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农田动量交换

农田中以乱流交换方式输送动量的过程。近地面物理属性的垂直输送,是由乱流推动的,除一部分乱流是由热力原因引起外,大多数乱流是由于地面(其中包括农田)对风的摩擦减速而产生的。这种摩擦减速,完全可以视为地面连续不断地从风中吸收动量的过程,从而产生一个由气流到地面的连续向下的动量通量。这是一个同近地面乱流相结合的主要通量,它同风速与地面粗糙度有关,它的大小可以用来表示乱流输送的效率。

农田中以乱流交换方式输送动量的过程。近地面物理属性的垂直输送,是由乱流推动的,除一部分乱流是由热力原因引起外,大多数乱流是由于地面(其中包括农田)对风的摩擦减速而产生的。这种摩擦减速,完全可以视为地面连续不断地从风中吸收动量的过程,从而产生一个由气流到地面的连续向下的动量通量。这是一个同近地面乱流相结合的主要通量,它同风速与地面粗糙度有关,它的大小可以用来表示乱流输送的效率。因此,近地面层动量交换作用,对大气中各种物理属性的输送有决定性影响。在农田中,这种影响也不例外。

在没有强烈热力作用条件下,摩擦影响的厚度,决定于地表粗糙度(图1)。图中廓线是强风下测得的,高度Z g为边界层顶(见农田边界层),在这个高度以上,风随高度变化趋近常数(即地面曳力可略而不计)。这一层厚度随粗糙度的增加而增加。于是平均风速的垂直梯度,在平滑地面之上为最大,而在粗糙地面之上为最小。微风时,厚度Zg决定于地面产生的热力对流量。地面强烈增热时,Zg大于图1上的值;而地面冷却时,Zg比较小。

图1 不同地面风廓线和边界层顶高度Zg的变化

当没有垂直温度梯度产生的浮力涡旋时,在均匀地面之上的气流中,摩擦产生的涡旋分布,所引起平均风速随高度的变化,呈指数曲线关系增长。即在地面附近,风的垂直切变最大,向上均匀地减小[图2(a)],若将其绘成风速u与对数高度Z的关系曲线[图2(b)]时,便得到一条直线。图中所示,在均匀高度h的作物群体之上的乱流边界层内气流表现,好似群体各组成部分的垂直分布位于距地某一距离d处。d 被称为气流的零平面位移(δ为确定Z0和d的参考量)

图2 在均匀高度h的作物地上典型的风速廓线

从作物群体到农田边界层顶,是农田动量交换的范围。在这一层次内,农田中各种物理属性、有机微粒(如:花粉、孢子等)和无机微粒(如轻雾滴、悬浮尘粒、硫酸盐和硝酸盐等)的输送,主要受农田动量交换的影响。