨勢也不同。圖2b為2006年6月—2010年12月不同風向區(qū)間粗糙度年變化，不同風向區(qū)間的粗糙度不僅量級有差別，年變化趨勢也是不同的。

圖2 不同風向區(qū)間粗糙度2006年6月—2010年12月月平均值（a）及年變化（b）Fig.2 Monthly mean change（a）and monolithic annual variation（b）of aerodynamic roughness length in different wind direction intervals from Jun 2006 to Dec 2010

粗糙度隨風向變化實質(zhì)是隨風浪區(qū)地形地勢及粗糙元而變化［32］。通常風浪區(qū)為扇形作用區(qū)，對于非均勻地表，不同風向意味著扇形風浪區(qū)內(nèi)粗糙元及其密度與分布均不同，植被影響氣流的拖曳力大小，由風浪區(qū)粗糙元的幾何粗糙度和氣流共同作用引起的空氣動力學粗糙度隨風向而不同。統(tǒng)計不同風向區(qū)間的粗糙度平均值（圖3）可以看出，不同風向區(qū)間粗糙度大小有很大變化，甚至可以相差一個量級。在觀測塔90°～160°方向為一狹長的淺谷，植被較測站周圍而言較為稀疏和低矮，粗糙度最??；180°～230°方向為平坦的山脊，植被分布比較均勻，粗糙度稍大；210°～330°方向為一寬闊的深谷，且有植被覆蓋，粗糙度最大。這是因為下墊面為非均一復雜下墊面，不同風向有植被和沒有植被以及植被類型不同粗糙度差別很大。

圖3 不同風向區(qū)間平均粗糙度（單位：m）Fig.3 The averaged aerodynamic roughness length in different wind direction intervals（unit：m）

對于植被覆蓋下墊面，地表粗糙狀況及氣流拖曳力大小受植被葉面積指數(shù)以及植被高度的影響。而植被變化主要是由于生長季和非生長季的差別。統(tǒng)計生長季和非生長季粗糙度平均值，生長季為0.09 m，非生長季為0.07 m，這是因為植被高度、密度以及葉面積指數(shù)在生長季比較大。

另外，由圖4中生長季與非生長季粗糙度平均值隨著風向的變化可以看出，90°～160°方向生長季和非生長季粗糙度基本上沒有差別，說明這個方向影響粗糙度的主要因素不是植被，這與該方向的植被較為稀疏和矮小有關。而其他風向生長季和非生長季粗糙度有差別，說明植被是影響其變化的主要因素，與這些風向的植被特征也相符合。

圖4 生長季和非生長季粗糙度隨風向區(qū)間的變化（單位：m）Fig.4 Variation of aerodynamic roughness length along with wind direction intervals in growing season and non-growing season（unit：m）

4 粗糙度年變化規(guī)律及其影響因素

由圖5的SACOL站風向頻數(shù)玫瑰圖可以看出，觀測場地主導風向為東南風（SE）和西北風（NW），這與SACOL站地形有很大關系。SACOL站所在山脈大致呈西北—東南走向，對東南風和西北風的阻擋作用比較弱。為比較東南、西北兩個方向上游不同下墊面對測點粗糙度的影響，將所有的數(shù)據(jù)資料分別按照112.5°～157.5°代表東南方向，270°～337.5°代表西北方向，分析粗糙度隨時間變化。東南風向的粗糙度平均值為0.015 m，西北風向的粗糙度平均值為0.123 m，根據(jù)曾劍等［33］和馮建武等［17］研究，東南風向粗糙度的量級與稀疏植被下墊面如退化草地量級相當，可視為植被對粗糙度的影響很小，可忽略；西北風向為草地下墊面，但粗糙度量級與農(nóng)田下墊面量級相當，因為西北風向地形的起伏也使粗糙度增大了。粗糙度隨著風速是減小的，而東南風向風速平均值為4.1 m／s，明顯大于西北風向的2.3 m／s，這可能是地形造成的。

圖5 SACOL站風向頻數(shù)玫瑰圖Fig.5 Wind frequency rose of SACOL Site

由于降水等因素的影響，粗糙度會有一定的年際變化，為了消除不同年份之間粗糙度大小不同造成的影響，這里引入歸一化粗糙度z0／za分析粗糙度的年變化。其中，za代表各個年份粗糙度的年平均值。圖6為兩個風向區(qū)間歸一化粗糙度的年變化。由圖6可以看出，東南和西北兩個風向的歸一化粗糙度隨時間的分布差別很大，變化趨勢相反。東南風向1月、2月粗糙度較大，然后逐漸下降，7月、8月最小，隨后又增加；西北風向1月、2月較小，然后逐漸增加，6月、7月達到最大，隨后又逐漸減小。東南風向影響粗糙度的主要因素不是植被，而由于該方向植被較為稀疏矮小，可忽略植被的影響，可以推測粗糙度年變化與穩(wěn)定度年變化相關。圖7a為穩(wěn)定度的年變化，可以看出，東南風向歸一化粗糙度的年變化趨勢與穩(wěn)定度的年變化趨勢一致。西北風向粗糙度主要受植被影響，而降水對植被的影響很大。由圖7b可知，西北風向歸一化粗糙度年變化與降水量年變化較一致。因為榆中地處黃土高原半干旱區(qū)，下墊面為自然植被，降水和氣溫會直接影響生長季植被的覆蓋和高度，植被覆蓋的變化進而改變地表粗糙度，所以粗糙度與降水的變化趨勢較一致。可見在榆中地區(qū)，從降水對粗糙度的間接作用來看，降水增多有利于西北地區(qū)防風固沙以及生態(tài)系統(tǒng)的恢復。

圖6 歸一化粗糙度年變化及其與時間擬合曲線 （a）東南風向，（b）西北風向Fig.6 Annual variation of normalized aerodynamic roughness length and fits for relation between roughness length and time in two wind directions of southeast（a）and northwest（b）

圖7 穩(wěn)定度（a）與降水量（b）年變化Fig.7 Annual variations of stability（a）and precipitation（b）

圖8給出了歸一化粗糙度與穩(wěn)定度和降水量相關性散點圖，東南風向和西北風向的歸一化粗糙度分別與穩(wěn)定度和降水量有較好的相關關系，相關系數(shù)分別為0.42和0.67。即東南風向歸一化粗糙度隨著穩(wěn)定度的增大而增大，粗糙度的年變化趨勢與穩(wěn)定度相關；而西北風向歸一化粗糙度隨著降水量的增大而增大，粗糙度的年變化趨勢與降水量相關。

圖8 東南風向歸一化粗糙度與穩(wěn)定度（a）及西北風向歸一化粗糙度與降水量（b）散點分布Fig.8 Scatter plots of normalized aerodynamic roughness length in the southeast with stability（a）and normalized roughness length in the nrothwest with precipitation（b）

由圖6可知，總體來說，粗糙度與時間有較好的相關性?？山o出歸一化粗糙度與時間的參數(shù)化關系，用下面一組正弦函數(shù)來表示：

其中，t為時間，以月為單位；wd表示風向。擬合關系式相關系數(shù)分別達到0.49和0.82，標準差分別為0.2323和0.1981。該式對陸面過程模式中定量描述植被下墊面動態(tài)變化的粗糙度有參考意義。

5 結(jié)論與討論

本文利用SACOL站資料研究粗糙度的年變化特征及其影響機理，主要結(jié)論如下：

1）SACOL站下墊面為非均一復雜下墊面，不同風向有植被和沒有植被以及植被類型不同粗糙度差別很大，大小甚至可以相差一個量級，且生長季粗糙度明顯大于非生長季。

2）根據(jù)盛行風向以及地形特征選取兩個風向區(qū)間，東南風向的粗糙度平均值為0.015 m，粗糙度量級與稀疏植被下墊面如退化草地量級相當，可忽略植被；西北風向的粗糙度平均值為0.123 m，粗糙度量級與農(nóng)田下墊面量級相當。

3）東南和西北兩個風向的歸一化粗糙度隨時間分布差別大，變化趨勢相反。東南風向歸一化粗糙度與穩(wěn)定度年變化較一致，西北風向歸一化粗糙度與降水量年變化較一致。兩個風向歸一化粗糙度與時間的參數(shù)化關系可以用一組正弦函數(shù)來表示。

致 謝：蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站（SACOL）提供了陸面過程資料，中國氣象局蘭州干旱氣象研究所的沙莎為本論文提供了幫助，在此表示感謝。

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The Annual Variation and Its Influencing Mechanism of Surface Roughness Length of Yuzhong in Semi-arid Areas

Yao Tong1）2）Zhang Qiang2）3）Yin Han4）

1）（College of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou730000）
2）（Institute of Arid Meteorology，Key laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province，Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster，Reduction，CMA，Lanzhou730020）
3）（Gansu Provincial Meteorological Bureau，Lanzhou730020）
4）（93801Army of PLA，Wugong712200）

Based on data observed at the Semi-arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University（SACOL）from June 2006 to December 2010，temporal characteristics of aerodynamic roughness length over the natural vegetation surface of Yuzhong are analyzed.Annual change characteristics of roughness length and influencing mechanisms in the southeast and northwest are analyzed，taking the impact of terrain，vegetation，precipitation and thermal conditions into account，and the fitting relationships between normalized roughness and time are given.It shows that for heterogeneous underlying surface，the difference of aerodynamic roughness length in different wind directions caused by undulating terrain and vegetation difference is very significant.According to the prevailing wind direction，two wind directions which are southeast and northwest are selected.Both magnitude and changing trends of roughness length of two selected wind directions are remarkable different.The averaged roughness length in southeast is 0.015 m，whose magnitude is equal to the roughness length over sparsely vegetated underlying surface like deteriorated grassland，while the averaged roughness length in northwest is 0.123 m，whose magnitude is equal to the roughness length over farmland underlying surface.To eliminate effects of the inter-annual variation of roughness length，the normalized roughness length is injected into the discussion.The time-distributing characteristics in two wind directions vary considerably，which can be considered showing opposite trends.The annual changing trend of roughness length in southeast decreases first and then increases，while it increases first and then decreases in northwest.And due to differences in terrain and vegetation，influencing mechanisms of the time variation of roughness length in the two wind directions are different.The annual variation trend of normalized roughness is consistent with the annual variation of atmospheric stability and the roughness length has a certain relationship with atmospheric stability in southeast due to the stunted sparse vegetation.While the annual variation trend of roughness length is consistent with the annual variation of precipitation and the roughness length has a good relationship with precipitation in northwest due to the impact of vegetation，and the vegetation is mainly effected by the precipitation.The time parametric relationship between normalized roughness and time in two directions can be described by a set of sinusoidal functions，and the related coefficient can reach 0.49 and 0.82，respectively.

semi-arid area；aerodynamic roughness length；annual variation；parametric relationship

姚彤，張強，尹晗.半干旱區(qū)榆中地表粗糙度年變化及影響機理.應用氣象學報，2014，25（4）：454-462.

2013-09-29收到，2014-05-06收到再改稿。

國家自然科學基金重點項目（40830957）

*email：tongy_2010＠163.com